引言：光的媒介與材料的進化
玻璃，在生活場景中隨處可見，窗戶用它隔絕風雨卻又不阻隔陽光，水杯以它盛裝清泉折射出生活的澄澈，鏡頭借它聚焦瞬間定格美好，眼鏡靠它矯正視線清晰看世界，鏡子憑它映照容顏開啟自我認知。
玻璃的魔力，在于它能馴服光線——折射、聚焦、反射，每一道工序都讓光為人類所用。而中國光學的故事，正始于一塊看似平凡的光學玻璃。

從零開始：中國光學的“紅燒肉哲學”

新中國成立初期，我國光學領域幾乎一片空白——連一塊合格的光學玻璃都造不出，顯微鏡、望遠鏡等精密儀器完全依賴進口，核心技術被國外“卡脖子”。 光學玻璃與普通玻璃雖同屬玻璃范疇，卻有著天壤之別。普通玻璃主要用于建筑、容器等日常領域，對光學性能要求不高；而光學玻璃則是光學儀器的“心臟”，它具有高度均勻性、特定折射率與色散等特性，是精準控制光線傳播路徑的關鍵所在，其性能優劣直接影響成像質量。但制造它卻十分困難：既要精確調控熔煉溫度，又要嚴格配比原料成分，而當時國內既無技術積累，也缺乏關鍵設備，每一步都舉步維艱。
這時，一位科學家站了出來——被譽為“中國光學之父”的王大珩院士。他說：“想吃紅燒肉，得從養豬開始！”這句話成了中國光學人的行動綱領：從最基礎的原料和工藝做起，自力更生。
1953年，他帶領團隊在長春光機所成功熔制出第一爐國產光學玻璃，結束了依賴進口的歷史。1958年，電子顯微鏡、高精度經緯儀等“八大件”儀器和一系列新型光學玻璃問世，中國初步構建了光學技術的自主體系。


圖2：“八大件”之一的中國第一臺高溫金相顯微鏡丨圖源：長春光機所

反射式革命：為何天文望遠鏡不用相機鏡頭？
當基礎光學技術實現突圍后，科學家們開始向更高層級的光學系統發起挑戰。在探索宇宙奧秘的天文學領域時你或許會好奇：相機鏡頭用玻璃透鏡就能拍出高清大片，為什么天文望遠鏡不用相機鏡頭一樣的光學玻璃透鏡，而是用巨大的凹面鏡？答案藏在兩個關鍵詞里：口徑與分辨率。
根據瑞利判據（θ=1.22λ/D），望遠鏡的分辨能力（分辨角θ的倒數，也就是我們常說的分辨率）與主鏡直徑D成正比，這也就意味著常規設計下，想要捕捉到更清晰的信息就不得不繼續增加鏡頭的口徑。而相機的玻璃透鏡雖能滿足日常需求，但在制造米級以上的大尺寸透鏡時，就會面臨色差、重量和熱變形等瓶頸。那有沒有一種方案可以改善這種情況呢?科學家轉向反射式光學系統：用凹面鏡代替透鏡，通過反射聚焦光線。這種設計不僅大幅降低重量，還能通過多鏡組協同校正像差。
最廣為人知的例子便是韋伯望遠鏡，它利用反射式結構，將來自宇宙深處的微弱光線層層接力：凹面主鏡捕獲星光后，反射至凸面副鏡，再經凹面第三鏡矯正像差，最終由平面轉向鏡引導光線穿過主鏡中心的孔洞，抵達后方的探測儀器。


圖3：“詹姆斯·韋伯”號空間望遠鏡成像原理

反射式系統的核心挑戰在于材料——鏡體需輕量化、高剛度、低熱膨脹。大口徑反射鏡通常采用玻璃、碳化硅、金屬鈹制作，究竟哪個才是最優選擇？


圖4：常用反射鏡材料性能對比[3]

經過實驗發現，與其他材料相比，碳化硅具有更大的比剛度和熱穩定性，這使得在實現同樣的光學口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量和更優的熱穩定性，因此碳化硅也成為大口徑反射鏡鏡坯材料中的佼佼者。

全球競賽：從追趕到并跑的技術博弈

碳化硅（SiC）技術的崛起是一場全球技術與戰略的博弈，各國基于材料特性與產業布局選擇了不同的技術路徑。
美國選擇以低膨脹金屬材料（鋁和鈹）為突破口第二代反射鏡材料，其代表作詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）的6.5米主鏡由18塊鍍金鈹鏡拼接而成。如同一朵在太空中綻放的金屬向日葵。鈹金屬的特性讓它即便在-223℃的極寒環境中也能保持鏡面平整，避免熱脹冷縮導致的成像模糊。


