編者按

X射線光學(xué)元件制造屬于極端制造范疇，其動(dòng)輒成百上千片的批量、米級(jí)的尺度、微米級(jí)的厚度、納米級(jí)的制造精度和亞納米級(jí)的表面粗糙度對(duì)現(xiàn)有的光學(xué)加工技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)，制造難度極大。常規(guī)的光學(xué)制造工藝已經(jīng)無法滿足要求。

未來X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)作為核心載荷將應(yīng)用在X射線天文觀測(cè)、X射線脈沖星導(dǎo)航、X射線空間通訊等具有重要戰(zhàn)略意義的空間科學(xué)和航天工程等領(lǐng)域。

目前面向空間應(yīng)用的X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)的制造技術(shù)完全被歐美的相關(guān)國家壟斷。我國在此領(lǐng)域起步較晚，缺乏相關(guān)基礎(chǔ)研究，表面綜合性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)手段，自主研發(fā)的制造裝備及工藝尚需優(yōu)化，聚焦鏡的總體制造水平與國外已有型號(hào)相比存在較大差距。因此，X射線光學(xué)系統(tǒng)的制造技術(shù)是我們急需突破的技術(shù)瓶頸。

鑒于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王波教授團(tuán)隊(duì)在《光學(xué) 精密工程》發(fā)表題為“X 射線聚焦鏡的超精密制造”的文章，該文章被選為第八期封面文章。

王波教授團(tuán)隊(duì)開展X射線聚焦鏡制造關(guān)鍵技術(shù)研究，補(bǔ)齊基礎(chǔ)研究短板，完善加工、檢測(cè)平臺(tái)，優(yōu)化工藝，突破我國在X射線光學(xué)元件制造領(lǐng)域面臨的技術(shù)瓶頸，使得我國X射線聚焦鏡的總體制造水平達(dá)到國際先進(jìn)水平，個(gè)別指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

1、建成了700m2的國內(nèi)唯一一條短波光學(xué)元件潔凈生產(chǎn)線；

2、自主研制成功了20余臺(tái)/套加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了模具制造、鍍膜、電鑄、復(fù)制、檢測(cè)、裝調(diào)設(shè)備的自主可控；

3、采用創(chuàng)新工藝方案，實(shí)現(xiàn)了聚焦鏡光學(xué)元件的高效、超精密、超光滑加工，其中，聚焦鏡模具的制造   效率較NASA和ESA采用的常規(guī)工藝提高近10倍，非球面面形精度≤0.5 μm，表面粗糙度≤0.5 nm，鏡片角分辨率≤30″，滿足型號(hào)指標(biāo)要求。

4、已完成EP衛(wèi)星X射線聚焦鏡力學(xué)驗(yàn)證件、結(jié)構(gòu)熱控件和飛行驗(yàn)證件的制造，滿足型號(hào)技術(shù)要求；

本篇封面文章圍繞X射線聚焦鏡的超精密制造技術(shù)。針對(duì)電鑄復(fù)制法，在化學(xué)鍍鎳磷合金、模具超精密加工、模具鍍膜、電鑄鎳以及脫模等全工藝鏈上進(jìn)行了創(chuàng)新性的工藝探索和裝備研發(fā)。提出自主可控的高效超精密制造方法，制造出滿足指標(biāo)的高精度模具和聚焦鏡，突破技術(shù)壁壘，打破國外壟斷。

本期讓我們一起走進(jìn)王波教授團(tuán)隊(duì)，了解封面文章背后的故事，一窺中國科研人的實(shí)力與決心。

期刊封面：《光學(xué) 精密工程》 2021年 第29卷 第8期

訪談：

本期記者：臧春秀（《光學(xué) 精密工程》 科學(xué)編輯）

受訪嘉賓：王波（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，教授）

01. 文中提到了幾種主要的掠入射聚焦鏡制造技術(shù)，您能分別介紹一下這幾種技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，以及您和您的團(tuán)隊(duì)為什么最終選擇了電鑄復(fù)制法么？ 

王波: 目前國內(nèi)外已有的制造工藝方法主要有：直接拋光法、薄片拼接法、玻璃片熱坍塌法和電鑄復(fù)制法。其中，電鑄復(fù)制法技術(shù)被看作是一種大規(guī)模制造X射線聚焦鏡的理想工藝方法，能夠滿足新一代X射線望遠(yuǎn)鏡高角分辨率和大有效面積的要求。其通過電鑄方法精確復(fù)制高精度模具的表面狀態(tài)，然后脫模形成完整的內(nèi)反射面。該方法的優(yōu)勢(shì)在于高精度的聚焦鏡模具可以循環(huán)復(fù)用，可大量復(fù)制聚焦鏡，制造效率高。同時(shí)，電鑄復(fù)制方法可以直接制造全口徑回轉(zhuǎn)的聚焦鏡片，避免了其他拼接裝配方法所引入的誤差。美國國家航空航天局NASA和歐洲空間局ESA發(fā)射和規(guī)劃的多顆大型X射線衛(wèi)星，均采用電鑄復(fù)制的工藝方法進(jìn)行大批量制造高精度聚焦鏡。

