引言：光的媒介与材料的进化
玻璃，在生活场景中随处可见，窗户用它隔绝风雨却又不阻隔阳光，水杯以它盛装清泉折射出生活的澄澈，镜头借它聚焦瞬间定格美好，眼镜靠它矫正视线清晰看世界，镜子凭它映照容颜开启自我认知。
玻璃的魔力，在于它能驯服光线——折射、聚焦、反射，每一道工序都让光为人类所用。而中国光学的故事，正始于一块看似平凡的光学玻璃。

从零开始：中国光学的“红烧肉哲学”

新中国成立初期，我国光学领域几乎一片空白——连一块合格的光学玻璃都造不出，显微镜、望远镜等精密仪器完全依赖进口，核心技术被国外“卡脖子”。 光学玻璃与普通玻璃虽同属玻璃范畴，却有着天壤之别。普通玻璃主要用于建筑、容器等日常领域，对光学性能要求不高；而光学玻璃则是光学仪器的“心脏”，它具有高度均匀性、特定折射率与色散等特性，是精准控制光线传播路径的关键所在，其性能优劣直接影响成像质量。但制造它却十分困难：既要精确调控熔炼温度，又要严格配比原料成分，而当时国内既无技术积累，也缺乏关键设备，每一步都举步维艰。
这时，一位科学家站了出来——被誉为“中国光学之父”的王大珩院士。他说：“想吃红烧肉，得从养猪开始！”这句话成了中国光学人的行动纲领：从最基础的原料和工艺做起，自力更生。
1953年，他带领团队在长春光机所成功熔制出第一炉国产光学玻璃，结束了依赖进口的历史。1958年，电子显微镜、高精度经纬仪等“八大件”仪器和一系列新型光学玻璃问世，中国初步构建了光学技术的自主体系。

图2：“八大件”之一的中国第一台高温金相显微镜丨图源：长春光机所

反射式革命：为何天文望远镜不用相机镜头？
当基础光学技术实现突围后，科学家们开始向更高层级的光学系统发起挑战。在探索宇宙奥秘的天文学领域时你或许会好奇：相机镜头用玻璃透镜就能拍出高清大片，为什么天文望远镜不用相机镜头一样的光学玻璃透镜，而是用巨大的凹面镜？答案藏在两个关键词里：口径与分辨率。
根据瑞利判据（θ=1.22λ/D），望远镜的分辨能力（分辨角θ的倒数，也就是我们常说的分辨率）与主镜直径D成正比，这也就意味着常规设计下，想要捕捉到更清晰的信息就不得不继续增加镜头的口径。而相机的玻璃透镜虽能满足日常需求，但在制造米级以上的大尺寸透镜时，就会面临色差、重量和热变形等瓶颈。那有没有一种方案可以改善这种情况呢?科学家转向反射式光学系统：用凹面镜代替透镜，通过反射聚焦光线。这种设计不仅大幅降低重量，还能通过多镜组协同校正像差。
最广为人知的例子便是韦伯望远镜，它利用反射式结构，将来自宇宙深处的微弱光线层层接力：凹面主镜捕获星光后，反射至凸面副镜，再经凹面第三镜矫正像差，最终由平面转向镜引导光线穿过主镜中心的孔洞，抵达后方的探测仪器。

图3：“詹姆斯·韦伯”号空间望远镜成像原理

反射式系统的核心挑战在于材料——镜体需轻量化、高刚度、低热膨胀。大口径反射镜通常采用玻璃、碳化硅、金属铍制作，究竟哪个才是最优选择？

图4：常用反射镜材料性能对比[3]

经过实验发现，与其他材料相比，碳化硅具有更大的比刚度和热稳定性，这使得在实现同样的光学口径和精度要求下，碳化硅反射镜具有更小的重量和更优的热稳定性，因此碳化硅也成为大口径反射镜镜坯材料中的佼佼者。

