X射线聚焦镜的超精密制造

编者按

X射线光学元件制造属于极端制造范畴，其动辄成百上千片的批量、米级的尺度、微米级的厚度、纳米级的制造精度和亚纳米级的表面粗糙度对现有的光学加工技术提出了巨大的挑战，制造难度极大。常规的光学制造工艺已经无法满足要求。

未来X射线聚焦光学系统作为核心载荷将应用在X射线天文观测、X射线脉冲星导航、X射线空间通讯等具有重要战略意义的空间科学和航天工程等领域。

目前面向空间应用的X射线聚焦光学系统的制造技术完全被欧美的相关国家垄断。我国在此领域起步较晚，缺乏相关基础研究，表面综合性能评价标准和检测手段，自主研发的制造装备及工艺尚需优化，聚焦镜的总体制造水平与国外已有型号相比存在较大差距。因此，X射线光学系统的制造技术是我们急需突破的技术瓶颈。

鉴于此，哈尔滨工业大学王波教授团队在《光学 精密工程》发表题为“X 射线聚焦镜的超精密制造”的文章，该文章被选为第八期封面文章。

王波教授团队开展X射线聚焦镜制造关键技术研究，补齐基础研究短板，完善加工、检测平台，优化工艺，突破我国在X射线光学元件制造领域面临的技术瓶颈，使得我国X射线聚焦镜的总体制造水平达到国际先进水平，个别指标达到国际领先水平。

1、建成了700m²的国内唯一一条短波光学元件洁净生产线；

2、自主研制成功了20余台/套加工设备，实现了模具制造、镀膜、电铸、复制、检测、装调设备的自主可控；

3、采用创新工艺方案，实现了聚焦镜光学元件的高效、超精密、超光滑加工，其中，聚焦镜模具的制造   效率较NASA和ESA采用的常规工艺提高近10倍，非球面面形精度≤0.5 μm，表面粗糙度≤0.5 nm，镜片角分辨率≤30″，满足型号指标要求。

4、已完成EP卫星X射线聚焦镜力学验证件、结构热控件和飞行验证件的制造，满足型号技术要求；

本篇封面文章围绕X射线聚焦镜的超精密制造技术。针对电铸复制法，在化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍以及脱模等全工艺链上进行了创新性的工艺探索和装备研发。提出自主可控的高效超精密制造方法，制造出满足指标的高精度模具和聚焦镜，突破技术壁垒，打破国外垄断。

本期让我们一起走进王波教授团队，了解封面文章背后的故事，一窥中国科研人的实力与决心。

期刊封面：《光学 精密工程》 2021年 第29卷 第8期

访谈：

本期记者：臧春秀（《光学 精密工程》 科学编辑）

受访嘉宾：王波（哈尔滨工业大学，教授）

01. 文中提到了几种主要的掠入射聚焦镜制造技术，您能分别介绍一下这几种技术的优劣势，以及您和您的团队为什么最终选择了电铸复制法么？ 

王波: 目前国内外已有的制造工艺方法主要有：直接抛光法、薄片拼接法、玻璃片热坍塌法和电铸复制法。其中，电铸复制法技术被看作是一种大规模制造X射线聚焦镜的理想工艺方法，能够满足新一代X射线望远镜高角分辨率和大有效面积的要求。其通过电铸方法精确复制高精度模具的表面状态，然后脱模形成完整的内反射面。该方法的优势在于高精度的聚焦镜模具可以循环复用，可大量复制聚焦镜，制造效率高。同时，电铸复制方法可以直接制造全口径回转的聚焦镜片，避免了其他拼接装配方法所引入的误差。美国国家航空航天局NASA和欧洲空间局ESA发射和规划的多颗大型X射线卫星，均采用电铸复制的工艺方法进行大批量制造高精度聚焦镜。

02. 创新性体现在哪？与国外/常规工艺的差异，优劣势？

王波: 哈尔滨工业大学在国内率先开展了X射线聚焦镜超精密制造方向研究，建成了我国首条和唯一的大口径高分辨率X射线聚焦镜洁净制造生产线。自主研发了X射线聚焦镜制造设备近20台/套(包括超精密切削、抛光、镀膜、化学镀、电铸、脱模、装调)，具备全频段表面形貌检测和光学性能评测手段，完成了X射线聚焦镜复制工艺路线的全流程验证。其中，主要创新性有以下几点：

利用自主研制的大尺寸超精密辊筒加工机床及在机检测系统，可以实现聚焦镜模具的高效高精度收敛，大幅降低抛光修形及超光滑加工的工艺时间，哈工大团队聚焦镜模具的制造效率较NASA和ESA采用的常规光学加工工艺提高近10倍；镀膜采用自主设计研制的全自动化设备，膜层均匀性误差小于10 nm，通过创新的镀膜工艺实现界面结合力的调控；化学镀、电铸的装置和工艺均为自主研制，对过程温度及应力可进行实时监测和调控；脱模过程采用自主创新研发的脱模装置，工艺稳定可靠，脱模效率高，同时可保护模具以利于重复使用；装调系统是利用光学原理搭建的镜组快速装配系统，均为自主创新研发。

03. 解决了（目前国内）X 射线聚焦镜超精密制造过程中的哪些关键问题。

王波: 解决了化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模等全工艺链上的工艺探索和装备研发等一系类关键问题。如：

探索了X射线聚焦镜模具超精密加工全频段误差收敛机制；

完成了X射线聚焦镜全频段误差检测及表征技术研究；

提出了面向多能级X射线掠入射的镀膜工艺及界面结合力调控方法；

进行了X射线聚焦镜电铸镍应力调控机制及脱模关键技术研究。

04. 采用您课题组技术制备的聚焦镜精度在国际上可以达到什么样的水平。

王波: 以自主创新的超精密切削和超光滑抛光工艺为核心，实现了X射线聚焦镜镜片的高精度批量镍基复制，模具精度达到亚微米级，表面粗糙度达到了亚纳米级，镜片角分辨率优于30″，达到国际先进水平，打破了NASA和ESA在该领域的技术垄断。目前完成了EP卫星聚焦镜结构件、热控件、鉴定件和eXTP天文台背景型号研制任务，关键技术指标达到了欧洲eROSITA卫星同等水平。实现了X射线聚焦望远镜系统的国产化替代，可以为X射线天文学、脉冲星导航等提供技术支撑。

05. 在X射线聚焦镜超精密制造技术方面还有哪些问题和挑战（可以优化的方面）。

王波: 我们接下来将进一步提高模具制造精度和生产效率，同时优化镀膜膜层的均匀性，使膜层材料与基体的结合力的调控精度进一步提高。薄壁光学镜片在装配过程中的变形控制是另一个难点，保证镜片亚微米级的变形量是非常困难的事情，同时对环境条件的要求极为苛刻。整个镜片和芯轴模具的加工检测过程中的环境控制是本项目中的重要投入部分。

论文信息：

王波, 杨彦佶, 王殿龙, 等. X射线聚焦镜的超精密制造[J]. 光学精密工程, 2021, 29(8)08. 

DOI：10.37188/OPE.20212908.1839

论文地址：

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

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监制 | 袁境泽、赵阳

编辑 | 赵唯

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