LAMOST子鏡鍍膜研究進(jìn)展*

李鳳云 韓智潔 劉明旭 淳于波 徐亞軍 陳余 李雙虎 閆秋浩包鐵威 郭王偉 李義成 李新南 王晉峰 田杰 喬撩云陳亮 呂金虎 陳超 劉承 張勇 侯永輝 王躍飛葛群 左恒 姜方華 李燁平 陸啟帥 胡守偉 王佑李愛華 倪季君 張超 倪小康 許靜 李浩 李曉飛張昊彤 白仲瑞 胡天柱 王丹 崔向群 趙永恒 李國(guó)平

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012)

(2 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 南京 210042)

(3 中國(guó)科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京天文光學(xué)技術(shù)研究所) 南京 210042)

1 引言

具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施-大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡[1-5](Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope， LAMOST， 又名郭守敬望遠(yuǎn)鏡)安放在燕山主峰南麓的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站， 如圖1. LAMOST首先在國(guó)際上創(chuàng)造性地應(yīng)用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)， 在觀測(cè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)鏡面曲面形狀高精度連續(xù)變化， 從而突破了傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大視場(chǎng)與大口徑難以兼得的瓶頸， 我們稱其為王(綬琯)—蘇(定強(qiáng))反射施密特望遠(yuǎn)鏡. LAMOST光學(xué)系統(tǒng)由反射施密特改正鏡(MA)、球面主鏡(MB)和焦面構(gòu)成. LAMOST主鏡口徑6.67 m×6.05 m， 反射施密特改正鏡口徑5.72 m×4.40 m， 等效通光口徑3.6-4.9 m (與望遠(yuǎn)鏡指向有關(guān)). MA由24塊對(duì)角徑1.1 m、厚度為25 mm的六角形平面子鏡拼接而成， MB由37塊對(duì)角徑1.1 m、厚度為75 mm的六角形球面子鏡拼接而成. 反射施密特改正鏡既有拼接鏡面的主動(dòng)光學(xué)技術(shù)， 又有控制單塊鏡面面形的薄鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)， 它將兩種主動(dòng)光學(xué)技術(shù)集于一身， 不僅用于校正望遠(yuǎn)鏡安裝誤差、加工誤差、重力變形和熱變形， 更主要的是通過(guò)主動(dòng)光學(xué)得到常規(guī)方法不能得到的實(shí)時(shí)變化光學(xué)系統(tǒng). LAMOST子鏡鏡面要求非常高， 支撐結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜. 單塊MA子鏡及子鏡室如圖2所示， 拼接后的MA如圖3所示. MB由波前傳感器、位移傳感器和位移促動(dòng)器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)維持其共球心， 保證主鏡的球面面型. 單塊MB子鏡及子鏡室如圖4所示， 拼接后的MB如圖5所示.

圖1 大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡Fig.1 Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope

圖2 MA子鏡及子鏡室Fig.2 Sub-mirror and sub-mirror cell of MA

圖3 拼接后的MAFig.3 Segmented MA

圖4 MB子鏡及子鏡室Fig.4 Sub-mirror and sub-mirror cell of MB

由于光學(xué)/紅外天文望遠(yuǎn)鏡要探測(cè)極其遙遠(yuǎn)、暗弱的天體， 需要有極高的集光/聚光能力(可分別細(xì)化體現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡有效接收口徑和鏡面反射率兩個(gè)性能指標(biāo)方面). 望遠(yuǎn)鏡口徑確定的前提下， 需要望遠(yuǎn)鏡鏡面保持極高的鏡面光學(xué)反射率， 但因?yàn)殚L(zhǎng)期裸露在野外臺(tái)站惡劣環(huán)境下， 極易受到塵埃、酸雨、鹽霧和露水等侵蝕， 使得鏡面反射率逐漸下降， 甚至嚴(yán)重到明顯影響觀測(cè)效率的地步. 因此為了保證望遠(yuǎn)鏡良好的觀測(cè)效率， 必須周期性地對(duì)鏡面脫膜并重新鍍膜. 由于鋁反射膜在可見光波段極佳的反射率分布特性， 在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡鏡面鍍膜中獲得了非常廣泛的應(yīng)用. 大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)鏡面精度的要求非常高， 再加上鏡面支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 鍍膜時(shí)子鏡的裝拆、搬運(yùn)及光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試非常不方便， 為了能夠方便安全鍍制出滿足光學(xué)性能要求的膜層[6-13]， 必須根據(jù)每架望遠(yuǎn)鏡鏡面的具體情況設(shè)計(jì)與之要求相匹配的鍍膜系統(tǒng). 因此， 常規(guī)望遠(yuǎn)鏡都配備1臺(tái)定制的鍍膜設(shè)備. 例如: 美國(guó)亞利桑那州惠普天文臺(tái)的MMT (Multiple-Mirror Telescope)望遠(yuǎn)鏡的6.5 m主鏡的專用鍍膜機(jī)和日本昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡(Subaru Telescope)的8.2 m主鏡的專用鍍膜機(jī)等， 這些為L(zhǎng)AMOST鍍膜提供了很好的可借鑒經(jīng)驗(yàn).

