0引言
对于一些先进的光学系统，如侦察系统、气象观测系统等，反射镜是重要的组成部分，其质量的好坏直接影响着光学系统的整体性能。随着科学技术的迅猛发展，对反射镜的整体性能要求也越来越高，如：轻量化、高功率密度、热稳定性好等。所谓轻量化技术就是指减小光学镜子单位面积的质量，而不影响光学镜子的成像质量的加工技术。从轻量化的概念来看，主要有两个方面的工作要做：一是减轻反射镜的重量，二是保证反射镜的光学成像质量。
反射镜的轻量化也是整个光学系统轻量化中最基本、最重要的技术[1]。反射镜轻量化技术经过几十年的发展，已经逐步形成了多样化的格局。不同材料、不同结构形式和不同加工方法制造的轻型反射镜，在天文观察、侦察以及高功率激光技术等诸领域获得了重要应用。
1 轻质反射镜
目前常见的轻质反射镜主要有以下四种：轻质玻璃反射镜、轻质金属玻璃反射镜、轻质金属反射镜、轻质碳化硅反射镜。
1.1轻质玻璃反射镜
早期国内外关于反射镜的研究，多数是玻璃反射镜。以玻璃质材料(包括微晶玻璃或称玻璃陶瓷)制作轻型反射镜的主要技术途径可分为以下三类：浇铸成型法、高温熔接或熔接物封接法、机械钻孔减重法。轻质玻璃反射镜采用玻璃反射镜和金属框架组合装配而成。在这种结构中，玻璃反射镜要保证光学性能，本身首先不可以变形；另外玻璃比较厚、重，而且反射镜的金属框架也需要考虑承重、防变形等问题，故通常采用铸钢材料；除此之外，纯的玻璃反射部件在冷加工过程中容易破碎。正是由于轻质玻璃反射镜存在以上诸多问题，因此目前已经不再是研究热点。
1.2轻质金属玻璃反射镜
俄罗斯专利报道的金属玻璃反射镜，其原理是在钛合金上烧结玻璃层，其制备工艺复杂、生产效率低、成品率较低，反光玻璃层与基体的结合相对较弱，在使用过程中容易脱落。考虑在金属基体上进行结构部件的造型加工后，再制备成光学反射部件，这样便制得金属基玻璃反射镜。考虑到减轻整体重量的设计需求，可以将金属件做成网孔、蜂窝等中空结构。
高祀建等发明了一种轻质表面玻璃化钛金属平面反射镜，该反射镜由钛金属基底、特种玻璃层和反射膜层构成。其中钛金属基底为纯钛或钛合金，钛基底可为平板也可为满足轻量化设计要求的蜂窝状结构。采用机械或激光方法对钛金属基底表面进行加工处理，表面粗糙度为0.8-15μm。该反射镜的玻璃层是厚度为0.2-2.5mm的特种玻璃[2]，反射膜层是通过在特种玻璃层上真空镀高反射比的金属膜而制得的。此反射镜的优点是：特种玻璃与钛金属性能匹配、结构简单、反射镜的面形质量稳定、便于装调，因而可用于航天、航空、兵器等多种领域的光学系统中。
之后，高祀建等又发明了另一种轻质表面玻璃化铍金属平面反射镜，该反射镜由铍金属基底、特种玻璃层和反射膜层组成。其中铍金属基底为平板状结构且进行轻量化设计，或为背面具有减重孔的蜂窝状结构，这种结构使反射镜具有足够高的强度和刚度，同时减轻了反射镜的质量。该反射镜的玻璃层是厚度为0.2-
3.0mm的特种玻璃[3]，反射膜层是在玻璃层上镀高反射比的反射膜。此反射镜的优点有：结构简单、质量轻、光学加工性能好、面形质量稳定等，可用于多种卫星空间遥感器光学系统。
1.3 轻质金属反射镜
目前常用的制作轻质金属反射镜的方法是复制法。复制法是用环氧胶将很薄的光学反射膜从母板反贴到所需要的轻质金属基体上，从而制备出能达到光学质量要求的各种反射镜。该法制作的金属轻质反射镜的主要优点有：反射镜可以薄而轻，如美国人造卫星上用的反射镜直径为200mm，厚度仅有1.5mm；表面疵病的等级一般可以提高到Ⅲ级；该法投资不大，仍然可制备出用一般方法难以成型的反射镜面，如各种离轴非球面反射镜，多边内角镜等[4]。
因复制法制备的轻质金属反射镜有前述独具一格的优点，复制法在实际中的适用性更强。即便是美国这样比较发达的国家，仍在用复制法制备各种轻质金属反射镜。但也存在耐热性差、机械损伤几率大、使用局限性较大等缺点。
1.4 轻质碳化硅反射镜
SiC基反射镜材料单位面积的质量轻，而且具有优异的机械、热学以及光学性能；能制成很薄的或者多孔的结构，轻量化效果明显；其光学性能可与光学玻璃媲美，可达到很高的抛光精度。因此，SiC非常适合作为反射镜材料。
