制作：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)的研制”11月11日順利通過(guò)驗(yàn)收，并制造出世界上面積最大的中階梯光柵，面積為400mm 500mm。該成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，標(biāo)志著中國(guó)大面積高精度光柵制造中的相關(guān)技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，結(jié)束了中國(guó)在大面積高精度光柵制造領(lǐng)域受制于人的局面。
立足當(dāng)下，精密元件立奇功
光柵是一種具有納米精度周期性微結(jié)構(gòu)的精密光學(xué)元件，一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，最早的光柵是1821年由德國(guó)科學(xué)家J. Fraunhofer用細(xì)金屬絲密排地繞在兩平行細(xì)螺絲上制成的，因形如柵欄，故名為“光柵”。光柵除了在各類光中擔(dān)當(dāng)“芯片”角色外，還在天文學(xué)、激光器、光通訊、信息存儲(chǔ)、新能源等諸多領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。
不同的色彩從光柵表面出射
雖然在生活中很難直接看到光柵的身影，但它遍及農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用等各行各業(yè)，實(shí)實(shí)在在影響著人們的生活。通過(guò)分析不同物質(zhì)的光譜，人們可以探查出農(nóng)藥殘留、鋼材質(zhì)量、爆炸物特性等許多重要信息，“它既能看天，也能看地、看人”。
太陽(yáng)、田野、沙漠、海洋
火紅的太陽(yáng)、綠色的田野、黃色的沙漠、藍(lán)色的海洋……，這是我們?nèi)庋勰軌蜃R(shí)別的物體色彩。以常見的“彩虹七色”紅橙黃綠青藍(lán)紫舉例，“一個(gè)最有經(jīng)驗(yàn)的油漆工最多可以辨別出1000多種色彩的微妙變化。一縷光可以被分解出多少種色彩？當(dāng)今技術(shù)所能達(dá)到的最高理論值是：四億兩千種，這正是中階梯光柵的“拿手好戲”，是人眼的幾十萬(wàn)倍。
在光譜科學(xué)家看來(lái)，世間萬(wàn)物都發(fā)射著不同的光波，從微觀的角度看，不同元素、不同分子結(jié)構(gòu)都可以讓一個(gè)物體擁有不同的特征波長(zhǎng)。因此，物質(zhì)的光譜信息就像人的指紋一樣，是分析其物質(zhì)成分的“身份密碼”。
夜以繼日，優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)展蒼穹
光柵面積大，可獲得高集光效率和分辨本領(lǐng)；光柵精度高，可獲得更好的信噪比。但是，同時(shí)將光柵“做大”和“做精”屬于世界性難題。隨著科技不斷發(fā)展，大面積高精度中階梯光柵已經(jīng)成為制約我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的短板，盡快研制此類光柵也是各光柵強(qiáng)國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。中國(guó)光柵刻劃?rùn)C(jī)的發(fā)展，由于資金投入不夠以及后繼無(wú)人等原因，曾停止長(zhǎng)達(dá)16年，科學(xué)儀器所需要的高精度光柵全部依賴進(jìn)口，由于美國(guó)對(duì)中國(guó)禁止出口戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域所需要的大面積高精度光柵，使我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的縱深發(fā)展陷入了受制于人的窘境。
要研制一臺(tái)刻劃面積為世界之最、技術(shù)水平達(dá)國(guó)際領(lǐng)先的大型高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)何其之難，因?yàn)閱卧考募庸ぞ雀?、整機(jī)裝調(diào)精度高，運(yùn)行保障環(huán)境要求高，幾乎所有關(guān)鍵部件都沖擊了世界極限水平，光柵刻劃?rùn)C(jī)也因此被譽(yù)為“精密機(jī)械之王”。
由中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制的大型高精度光柵刻劃?rùn)C(jī)
