LAMOST子镜镀膜研究进展*

李凤云 韩智洁 刘明旭 淳于波 徐亚军 陈余 李双虎 闫秋浩包铁威 郭王伟 李义成 李新南 王晋峰 田杰 乔撩云陈亮 吕金虎 陈超 刘承 张勇 侯永辉 王跃飞葛群 左恒 姜方华 李烨平 陆启帅 胡守伟 王佑李爱华 倪季君 张超 倪小康 许静 李浩 李晓飞张昊彤 白仲瑞 胡天柱 王丹 崔向群 赵永恒 李国平

(1 中国科学院国家天文台 北京 100012)

(2 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所 南京 210042)

(3 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京 210042)

1 引言

具有我国自主知识产权的国家重大科技基础设施-大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜[1-5](Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope， LAMOST， 又名郭守敬望远镜)安放在燕山主峰南麓的中国科学院国家天文台兴隆观测站， 如图1. LAMOST首先在国际上创造性地应用主动光学技术， 在观测过程中实现镜面曲面形状高精度连续变化， 从而突破了传统光学望远镜大视场与大口径难以兼得的瓶颈， 我们称其为王(绶琯)—苏(定强)反射施密特望远镜. LAMOST光学系统由反射施密特改正镜(MA)、球面主镜(MB)和焦面构成. LAMOST主镜口径6.67 m×6.05 m， 反射施密特改正镜口径5.72 m×4.40 m， 等效通光口径3.6-4.9 m (与望远镜指向有关). MA由24块对角径1.1 m、厚度为25 mm的六角形平面子镜拼接而成， MB由37块对角径1.1 m、厚度为75 mm的六角形球面子镜拼接而成. 反射施密特改正镜既有拼接镜面的主动光学技术， 又有控制单块镜面面形的薄镜面主动光学技术， 它将两种主动光学技术集于一身， 不仅用于校正望远镜安装误差、加工误差、重力变形和热变形， 更主要的是通过主动光学得到常规方法不能得到的实时变化光学系统. LAMOST子镜镜面要求非常高， 支撑结构非常复杂. 单块MA子镜及子镜室如图2所示， 拼接后的MA如图3所示. MB由波前传感器、位移传感器和位移促动器构成的闭环控制系统维持其共球心， 保证主镜的球面面型. 单块MB子镜及子镜室如图4所示， 拼接后的MB如图5所示.

图1 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜Fig.1 Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope

图2 MA子镜及子镜室Fig.2 Sub-mirror and sub-mirror cell of MA

图3 拼接后的MAFig.3 Segmented MA

图4 MB子镜及子镜室Fig.4 Sub-mirror and sub-mirror cell of MB

由于光学/红外天文望远镜要探测极其遥远、暗弱的天体， 需要有极高的集光/聚光能力(可分别细化体现在望远镜有效接收口径和镜面反射率两个性能指标方面). 望远镜口径确定的前提下， 需要望远镜镜面保持极高的镜面光学反射率， 但因为长期裸露在野外台站恶劣环境下， 极易受到尘埃、酸雨、盐雾和露水等侵蚀， 使得镜面反射率逐渐下降， 甚至严重到明显影响观测效率的地步. 因此为了保证望远镜良好的观测效率， 必须周期性地对镜面脱膜并重新镀膜. 由于铝反射膜在可见光波段极佳的反射率分布特性， 在光学望远镜镜面镀膜中获得了非常广泛的应用. 大口径的天文望远镜对镜面精度的要求非常高， 再加上镜面支撑结构复杂， 镀膜时子镜的装拆、搬运及光学系统调试非常不方便， 为了能够方便安全镀制出满足光学性能要求的膜层[6-13]， 必须根据每架望远镜镜面的具体情况设计与之要求相匹配的镀膜系统. 因此， 常规望远镜都配备1台定制的镀膜设备. 例如: 美国亚利桑那州惠普天文台的MMT (Multiple-Mirror Telescope)望远镜的6.5 m主镜的专用镀膜机和日本昴星团望远镜(Subaru Telescope)的8.2 m主镜的专用镀膜机等， 这些为LAMOST镀膜提供了很好的可借鉴经验.

