X射線光學元件制造屬于極端制造范疇，其動輒成百上千片的批量、米級的尺度、微米級的厚度、納米級的制造精度和亞納米級的表面粗糙度對現有的光學加工技術提出了巨大的挑戰，制造難度極大。常規的光學制造工藝已經無法滿足要求。

未來X射線聚焦光學系統作為核心載荷將應用在X射線天文觀測、X射線脈沖星導航、X射線空間通訊等具有重要戰略意義的空間科學和航天工程等領域。

目前面向空間應用的X射線聚焦光學系統的制造技術完全被歐美的相關國家壟斷。我國在此領域起步較晚，缺乏相關基礎研究，表面綜合性能評價標準和檢測手段，自主研發的制造裝備及工藝尚需優化，聚焦鏡的總體制造水平與國外已有型號相比存在較大差距。因此，X射線光學系統的制造技術是我們急需突破的技術瓶頸。

鑒于此，哈爾濱工業大學王波教授團隊在《光學 精密工程》發表題為“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。

王波教授團隊開展X射線聚焦鏡制造關鍵技術研究，補齊基礎研究短板，完善加工、檢測平臺，優化工藝，突破我國在X射線光學元件制造領域面臨的技術瓶頸，使得我國X射線聚焦鏡的總體制造水平達到國際先進水平，個別指標達到國際領先水平。

1、建成了700m²的國內唯一一條短波光學元件潔凈生產線；

2、自主研制成功了20余臺/套加工設備，實現了模具制造、鍍膜、電鑄、復制、檢測、裝調設備的自主可控；

3、采用創新工藝方案，實現了聚焦鏡光學元件的高效、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″，滿足型號指標要求。

4、已完成EP衛星X射線聚焦鏡力學驗證件、結構熱控件和飛行驗證件的制造，滿足型號技術要求；

本篇封面文章圍繞X射線聚焦鏡的超精密制造技術。針對電鑄復制法，在化學鍍鎳磷合金、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行了創新性的工藝探索和裝備研發。提出自主可控的高效超精密制造方法，制造出滿足指標的高精度模具和聚焦鏡，突破技術壁壘，打破國外壟斷。

本期讓我們一起走進王波教授團隊，了解封面文章背后的故事，一窺中國科研人的實力與決心。
訪 談

本期記者：臧春秀（《光學 精密工程》 科學編輯）

受訪嘉賓：王波（哈爾濱工業大學，教授）

01. 文中提到了幾種主要的掠入射聚焦鏡制造技術，您能分別介紹一下這幾種技術的優劣勢，以及您和您的團隊為什么最終選擇了電鑄復制法么？

王波: 目前國內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制法。其中，電鑄復制法技術被看作是一種大規模制造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制高精度模具的表面狀態，然后脫模形成完整的內反射面。該方法的優勢在于高精度的聚焦鏡模具可以循環復用，可大量復制聚焦鏡，制造效率高。同時，電鑄復制方法可以直接制造全口徑回轉的聚焦鏡片，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發射和規劃的多顆大型X射線衛星，均采用電鑄復制的工藝方法進行大批量制造高精度聚焦鏡。

02. 創新性體現在哪？與國外/常規工藝的差異，優劣勢？

王波: 哈爾濱工業大學在國內率先開展了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線。自主研發了X射線聚焦鏡制造設備近20臺/套(包括超精密切削、拋光、鍍膜、化學鍍、電鑄、脫模、裝調)，具備全頻段表面形貌檢測和光學性能評測手段，完成了X射線聚焦鏡復制工藝路線的全流程驗證。其中，主要創新性有以下幾點：

利用自主研制的大尺寸超精密輥筒加工機床及在機檢測系統，可以實現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間，哈工大團隊聚焦鏡模具的制造效率較NASA和ESA采用的常規光學加工工藝提高近10倍；鍍膜采用自主設計研制的全自動化設備，膜層均勻性誤差小于10 nm，通過創新的鍍膜工藝實現界面結合力的調控；化學鍍、電鑄的裝置和工藝均為自主研制，對過程溫度及應力可進行實時監測和調控；脫模過程采用自主創新研發的脫模裝置，工藝穩定可靠，脫模效率高，同時可保護模具以利于重復使用；裝調系統是利用光學原理搭建的鏡組快速裝配系統，均為自主創新研發。

03. 解決了（目前國內）X 射線聚焦鏡超精密制造過程中的哪些關鍵問題。

王波: 解決了化學鍍鎳磷合金、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等一系類關鍵問題。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制；

完成了X射線聚焦鏡全頻段誤差檢測及表征技術研究；

提出了面向多能級X射線掠入射的鍍膜工藝及界面結合力調控方法；

進行了X射線聚焦鏡電鑄鎳應力調控機制及脫模關鍵技術研究。

04. 采用您課題組技術制備的聚焦鏡精度在國際上可以達到什么樣的水平。

王波: 以自主創新的超精密切削和超光滑拋光工藝為核心，實現了X射線聚焦鏡鏡片的高精度批量鎳基復制，模具精度達到亞微米級，表面粗糙度達到了亞納米級，鏡片角分辨率優于30″，達到國際先進水平，打破了NASA和ESA在該領域的技術壟斷。目前完成了EP衛星聚焦鏡結構件、熱控件、鑒定件和eXTP天文臺背景型號研制任務，關鍵技術指標達到了歐洲eROSITA衛星同等水平。實現了X射線聚焦望遠鏡系統的國產化替代，可以為X射線天文學、脈沖星導航等提供技術支撐。

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

王波: 我們接下來將進一步提高模具制造精度和生產效率，同時優化鍍膜膜層的均勻性，使膜層材料與基體的結合力的調控精度進一步提高。薄壁光學鏡片在裝配過程中的變形控制是另一個難點，保證鏡片亞微米級的變形量是非常困難的事情，同時對環境條件的要求極為苛刻。整個鏡片和芯軸模具的加工檢測過程中的環境控制是本項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