圖5：“詹姆斯·韋伯”號空間望遠鏡丨圖源：NASA

為抵御太陽輻射的干擾，望遠鏡還配備了5層僅發絲百分之一厚度的聚酰亞胺遮陽罩，宛如為這朵宇宙向日葵撐起一把隔熱巨傘。韋伯望遠鏡的造價高達97億美元，能夠捕捉到138億年前宇宙誕生后的第一縷星光，堪稱科學史上最奢侈的“時空望遠鏡”。
但其高昂成本與復雜工藝顯然難以普及。如何讓更多國家以更低成本探索宇宙？科學家將目光又投向了碳化硅（SiC）材料的產業化應用。

歐洲極大望遠鏡（E-ELT）：鏡面拼接技術中，CVD-SiC（化學氣相沉積碳化硅）用于校正鏡單元。這種材料的熱膨脹系數與主鏡微晶玻璃完美匹配，能夠有效抵消溫度波動引起的應力畸變，同時其輕量化特性（密度僅為傳統材料的60%）降低了鏡面支撐系統的復雜度。這一設計不僅將主鏡拼接誤差控制在納米級，還將整體成本壓縮至傳統方案的40%，為大口徑望遠鏡的平民化提供了技術范本。


圖6：歐洲極大望遠鏡（E-ELT）丨圖源：ESO

長期以來，各國都將米級及以上口徑反射鏡作為戰略物資。“買不到又必須用，把我們逼上了自主創新這條路。”中國的策略是“換道超車”——跳過傳統玻璃工藝，直接攻克碳化硅的制造與加工難題。2018年，中國科學院長春光機所宣布研制出4.03米大口徑碳化硅反射鏡——這是全球最大的單體碳化硅鏡片。


圖7：長春光機所4m碳化硅紀念樣品丨圖源：長春光機所

這個4.03米的大口徑碳化硅反射鏡的意義重大。首先，它代表了我國在碳化硅反射鏡制造技術上的最高水平，提升了我國在國際上的競爭力。在空間態勢感知領域，成功突破了主動光學、自適應光學等多項關鍵技術，以它制造的4米大型地基光電望遠鏡，被譽為“國之重器”。

碳化硅：中國光學的“超材料”突破

2022年，長春光機所實現4米碳化硅鏡的批量生產，成本僅為同類產品的三分之一。這一突破不僅服務于天文觀測，更在衛星遙感、激光通信等領域廣泛應用。例如，吉林一號衛星星座憑借碳化硅光學系統，實現了全球亞米級遙感影像的實時更新。
搭載碳化硅反射鏡的“天問一號”高分辨率相機，在火星軌道上實現了0.5米級成像精度（相當于從長春識別沈陽街頭的一輛轎車），標志著中國深空觀測能力躋身世界第一梯隊。


圖8：天問一號光學系統反射鏡實物丨圖源：長春光機所

結語：星辰大海與下一站前沿
從王大珩的第一爐玻璃到4米碳化硅巨鏡，中國光學用70年完成了從“追趕者”到“領跑者”的蛻變。然而，技術的邊界永無止境——量子光學、超表面材料、光子芯片等新領域已悄然開啟。未來的光學革命，或許不再依賴笨重的鏡片，而是通過納米結構操控光的相位與偏振。但無論形式如何變化，人類對光的探索，終將照亮更遙遠的深空與更微小的量子世界。

參考文獻
[1]長春光機所研制的“天問一號”高分辨率相機成功拍攝火星高分圖像----中國科學院長春光學精密機械與物理研究所[EB/OL].http://www.ciomp.cas.cn/syky/202110/t20211014_4809589.shtml.
[2]玻璃、金屬、碳化硅…各種材質反射鏡的性能對比-技術科普-新聞動態-廣州國際先進陶瓷產業鏈展覽會[EB/OL].https://www.cas.cn/syky/202110/t20211014_4809589.shtml.
[3]Zhang,X.,Hu,H.,Wang,X.etal.Challengesandstrategiesinhigh-accuracymanufacturingoftheworld’slargestSiCasphericmirror.LightSciAppl11,310(2022).
[4]https://science.nasa.gov/mission/webb/
[5]The Hubble Space Telescope NASA
[6]https://www.cas.cn/zt/sszt/75yq/zlzq/202409/t20240913_5031732.shtml

作者丨林昊 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核丨張譯心 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 科普業務主管

來源: 科普中國新媒體

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