国内也有较大口径望远镜的镜面镀膜经验， 如云南天文台丽江2.4 m望远镜[14-15]、国家天文台兴隆观测站2.16 m望远镜和上海天文台佘山观测站1.56 m[16]. 但LAMOST望远镜镜面的镀膜有其特殊性， 例如: 望远镜拼接口径大、子镜数量多、镀膜工期要求紧迫、膜层反射率要求高、装卸工艺复杂、装拆和镀膜人员水平要求高等. 正是由于这些特殊性， 目前国内没有先例可以借鉴. 因此发展LAMOST镀膜设备并研究一套可行的镀膜工艺，成为LAMOST维护工作的重点之一.

2 LAMOST子镜镀膜研究

2.1 镀膜设备研制

LAMOST的子镜反射膜的研制主要由中国科学院南京天文光学技术研究所承担， 该反射膜系为铝膜加SiO2保护膜组成， 其各项指标均能满足设计要求， 包括: (1)膜层反射率， 新镀膜后镜面平均反射率优于90%， 分布均匀; (2)膜层寿命， 1 yr后镜面平均反射率不低于88%; (3)膜层强度， 对同批次比较片膜层用胶带粘、用干冰和水清洗后无损坏， 无明显透光.

2009年底LAMOST镀膜超净车间建成， 2010年底两台镀膜机及配套子镜装拆机械手通过验收，LAMOST从此开始了年度周期性镀膜工作.

LAMOST子镜多、拼接口径大， 相对于镀膜来说子镜的拆装及膜层的光学性能很重要， 为了方便安全拆装子镜， LAMOST配备了拆装子镜的机械手. MA子镜装拆机械手如图6所示， MB子镜装拆机械手如图7所示.

图7 MB子镜装拆机械手Fig.7 Sub-mirror cell manipulator of MB

LAMOST子镜的镀膜是由两台镀膜机来完成， 1台是ZZW-1400型MA子镜专用镀膜机、1台是ZZSX-1600型箱式镀膜机. MA子镜专用镀膜机由南京天文光学技术研究所和北京北仪创新真空有限公司共同研制.

ZZW-1400型MA子镜专用镀膜机(如图8)是专为MA子镜和子镜室总成状态下镀铝膜设计加工的，MA子镜的镀膜与其他镀膜有所不同， 为了减少拆卸和调试子镜的时间， MA子镜镀膜时连带子镜室一起装进镀膜机的真空室里.ZZW-1400型MA子镜专用镀膜机能1次镀两块子镜， 提高了镀膜效率. 同时， 它还具有主副真空室， 可隔离污染源.镀膜机真空工作室尺寸为1400 mm×2400 mm， 高真空腔极限压力≤5×10-4Pa， 低真空腔极限压力≤1×10-1Pa， 膜层均匀性≤±5%， 配有12组钨丝蒸发源， 可以较均匀地将铝热蒸发.

图8 ZZW-1400型MA专用镀膜机Fig.8 MA special coating machine ZZW-1400

ZZSX-1600型箱式镀膜机(如图9)， 箱体尺寸:宽×深×高分别为1600 mm×1600 mm×1650 mm，极限压力≤5×10-4Pa， 膜层均匀性≤±5%， 可用于单块子镜镀膜， 优点是采用单锅和多锅电子枪可实现单层及多层保护膜的蒸镀.

图9 ZZSX-1600型箱式镀膜机Fig.9 Box coating machine ZZSX-1600

2.2 子镜镀膜

子镜镀膜具体流程图如图10. LAMOST镀膜工艺流程， 是在国内外望远镜镀膜技术流程的基础上发展起来的， 必然充分借鉴了相关领域的常见经验和技术积累， 在大致流程上基本一致， 当然在实现和掌握的过程中， 进行了多次的迭代、升级和完善， 包括镀膜材料、镀膜工艺参数、膜层铝和保护膜SiO2厚度、真空度、脱膜材料和脱膜工艺等. 因而一套基于LAMOST子镜的成熟可靠的镀膜流程， 是目前LAMOST镀膜发展的最新成果. 对比之前性能， 通过对镀膜过程中全部可调参数(铝膜厚度、保护膜厚度、膜层均匀性、脱膜材料、脱膜速度、温度、湿度、真空度、针孔数等)的优化迭代， 目前LAMOST镀膜在脱膜速度和效率、镀膜反射率、膜层强度、膜层寿命、反射率下降速度、保护膜的保护能力、镀膜速度、消针孔等多个方面的性能都为目前最优且工艺成熟. 除此之外， LAMOST还采用了特殊的酸碱脱膜方式、液体和气体清洁镜面方式、新型的塑料膜镜面保护方式等.