國(guó)內(nèi)也有較大口徑望遠(yuǎn)鏡的鏡面鍍膜經(jīng)驗(yàn)， 如云南天文臺(tái)麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡[14-15]、國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站2.16 m望遠(yuǎn)鏡和上海天文臺(tái)佘山觀測(cè)站1.56 m[16]. 但LAMOST望遠(yuǎn)鏡鏡面的鍍膜有其特殊性， 例如: 望遠(yuǎn)鏡拼接口徑大、子鏡數(shù)量多、鍍膜工期要求緊迫、膜層反射率要求高、裝卸工藝復(fù)雜、裝拆和鍍膜人員水平要求高等. 正是由于這些特殊性， 目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例可以借鑒. 因此發(fā)展LAMOST鍍膜設(shè)備并研究一套可行的鍍膜工藝，成為L(zhǎng)AMOST維護(hù)工作的重點(diǎn)之一.

2 LAMOST子鏡鍍膜研究

2.1 鍍膜設(shè)備研制

LAMOST的子鏡反射膜的研制主要由中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所承擔(dān)， 該反射膜系為鋁膜加SiO2保護(hù)膜組成， 其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求， 包括: (1)膜層反射率， 新鍍膜后鏡面平均反射率優(yōu)于90%， 分布均勻; (2)膜層壽命， 1 yr后鏡面平均反射率不低于88%; (3)膜層強(qiáng)度， 對(duì)同批次比較片膜層用膠帶粘、用干冰和水清洗后無(wú)損壞， 無(wú)明顯透光.

2009年底LAMOST鍍膜超凈車間建成， 2010年底兩臺(tái)鍍膜機(jī)及配套子鏡裝拆機(jī)械手通過(guò)驗(yàn)收，LAMOST從此開始了年度周期性鍍膜工作.

LAMOST子鏡多、拼接口徑大， 相對(duì)于鍍膜來(lái)說(shuō)子鏡的拆裝及膜層的光學(xué)性能很重要， 為了方便安全拆裝子鏡， LAMOST配備了拆裝子鏡的機(jī)械手. MA子鏡裝拆機(jī)械手如圖6所示， MB子鏡裝拆機(jī)械手如圖7所示.

圖7 MB子鏡裝拆機(jī)械手Fig.7 Sub-mirror cell manipulator of MB

LAMOST子鏡的鍍膜是由兩臺(tái)鍍膜機(jī)來(lái)完成， 1臺(tái)是ZZW-1400型MA子鏡專用鍍膜機(jī)、1臺(tái)是ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī). MA子鏡專用鍍膜機(jī)由南京天文光學(xué)技術(shù)研究所和北京北儀創(chuàng)新真空有限公司共同研制.

ZZW-1400型MA子鏡專用鍍膜機(jī)(如圖8)是專為MA子鏡和子鏡室總成狀態(tài)下鍍鋁膜設(shè)計(jì)加工的，MA子鏡的鍍膜與其他鍍膜有所不同， 為了減少拆卸和調(diào)試子鏡的時(shí)間， MA子鏡鍍膜時(shí)連帶子鏡室一起裝進(jìn)鍍膜機(jī)的真空室里.ZZW-1400型MA子鏡專用鍍膜機(jī)能1次鍍兩塊子鏡， 提高了鍍膜效率. 同時(shí)， 它還具有主副真空室， 可隔離污染源.鍍膜機(jī)真空工作室尺寸為1400 mm×2400 mm， 高真空腔極限壓力≤5×10-4Pa， 低真空腔極限壓力≤1×10-1Pa， 膜層均勻性≤±5%， 配有12組鎢絲蒸發(fā)源， 可以較均勻地將鋁熱蒸發(fā).