02. 創(chuàng)新性體現(xiàn)在哪？與國外/常規(guī)工藝的差異，優(yōu)劣勢(shì)？

王波: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)率先開展了X射線聚焦鏡超精密制造方向研究，建成了我國首條和唯一的大口徑高分辨率X射線聚焦鏡潔凈制造生產(chǎn)線。自主研發(fā)了X射線聚焦鏡制造設(shè)備近20臺(tái)/套(包括超精密切削、拋光、鍍膜、化學(xué)鍍、電鑄、脫模、裝調(diào))，具備全頻段表面形貌檢測(cè)和光學(xué)性能評(píng)測(cè)手段，完成了X射線聚焦鏡復(fù)制工藝路線的全流程驗(yàn)證。其中，主要?jiǎng)?chuàng)新性有以下幾點(diǎn)：

利用自主研制的大尺寸超精密輥筒加工機(jī)床及在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)聚焦鏡模具的高效高精度收斂，大幅降低拋光修形及超光滑加工的工藝時(shí)間，哈工大團(tuán)隊(duì)聚焦鏡模具的制造效率較NASA和ESA采用的常規(guī)光學(xué)加工工藝提高近10倍；鍍膜采用自主設(shè)計(jì)研制的全自動(dòng)化設(shè)備，膜層均勻性誤差小于10 nm，通過創(chuàng)新的鍍膜工藝實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合力的調(diào)控；化學(xué)鍍、電鑄的裝置和工藝均為自主研制，對(duì)過程溫度及應(yīng)力可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控；脫模過程采用自主創(chuàng)新研發(fā)的脫模裝置，工藝穩(wěn)定可靠，脫模效率高，同時(shí)可保護(hù)模具以利于重復(fù)使用；裝調(diào)系統(tǒng)是利用光學(xué)原理搭建的鏡組快速裝配系統(tǒng)，均為自主創(chuàng)新研發(fā)。

03. 解決了（目前國內(nèi)）X 射線聚焦鏡超精密制造過程中的哪些關(guān)鍵問題。

王波: 解決了化學(xué)鍍鎳磷合金、模具超精密加工、模具鍍膜、電鑄鎳基體以及脫模等全工藝鏈上的工藝探索和裝備研發(fā)等一系類關(guān)鍵問題。如：

探索了X射線聚焦鏡模具超精密加工全頻段誤差收斂機(jī)制；

完成了X射線聚焦鏡全頻段誤差檢測(cè)及表征技術(shù)研究；

提出了面向多能級(jí)X射線掠入射的鍍膜工藝及界面結(jié)合力調(diào)控方法；

進(jìn)行了X射線聚焦鏡電鑄鎳應(yīng)力調(diào)控機(jī)制及脫模關(guān)鍵技術(shù)研究。

04. 采用您課題組技術(shù)制備的聚焦鏡精度在國際上可以達(dá)到什么樣的水平。

王波: 以自主創(chuàng)新的超精密切削和超光滑拋光工藝為核心，實(shí)現(xiàn)了X射線聚焦鏡鏡片的高精度批量鎳基復(fù)制，模具精度達(dá)到亞微米級(jí)，表面粗糙度達(dá)到了亞納米級(jí)，鏡片角分辨率優(yōu)于30″，達(dá)到國際先進(jìn)水平，打破了NASA和ESA在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。目前完成了EP衛(wèi)星聚焦鏡結(jié)構(gòu)件、熱控件、鑒定件和eXTP天文臺(tái)背景型號(hào)研制任務(wù)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了歐洲eROSITA衛(wèi)星同等水平。實(shí)現(xiàn)了X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代，可以為X射線天文學(xué)、脈沖星導(dǎo)航等提供技術(shù)支撐。

05. 在X射線聚焦鏡超精密制造技術(shù)方面還有哪些問題和挑戰(zhàn)（可以優(yōu)化的方面）。

王波: 我們接下來將進(jìn)一步提高模具制造精度和生產(chǎn)效率，同時(shí)優(yōu)化鍍膜膜層的均勻性，使膜層材料與基體的結(jié)合力的調(diào)控精度進(jìn)一步提高。薄壁光學(xué)鏡片在裝配過程中的變形控制是另一個(gè)難點(diǎn)，保證鏡片亞微米級(jí)的變形量是非常困難的事情，同時(shí)對(duì)環(huán)境條件的要求極為苛刻。整個(gè)鏡片和芯軸模具的加工檢測(cè)過程中的環(huán)境控制是本項(xiàng)目中的重要投入部分。

論文信息：

王波, 楊彥佶, 王殿龍, 等. X射線聚焦鏡的超精密制造[J]. 光學(xué)精密工程, 2021, 29(8)08. 

DOI：10.37188/OPE.20212908.1839

論文地址：

http://ope.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/OPE.20212908.1839

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監(jiān)制 | 袁境澤、趙陽

編輯 | 趙唯

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