SiC反射镜的研究已经有二十多年的历史，发达国家的研究者在这方面取得了丰硕的成果，其中美国和俄罗斯技术水平最为先进[5]。美国的SSG公司、Eastman Kodak公司等都已经实现了SiC平面反射镜的产品化，俄罗斯空间光学研究院制备了直径为630mm的SiC陶瓷反射镜。
国内对SiC反射镜的研究起步较晚，目前大多仍处于实验室研究阶段[6]。专利《大口径轻质复合材料反射镜及制备方法》公开了一种主要用于空间光学系统中的大口径轻质复合材料反射镜及制备方法，这种反射镜的基体采用轻质碳化硅铝系(SiCp-Al)复合材料[7]。SiCp-Al轻质材料反射镜具有与金属铍反射镜相类似的特性，机械加工简单、无毒、环保，制作工艺简单。韩媛媛等采用反应烧结工艺制备出了直径高达650mm的具有轻量化结构的反射镜，其表面粗糙度RMS为3nm[8]。之后中科院的申振峰等针对大口径、轻量化反射镜高性能表面质量的需求，提出了改进表面工艺的方法。测试结果表明：该工艺方法制备的涂层生长得更加致密、均匀，表面粗糙度RMS降低到0.635nm[9]。
反射镜轻量化技术除了采用在反射镜背部开孔或网状夹层来减重外，还包括基体采用多孔或泡沫结构。美国Ultramet公司首先提出采用轻质开孔SiC泡沫结构作为反射镜体。SiC泡沫在结构和质量上比传统的蜂窝结构以及其它轻量化结构有更大的优势，反射镜采用SiC泡沫结构可以达到并超过现有的高质量玻璃和金属反射镜，并能保持较低的密度，因此总体上达到了理想的轻量化效果[10]。
对于制造小尺寸反射镜，目前SiC反射镜的制备技术已经有比较成熟的工艺，但对于大尺寸甚至直径超过1m的反射镜，还存在以下问题：反射镜的轻量化和力学结构设计，背面封闭的轻量化设计；SiC材料连接技术；大型全SiC光学系统的技术。
2 结论
综上所述，四种轻质反射镜各有优缺点。从制备大尺寸、复杂形状、减重及成本的角度考虑，其中轻量化比较明显的是SiC反射镜。由于SiC反射镜具有很多优越的性能，其必然成为未来反射镜应用发展的重点。目前，德国、美国以及俄罗斯在制备大型反射镜方面技术较为成熟，国内在SiC基反射镜制备方面起步较晚，但经过这几年的努力，已经能够制备出直径为600mm左右的中型反射镜，期望在未来几年内，可制备出满足各方面性能要求的米级大型轻量化反射镜。
参考文献：
[1]陈亚,宋淑梅,宣斌等.用于超低温环境的轻质反射镜制造技术[J].中国光学与应用光学,2010.3(5):494-499
[2]高祀建,关铭,朱永昌等.一种轻质表面玻璃化钛金属平面反射镜及一种特种玻璃:中国,CN101021580[P].
2007-08-22
[3]高祀建,关铭,朱永昌等.一种表面玻璃化铍金属平面反射镜及一种特种玻璃:中国,201010244865[P].2010-
12-29
[4]刘家环,李明伟.复制轻质金属反射镜的应用与制备[J].光学仪器,2001.23(5-6):71-75
[5]Ealey M A,Weaver G Q.Developmental history and trends for reaction-bonded silicon carbide mirrors[C]. The International Society for Optical Engineering,1996,2857:66-72
[6]邓清,肖鹏,熊翔等.碳化硅轻型反射镜的研究进展[J].材料导报,2007.21(2):5-9
[7]沈蓓军,吴令奇,胡骏珠.大口径轻质复合材料及制备方法:中国,CN200410018488.7[P].2004-05-20
[8]韩媛媛,张宇民,韩杰才等.国内外碳化硅反射镜及系统研究进展[J].材料工程,2005.(6):59-63
[9]申振峰,高劲松,王笑夷.RB-SiC基底反射镜表面改性工艺的改进[J].光学精密工程,2009,17(5):969-974
[10]Jacoby M T, Goodman W A. Material properties of silicon and silicon carbide foams[C].The International Society for Optical Engineering,2005,5868:1-12
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