圖8 ZZW-1400型MA專用鍍膜機(jī)Fig.8 MA special coating machine ZZW-1400

ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)(如圖9)， 箱體尺寸:寬×深×高分別為1600 mm×1600 mm×1650 mm，極限壓力≤5×10-4Pa， 膜層均勻性≤±5%， 可用于單塊子鏡鍍膜， 優(yōu)點(diǎn)是采用單鍋和多鍋電子槍可實(shí)現(xiàn)單層及多層保護(hù)膜的蒸鍍.

圖9 ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)Fig.9 Box coating machine ZZSX-1600

2.2 子鏡鍍膜

子鏡鍍膜具體流程圖如圖10. LAMOST鍍膜工藝流程， 是在國(guó)內(nèi)外望遠(yuǎn)鏡鍍膜技術(shù)流程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的， 必然充分借鑒了相關(guān)領(lǐng)域的常見經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累， 在大致流程上基本一致， 當(dāng)然在實(shí)現(xiàn)和掌握的過(guò)程中， 進(jìn)行了多次的迭代、升級(jí)和完善， 包括鍍膜材料、鍍膜工藝參數(shù)、膜層鋁和保護(hù)膜SiO2厚度、真空度、脫膜材料和脫膜工藝等. 因而一套基于LAMOST子鏡的成熟可靠的鍍膜流程， 是目前LAMOST鍍膜發(fā)展的最新成果. 對(duì)比之前性能， 通過(guò)對(duì)鍍膜過(guò)程中全部可調(diào)參數(shù)(鋁膜厚度、保護(hù)膜厚度、膜層均勻性、脫膜材料、脫膜速度、溫度、濕度、真空度、針孔數(shù)等)的優(yōu)化迭代， 目前LAMOST鍍膜在脫膜速度和效率、鍍膜反射率、膜層強(qiáng)度、膜層壽命、反射率下降速度、保護(hù)膜的保護(hù)能力、鍍膜速度、消針孔等多個(gè)方面的性能都為目前最優(yōu)且工藝成熟. 除此之外， LAMOST還采用了特殊的酸堿脫膜方式、液體和氣體清潔鏡面方式、新型的塑料膜鏡面保護(hù)方式等.

圖10 鍍膜流程圖Fig.10 Flow chart of coating

LAMOST的鍍膜工藝的創(chuàng)新主要在于:

(1)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)不將鏡面取下， 采用在鏡面連著鏡室和支撐的情況下鍍膜的方法;

(2)鍍膜機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，真空室呈圓桶狀、水平放置， 具有主副真空室， 可隔離污染源;

(3)鍍膜機(jī)1次可以完成兩塊LAMOST子鏡鍍鋁， 并且兩鏡的鏡面相對(duì);

(4)國(guó)內(nèi)首次將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到MA及MB子鏡拆裝上， 即MA及MB子鏡的機(jī)械手裝置;

(5)國(guó)際首創(chuàng)將MB子鏡機(jī)械手用于子鏡安裝，將子鏡連同子鏡室一起從地面抓住送入約11 m高空的安裝位置且保持鏡面朝下.

下面將分別針對(duì)上述舊膜脫膜、子鏡進(jìn)出鍍膜機(jī)吊裝和子鏡真空鍍鋁及SiO2保護(hù)膜流程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹， 如圖11所示是脫膜后的子鏡. 子鏡脫膜是鍍膜的重要步驟， 脫膜質(zhì)量直接決定鍍膜的成功與否. 脫膜就是將鏡面原來(lái)的舊膜除掉， 還原鏡面的原始狀態(tài). 目前我們采用NaOH溶液溶解舊鋁膜的方法進(jìn)行脫膜. 首先將NaOH溶液均勻涂抹在鏡面的鋁膜上， 待鋁膜完全溶解后用水沖洗鏡面，用CaCO3粉末反復(fù)擦拭鏡面， 除掉殘余鋁膜和污垢等， 然后再用水將鏡面沖洗干凈， 最后用光學(xué)布蘸1:2的酒精乙醚混合液將鏡面徹底擦干凈.