图10 镀膜流程图Fig.10 Flow chart of coating

LAMOST的镀膜工艺的创新主要在于:

(1)国内首创不将镜面取下， 采用在镜面连着镜室和支撑的情况下镀膜的方法;

(2)镀膜机采用卧式结构，真空室呈圆桶状、水平放置， 具有主副真空室， 可隔离污染源;

(3)镀膜机1次可以完成两块LAMOST子镜镀铝， 并且两镜的镜面相对;

(4)国内首次将机器人技术应用到MA及MB子镜拆装上， 即MA及MB子镜的机械手装置;

(5)国际首创将MB子镜机械手用于子镜安装，将子镜连同子镜室一起从地面抓住送入约11 m高空的安装位置且保持镜面朝下.

下面将分别针对上述旧膜脱膜、子镜进出镀膜机吊装和子镜真空镀铝及SiO2保护膜流程进行简单介绍， 如图11所示是脱膜后的子镜. 子镜脱膜是镀膜的重要步骤， 脱膜质量直接决定镀膜的成功与否. 脱膜就是将镜面原来的旧膜除掉， 还原镜面的原始状态. 目前我们采用NaOH溶液溶解旧铝膜的方法进行脱膜. 首先将NaOH溶液均匀涂抹在镜面的铝膜上， 待铝膜完全溶解后用水冲洗镜面，用CaCO3粉末反复擦拭镜面， 除掉残余铝膜和污垢等， 然后再用水将镜面冲洗干净， 最后用光学布蘸1:2的酒精乙醚混合液将镜面彻底擦干净.

图11 MB子镜脱膜Fig.11 Sub-mirror de-coating of MB

MA子镜吊进ZZW-1400型专用镀膜机时，由于MA子镜是连同子镜室一起吊装的， 吊装过程比较复杂. 首先将脱膜后的子镜连同镜室装上吊具， 用吊车将其慢慢吊起， 把镀膜机真空室副室摇至水平位置， 将子镜连同镜室吊入镀膜机真空室副室内并将其固定好， 然后将真空室副室摇至竖直位置并与主真空室连接. 吊出过程与之相反.

子镜吊进ZZSX-1600型箱式镀膜机前， 首先用卡具将子镜固定在工件盘上， 用吊车将子镜吊到2个翻身支架上将其翻身使镜面朝下， 然后将子镜吊到镀膜专用小车上并将子镜推进镀膜机的真空室里. 吊出过程和吊入正好相反.

真空抽到10-4Pa时开始镀铝膜， 镀铝膜的关键步骤是蒸镀时间的控制， 它对铝膜的厚度起到决定性作用， 为了保证镀后平均反射率大于90%， 铝膜厚度一定要适中. 为了保证镜面反射率同时又使铝膜得到保护， 铝膜外另镀了SiO2保护膜. 图12和图13分别是镀膜后的MA子镜和MB子镜.

图12 镀膜后MA子镜Fig.12 Coated sub-mirror MA

图13 镀膜后MB子镜Fig.13 Coated sub-mirror MB

3 镀膜结果

2010年底开始对LAMOST子镜进行常规批量镀膜， MA子镜每年镀膜1次， MB子镜由于安装在室内， 灰尘少膜层保持时间较长， 每两年镀膜1次，截止目前共镀子镜358块次， 经检测新镀膜后的镜面平均反射率全部高达90%以上， 符合LAMOST镀膜维护技术要求.

使用ZZW-1400型专用镀膜机完成首批MA子镜的镀膜， 新镀膜后子镜反射率在360-740 nm波段反射率最高可达93%以上， 如图14为常见银、铝、金反射膜的反射曲线以及2011年MA子镜镀膜后的在360-740 nm波段反射率.