全球竞赛：从追赶到并跑的技术博弈

碳化硅（SiC）技术的崛起是一场全球技术与战略的博弈，各国基于材料特性与产业布局选择了不同的技术路径。
美国选择以低膨胀金属材料（铝和铍）为突破口第二代反射镜材料，其代表作詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）的6.5米主镜由18块镀金铍镜拼接而成。如同一朵在太空中绽放的金属向日葵。铍金属的特性让它即便在-223℃的极寒环境中也能保持镜面平整，避免热胀冷缩导致的成像模糊。

图5：“詹姆斯·韦伯”号空间望远镜丨图源：NASA

为抵御太阳辐射的干扰，望远镜还配备了5层仅发丝百分之一厚度的聚酰亚胺遮阳罩，宛如为这朵宇宙向日葵撑起一把隔热巨伞。韦伯望远镜的造价高达97亿美元，能够捕捉到138亿年前宇宙诞生后的第一缕星光，堪称科学史上最奢侈的“时空望远镜”。
但其高昂成本与复杂工艺显然难以普及。如何让更多国家以更低成本探索宇宙？科学家将目光又投向了碳化硅（SiC）材料的产业化应用。

欧洲极大望远镜（E-ELT）：镜面拼接技术中，CVD-SiC（化学气相沉积碳化硅）用于校正镜单元。这种材料的热膨胀系数与主镜微晶玻璃完美匹配，能够有效抵消温度波动引起的应力畸变，同时其轻量化特性（密度仅为传统材料的60%）降低了镜面支撑系统的复杂度。这一设计不仅将主镜拼接误差控制在纳米级，还将整体成本压缩至传统方案的40%，为大口径望远镜的平民化提供了技术范本。

图6：欧洲极大望远镜（E-ELT）丨图源：ESO

长期以来，各国都将米级及以上口径反射镜作为战略物资。“买不到又必须用，把我们逼上了自主创新这条路。”中国的策略是“换道超车”——跳过传统玻璃工艺，直接攻克碳化硅的制造与加工难题。2018年，中国科学院长春光机所宣布研制出4.03米大口径碳化硅反射镜——这是全球最大的单体碳化硅镜片。

图7：长春光机所4m碳化硅纪念样品丨图源：长春光机所

这个4.03米的大口径碳化硅反射镜的意义重大。首先，它代表了我国在碳化硅反射镜制造技术上的最高水平，提升了我国在国际上的竞争力。在空间态势感知领域，成功突破了主动光学、自适应光学等多项关键技术，以它制造的4米大型地基光电望远镜，被誉为“国之重器”。

碳化硅：中国光学的“超材料”突破

2022年，长春光机所实现4米碳化硅镜的批量生产，成本仅为同类产品的三分之一。这一突破不仅服务于天文观测，更在卫星遥感、激光通信等领域广泛应用。例如，吉林一号卫星星座凭借碳化硅光学系统，实现了全球亚米级遥感影像的实时更新。
搭载碳化硅反射镜的“天问一号”高分辨率相机，在火星轨道上实现了0.5米级成像精度（相当于从长春识别沈阳街头的一辆轿车），标志着中国深空观测能力跻身世界第一梯队。

图8：天问一号光学系统反射镜实物丨图源：长春光机所

结语：星辰大海与下一站前沿
从王大珩的第一炉玻璃到4米碳化硅巨镜，中国光学用70年完成了从“追赶者”到“领跑者”的蜕变。然而，技术的边界永无止境——量子光学、超表面材料、光子芯片等新领域已悄然开启。未来的光学革命，或许不再依赖笨重的镜片，而是通过纳米结构操控光的相位与偏振。但无论形式如何变化，人类对光的探索，终将照亮更遥远的深空与更微小的量子世界。

参考文献
[1]长春光机所研制的“天问一号”高分辨率相机成功拍摄火星高分图像----中国科学院长春光学精密机械与物理研究所[EB/OL].http://www.ciomp.cas.cn/syky/202110/t20211014_4809589.shtml.
[2]玻璃、金属、碳化硅…各种材质反射镜的性能对比-技术科普-新闻动态-广州国际先进陶瓷产业链展览会[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 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核丨张译心 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 科普业务主管

来源: 科普中国新媒体

来源: 科普中国新媒体

内容资源由项目单位提供