圖11 MB子鏡脫膜Fig.11 Sub-mirror de-coating of MB

MA子鏡吊進(jìn)ZZW-1400型專用鍍膜機(jī)時(shí)，由于MA子鏡是連同子鏡室一起吊裝的， 吊裝過(guò)程比較復(fù)雜. 首先將脫膜后的子鏡連同鏡室裝上吊具， 用吊車將其慢慢吊起， 把鍍膜機(jī)真空室副室搖至水平位置， 將子鏡連同鏡室吊入鍍膜機(jī)真空室副室內(nèi)并將其固定好， 然后將真空室副室搖至豎直位置并與主真空室連接. 吊出過(guò)程與之相反.

子鏡吊進(jìn)ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)前， 首先用卡具將子鏡固定在工件盤上， 用吊車將子鏡吊到2個(gè)翻身支架上將其翻身使鏡面朝下， 然后將子鏡吊到鍍膜專用小車上并將子鏡推進(jìn)鍍膜機(jī)的真空室里. 吊出過(guò)程和吊入正好相反.

真空抽到10-4Pa時(shí)開始鍍鋁膜， 鍍鋁膜的關(guān)鍵步驟是蒸鍍時(shí)間的控制， 它對(duì)鋁膜的厚度起到?jīng)Q定性作用， 為了保證鍍后平均反射率大于90%， 鋁膜厚度一定要適中. 為了保證鏡面反射率同時(shí)又使鋁膜得到保護(hù)， 鋁膜外另鍍了SiO2保護(hù)膜. 圖12和圖13分別是鍍膜后的MA子鏡和MB子鏡.

圖12 鍍膜后MA子鏡Fig.12 Coated sub-mirror MA

圖13 鍍膜后MB子鏡Fig.13 Coated sub-mirror MB

3 鍍膜結(jié)果

2010年底開始對(duì)LAMOST子鏡進(jìn)行常規(guī)批量鍍膜， MA子鏡每年鍍膜1次， MB子鏡由于安裝在室內(nèi)， 灰塵少膜層保持時(shí)間較長(zhǎng)， 每?jī)赡赍兡?次，截止目前共鍍子鏡358塊次， 經(jīng)檢測(cè)新鍍膜后的鏡面平均反射率全部高達(dá)90%以上， 符合LAMOST鍍膜維護(hù)技術(shù)要求.

使用ZZW-1400型專用鍍膜機(jī)完成首批MA子鏡的鍍膜， 新鍍膜后子鏡反射率在360-740 nm波段反射率最高可達(dá)93%以上， 如圖14為常見銀、鋁、金反射膜的反射曲線以及2011年MA子鏡鍍膜后的在360-740 nm波段反射率.

圖14 圖(a): 常見銀、鋁、金反射膜的反射率曲線， 圖(b): 2011年MA子鏡(RU-N13)鍍膜后在360-740 nm波段反射率.Fig.14 Panel (a): theoretical reflectivity of silver， aluminum and gold coating， panel (b): reflectivity of MA sub-mirror(RU-N13) in 360-740 nm waveband after re-coating in 2011.

ZZW-1400型MA子鏡專用鍍膜機(jī)由于它的特殊性， 沒(méi)有鍍保護(hù)膜電極， 要使子鏡膜層牢固， 必須另加鍍保護(hù)膜. 為此我們需要把MA鏡片取下用ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)鍍二氧化硅保護(hù)膜， 鍍保護(hù)膜的優(yōu)點(diǎn)是膜層更牢固， 避免劃傷. 缺點(diǎn)是加鍍保護(hù)膜后會(huì)使鏡面反射率降低1%左右. 由于使用ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)， 鍍膜時(shí)要將子鏡室拆卸， 因此鍍后要花費(fèi)時(shí)間將子鏡安裝到鏡室上.

截止目前用ZZW-1400型MA子鏡專用鍍膜機(jī)和ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)共鍍MA子鏡209塊次，每塊子鏡鍍膜達(dá)10次， 每次新鍍膜后鏡面平均反射率高達(dá)90%以上， 單塊MA子鏡鍍膜前和鍍膜后的平均反射率(2011-2020年)如圖15所示， MA全部子鏡鍍膜前和鍍膜后平均反射率(例如2020年)如圖16所示.

