制作：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)的研制”11月11日順利通過驗收，并制造出世界上面積最大的中階梯光柵，面積為400mm 500mm。該成果填補了國內空白，標志著中國大面積高精度光柵制造中的相關技術已達到國際領先水平，結束了中國在大面積高精度光柵制造領域受制于人的局面。
立足當下，精密元件立奇功
光柵是一種具有納米精度周期性微結構的精密光學元件，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年由德國科學家J. Fraunhofer用細金屬絲密排地繞在兩平行細螺絲上制成的，因形如柵欄，故名為“光柵”。光柵除了在各類光中擔當“芯片”角色外，還在天文學、激光器、光通訊、信息存儲、新能源等諸多領域中具有重要應用。
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，但它遍及農輕重、海陸空、吃穿用等各行各業(yè)，實實在在影響著人們的生活。通過分析不同物質的光譜，人們可以探查出農藥殘留、鋼材質量、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、田野、沙漠、海洋
火紅的太陽、綠色的田野、黃色的沙漠、藍色的海洋……，這是我們肉眼能夠識別的物體色彩。以常見的“彩虹七色”紅橙黃綠青藍紫舉例，“一個最有經驗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？當今技術所能達到的最高理論值是：四億兩千種，這正是中階梯光柵的“拿手好戲”，是人眼的幾十萬倍。
在光譜科學家看來，世間萬物都發(fā)射著不同的光波，從微觀的角度看，不同元素、不同分子結構都可以讓一個物體擁有不同的特征波長。因此，物質的光譜信息就像人的指紋一樣，是分析其物質成分的“身份密碼”。
夜以繼日，優(yōu)秀團隊展蒼穹
光柵面積大，可獲得高集光效率和分辨本領；光柵精度高，可獲得更好的信噪比。但是，同時將光柵“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成為制約我國相關領域技術發(fā)展的短板，盡快研制此類光柵也是各光柵強國之間競爭的焦點。中國光柵刻劃機的發(fā)展，由于資金投入不夠以及后繼無人等原因，曾停止長達16年，科學儀器所需要的高精度光柵全部依賴進口，由于美國對中國禁止出口戰(zhàn)略高技術領域所需要的大面積高精度光柵，使我國相關領域的縱深發(fā)展陷入了受制于人的窘境。
要研制一臺刻劃面積為世界之最、技術水平達國際領先的大型高精度衍射光柵刻劃機何其之難，因為單元部件的加工精度高、整機裝調精度高，運行保障環(huán)境要求高，幾乎所有關鍵部件都沖擊了世界極限水平，光柵刻劃機也因此被譽為“精密機械之王”。
由中科院長春光機所研制的大型高精度光柵刻劃機
工欲善其事，必先利其器。在電子顯微鏡下放大十萬倍去觀察中階梯光柵，會發(fā)現(xiàn)它的截面是由一個個形狀一致、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構，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、精確結構的，是一臺幾乎所有關鍵部件都沖擊世界極限水平的母機——“大型高精度衍射光柵刻劃機”。
刻劃光柵使用的金剛石刀在約二十公里的行程范圍內，要保證刻槽間距誤差小于頭發(fā)絲粗細的一千分之一，背后是上千個元件、部件“妙到毫巔”的配合。
該項目于2009年啟動，項目瞄準光柵刻劃技術的世界領先水平，由于其指標要求高，關鍵技術難，學科交叉多，任務工作量大，使得項目推進遇到了前所未有的困難，重點要解決的難題就是刻劃系統(tǒng)“三大件”——絲杠、蝸輪、導軌。由于現(xiàn)有機床技術遠遠達不到精度要求，長春光機所的研究團隊采用了不可思議的傳統(tǒng)“手磨加工”。中國第一臺光柵刻劃機研制的參與人之一，80歲高齡的技術專家張?zhí)┯H自上陣，一群由博士、碩士組成的科研團隊不分晝夜地研磨、加工和檢測，用近一年時間加工出絲杠，又用了六個月加工出蝸輪、八個月加工出導軌。
用手打磨出的光柵刻劃機絲杠
全體研究人員在科技攻關期間，秉承“咬定青山不放松，面對險阻不妥協(xié)”的科學態(tài)度，承受重壓，追求極致，夜以繼日，攻堅克難，歷時八年時間，攻克18項關鍵技術，取得9項創(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400mm 500mm的世界上面積最大的中階梯光柵，我國幾代“光柵人”終于圓夢成真?？缭绞兰o的幾代“光柵人”身上承載的不僅是光柵制造技術的希望，更是體現(xiàn)了無數(shù)長光人“獻身科技、創(chuàng)新為國”的精神氣概和“國之利器長光造”的堅定信心！
著眼未來，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，它代表中國的精密機械加工技術達到世界水平；另一方面，高精度光柵會被使用在大型光學系統(tǒng)、遠程探測與識別、高分辨率對地觀測、導彈預警等領域，這些最終都會造福民眾。有趣的是，這雙感知色彩的最強“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，不僅打破了中國大型光學系統(tǒng)、遠程探測與識別等大科學裝置以及國家戰(zhàn)略高技術領域所需要的大面積高精度光柵受制于人的局面，而且能促進中國光譜儀器行業(yè)擺脫“有器無心”局面，幫助中國光譜儀器產業(yè)改變低端化現(xiàn)狀、提升拓展國際市場的能力。
作者：
李文昊，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光柵技術研究中心研究員，中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員
于海利，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所光柵技術研究中心副研究員