工欲善其事，必先利其器。在電子顯微鏡下放大十萬(wàn)倍去觀察中階梯光柵，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的截面是由一個(gè)個(gè)形狀一致、間距相等的階梯狀直角三角形組成，表面就如同平鋪的樓梯。
中階梯光柵刻槽
正是這種特殊的階梯結(jié)構(gòu)，讓中階梯光柵有了超高的光譜分辨能力。而一刀一刀刻劃出如此繁復(fù)、精確結(jié)構(gòu)的，是一臺(tái)幾乎所有關(guān)鍵部件都沖擊世界極限水平的母機(jī)——“大型高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)”。
刻劃光柵使用的金剛石刀在約二十公里的行程范圍內(nèi)，要保證刻槽間距誤差小于頭發(fā)絲粗細(xì)的一千分之一，背后是上千個(gè)元件、部件“妙到毫巔”的配合。
該項(xiàng)目于2009年啟動(dòng)，項(xiàng)目瞄準(zhǔn)光柵刻劃技術(shù)的世界領(lǐng)先水平，由于其指標(biāo)要求高，關(guān)鍵技術(shù)難，學(xué)科交叉多，任務(wù)工作量大，使得項(xiàng)目推進(jìn)遇到了前所未有的困難，重點(diǎn)要解決的難題就是刻劃系統(tǒng)“三大件”——絲杠、蝸輪、導(dǎo)軌。由于現(xiàn)有機(jī)床技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到精度要求，長(zhǎng)春光機(jī)所的研究團(tuán)隊(duì)采用了不可思議的傳統(tǒng)“手磨加工”。中國(guó)第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)研制的參與人之一，80歲高齡的技術(shù)專家張?zhí)┯H自上陣，一群由博士、碩士組成的科研團(tuán)隊(duì)不分晝夜地研磨、加工和檢測(cè)，用近一年時(shí)間加工出絲杠，又用了六個(gè)月加工出蝸輪、八個(gè)月加工出導(dǎo)軌。
用手打磨出的光柵刻劃?rùn)C(jī)絲杠
全體研究人員在科技攻關(guān)期間，秉承“咬定青山不放松，面對(duì)險(xiǎn)阻不妥協(xié)”的科學(xué)態(tài)度，承受重壓，追求極致，夜以繼日，攻堅(jiān)克難，歷時(shí)八年時(shí)間，攻克18項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，取得9項(xiàng)創(chuàng)新性成果，研制出一套大型高精度光柵刻劃系統(tǒng)，并成功研制出面積達(dá)400mm 500mm的世界上面積最大的中階梯光柵，我國(guó)幾代“光柵人”終于圓夢(mèng)成真?？缭绞兰o(jì)的幾代“光柵人”身上承載的不僅是光柵制造技術(shù)的希望，更是體現(xiàn)了無(wú)數(shù)長(zhǎng)光人“獻(xiàn)身科技、創(chuàng)新為國(guó)”的精神氣概和“國(guó)之利器長(zhǎng)光造”的堅(jiān)定信心！
著眼未來(lái)，待我光柵去逐雄
高精度、大尺寸光柵的刻制成功意味著什么？一方面，它代表中國(guó)的精密機(jī)械加工技術(shù)達(dá)到世界水平；另一方面，高精度光柵會(huì)被使用在大型光學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程探測(cè)與識(shí)別、高分辨率對(duì)地觀測(cè)、導(dǎo)彈預(yù)警等領(lǐng)域，這些最終都會(huì)造福民眾。有趣的是，這雙感知色彩的最強(qiáng)“眼睛”或許還將幫助人類尋找到地外文明的“蛛絲馬跡”，捕捉到某個(gè)星球上有類似地球的元素，甚至生命跡象。
大型高精度光柵刻劃系統(tǒng)以及大面積中階梯光柵的研制成功，不僅打破了中國(guó)大型光學(xué)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程探測(cè)與識(shí)別等大科學(xué)裝置以及國(guó)家戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域所需要的大面積高精度光柵受制于人的局面，而且能促進(jìn)中國(guó)光譜儀器行業(yè)擺脫“有器無(wú)心”局面，幫助中國(guó)光譜儀器產(chǎn)業(yè)改變低端化現(xiàn)狀、提升拓展國(guó)際市場(chǎng)的能力。
作者：
李文昊，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光柵技術(shù)研究中心研究員，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員
于海利，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光柵技術(shù)研究中心副研究員