圖15 2011—2020年MA單塊子鏡(RU-N23)鍍膜前和鍍膜后的平均反射率Fig.15 Average reflectivity of MA sub-mirror (RU-N23)before and after coating in 2011—2020

圖16 2020年MA子鏡鍍膜前和鍍膜后平均反射率Fig.16 Average reflectivity of MA sub-mirrors before and after coating in 2020

2013年開始MB子鏡的鍍膜， MB子鏡每?jī)赡赍兡?次， 目前共鍍MB子鏡149塊次， 每塊子鏡鍍膜平均達(dá)4次， 每次新鍍膜后鏡面平均反射率高達(dá)90%以上， 單塊MB子鏡鍍膜前和鍍膜后的平均反射率(2013-2019年)如圖17所示， MB全部子鏡鍍膜前和鍍膜后平均反射率(例如2019年)如圖18所示.

圖17 2013—2019年MB單塊子鏡(N09)鍍膜前和鍍膜后的平均反射率Fig.17 Average reflectivity of MB sub-mirror (N09) before and after re-coating in 2013—2019

圖18 2019年MB子鏡鍍膜前和鍍膜后平均反射率Fig.18 Average reflectivity of MB sub-mirrors before and after re-coating in 2019

4 結(jié)論

通過(guò)近10 yr的LAMOST鍍膜維護(hù)， 我們分別使用ZZW-1400型MA子鏡專用鍍膜機(jī)和ZZSX-1600型箱式鍍膜機(jī)成功完成LAMOST的MA及MB子鏡鍍膜工藝流程的研究， 掌握了一套針對(duì)LAMOST子鏡行之有效的鍍膜工藝流程， 保質(zhì)保量地完成了每年子鏡鍍膜的維護(hù)工作， 新鍍后平均反射率均高達(dá)90%. 該數(shù)值接近鋁膜理論設(shè)計(jì)最大值， 保證了望遠(yuǎn)鏡極高的鏡面反射率， 為L(zhǎng)AMOST高效率的科學(xué)巡天奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，MA、MB子鏡全部完成鍍膜后， LAMOST觀測(cè)效率較鍍前有明顯提高， 如下圖19給出了LAMOST逐年觀測(cè)的通光效率， 其中上子圖為光譜儀獲得藍(lán)區(qū)波段光譜信息， 下子圖為光譜儀獲得的紅區(qū)波段光譜信息， 與LAMOST暑期鍍膜維護(hù)的反射率測(cè)量結(jié)果基本相符， 驗(yàn)證了LAMOST鍍膜工藝的有效性.總之， 經(jīng)過(guò)多年的LAMOST鍍膜研究和實(shí)際鍍膜工作， 我們成功地開發(fā)了一套基于LAMOST子鏡的卓有成效的鍍膜流程， 培養(yǎng)了一支專業(yè)的望遠(yuǎn)鏡鍍膜團(tuán)隊(duì)， 為L(zhǎng)AMOST高性能的光譜巡天觀測(cè)起到了重要的作用， 也為后續(xù)建設(shè)運(yùn)行更大口徑的光學(xué)紅外天文望遠(yuǎn)鏡儲(chǔ)備了豐富的鍍膜技術(shù)和經(jīng)驗(yàn).

圖19 LAMOST第4臺(tái)光譜儀(sp04)的逐年觀測(cè)通光效率(上圖藍(lán)區(qū)、下圖紅區(qū))， 其中PS表示先導(dǎo)巡天， RSI 1-5表示1期巡天， RSII 1-5表示2期巡天， 對(duì)應(yīng)巡天計(jì)劃下方的數(shù)值分別代表通光效率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差.Fig.19 Annual observation throughput of LAMOST’s spectrograph 04 (sp04) (upper panel shows blue waveband and lower panel shows red waveband)， here PS is pilot survey， RSI 1-5 is regular survey I， and RSII 1-5 is regular survey II. The numerical values below the pilot survey and regular survey are mean and standard deviations of throughput.

致謝 LAMOST望遠(yuǎn)鏡是由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)資助， 由中國(guó)科學(xué)院承建的國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目. LAMOST望遠(yuǎn)鏡由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)負(fù)責(zé)運(yùn)行和管理. 在鍍膜期間， 我們得到中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心及中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所領(lǐng)導(dǎo)和同事們的大量的關(guān)心、指導(dǎo)與幫助， 特此一并感謝!