图14 图(a): 常见银、铝、金反射膜的反射率曲线， 图(b): 2011年MA子镜(RU-N13)镀膜后在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子镜专用镀膜机由于它的特殊性， 没有镀保护膜电极， 要使子镜膜层牢固， 必须另加镀保护膜. 为此我们需要把MA镜片取下用ZZSX-1600型箱式镀膜机镀二氧化硅保护膜， 镀保护膜的优点是膜层更牢固， 避免划伤. 缺点是加镀保护膜后会使镜面反射率降低1%左右. 由于使用ZZSX-1600型箱式镀膜机， 镀膜时要将子镜室拆卸， 因此镀后要花费时间将子镜安装到镜室上.

截止目前用ZZW-1400型MA子镜专用镀膜机和ZZSX-1600型箱式镀膜机共镀MA子镜209块次，每块子镜镀膜达10次， 每次新镀膜后镜面平均反射率高达90%以上， 单块MA子镜镀膜前和镀膜后的平均反射率(2011-2020年)如图15所示， MA全部子镜镀膜前和镀膜后平均反射率(例如2020年)如图16所示.

图15 2011—2020年MA单块子镜(RU-N23)镀膜前和镀膜后的平均反射率Fig.15 Average reflectivity of MA sub-mirror (RU-N23)before and after coating in 2011—2020

图16 2020年MA子镜镀膜前和镀膜后平均反射率Fig.16 Average reflectivity of MA sub-mirrors before and after coating in 2020

2013年开始MB子镜的镀膜， MB子镜每两年镀膜1次， 目前共镀MB子镜149块次， 每块子镜镀膜平均达4次， 每次新镀膜后镜面平均反射率高达90%以上， 单块MB子镜镀膜前和镀膜后的平均反射率(2013-2019年)如图17所示， MB全部子镜镀膜前和镀膜后平均反射率(例如2019年)如图18所示.

图17 2013—2019年MB单块子镜(N09)镀膜前和镀膜后的平均反射率Fig.17 Average reflectivity of MB sub-mirror (N09) before and after re-coating in 2013—2019

图18 2019年MB子镜镀膜前和镀膜后平均反射率Fig.18 Average reflectivity of MB sub-mirrors before and after re-coating in 2019

4 结论

通过近10 yr的LAMOST镀膜维护， 我们分别使用ZZW-1400型MA子镜专用镀膜机和ZZSX-1600型箱式镀膜机成功完成LAMOST的MA及MB子镜镀膜工艺流程的研究， 掌握了一套针对LAMOST子镜行之有效的镀膜工艺流程， 保质保量地完成了每年子镜镀膜的维护工作， 新镀后平均反射率均高达90%. 该数值接近铝膜理论设计最大值， 保证了望远镜极高的镜面反射率， 为LAMOST高效率的科学巡天奠定了坚实的基础. 检测数据表明，MA、MB子镜全部完成镀膜后， LAMOST观测效率较镀前有明显提高， 如下图19给出了LAMOST逐年观测的通光效率， 其中上子图为光谱仪获得蓝区波段光谱信息， 下子图为光谱仪获得的红区波段光谱信息， 与LAMOST暑期镀膜维护的反射率测量结果基本相符， 验证了LAMOST镀膜工艺的有效性.总之， 经过多年的LAMOST镀膜研究和实际镀膜工作， 我们成功地开发了一套基于LAMOST子镜的卓有成效的镀膜流程， 培养了一支专业的望远镜镀膜团队， 为LAMOST高性能的光谱巡天观测起到了重要的作用， 也为后续建设运行更大口径的光学红外天文望远镜储备了丰富的镀膜技术和经验.

图19 LAMOST第4台光谱仪(sp04)的逐年观测通光效率(上图蓝区、下图红区)， 其中PS表示先导巡天， RSI 1-5表示1期巡天， RSII 1-5表示2期巡天， 对应巡天计划下方的数值分别代表通光效率的均值和标准差.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.

致谢 LAMOST望远镜是由国家发展和改革委员会资助， 由中国科学院承建的国家重大科学工程项目. LAMOST望远镜由中国科学院国家天文台负责运行和管理. 在镀膜期间， 我们得到中国科学院国家天文台LAMOST运行和发展中心及中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所领导和同事们的大量的关心、指导与帮助， 特此一并感谢!