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这副“眼镜”不仅能感知色彩,还为搜寻地外文明的“蛛丝马迹”提供条件

发布时间:2016-11-30 20:03浏览次数:100Tags:中国科普博览

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所承担的国家重大科研装备研制项目“大型高精度衍射光栅刻划系统的研制”11月11日顺利通过验收,并制造出世界上面积最大的中阶梯光栅,面积为400mm×500mm。该成果填补了国内空白,标志着中国大面积高精度光栅制造中的相关技术已达到国际领先水平,结束了中国在大面积高精度光栅制造领域受制于人的局面。

立足当下,精密元件立奇功

光栅是一种具有纳米精度周期性微结构的精密光学元件,一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,最早的光栅是1821年由德国科学家J. Fraunhofer用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的,因形如栅栏,故名为“光栅”。光栅除了在各类光中担当“芯片”角色外,还在天文学、激光器、光通讯、信息存储、新能源等诸多领域中具有重要应用。

▲不同的色彩从光栅表面出射

虽然在生活中很难直接看到光栅的身影,但它遍及农轻重、海陆空、吃穿用等各行各业,实实在在影响着人们的生活。通过分析不同物质的光谱,人们可以探查出农药残留、钢材质量、爆炸物特性等许多重要信息,“它既能看天,也能看地、看人”。

▲太阳、田野、沙漠、海洋

火红的太阳、绿色的田野、黄色的沙漠、蓝色的海洋……,这是我们肉眼能够识别的物体色彩。以常见的“彩虹七色”红橙黄绿青蓝紫举例,“一个最有经验的油漆工最多可以辨别出1000多种色彩的微妙变化。一缕光可以被分解出多少种色彩?当今技术所能达到的最高理论值是:四亿两千种,这正是中阶梯光栅的“拿手好戏”,是人眼的几十万倍。

在光谱科学家看来,世间万物都发射着不同的光波,从微观的角度看,不同元素、不同分子结构都可以让一个物体拥有不同的特征波长。因此,物质的光谱信息就像人的指纹一样,是分析其物质成分的“身份密码”。

夜以继日,优秀团队展苍穹

光栅面积大,可获得高集光效率和分辨本领;光栅精度高,可获得更好的信噪比。但是,同时将光栅“做大”和“做精”属于世界性难题。随着科技不断发展,大面积高精度中阶梯光栅已经成为制约我国相关领域技术发展的短板,尽快研制此类光栅也是各光栅强国之间竞争的焦点。中国光栅刻划机的发展,由于资金投入不够以及后继无人等原因,曾停止长达16年,科学仪器所需要的高精度光栅全部依赖进口,由于美国对中国禁止出口战略高技术领域所需要的大面积高精度光栅,使我国相关领域的纵深发展陷入了受制于人的窘境。

要研制一台刻划面积为世界之最、技术水平达国际领先的大型高精度衍射光栅刻划机何其之,因为单元部件的加工精度高、整机装调精度高,运行保障环境要求高,几乎所有关键部件都冲击了世界极限水平,光栅刻划机也因此被誉为“精密机械之王”。

▲由中科院长春光机所研制的大型高精度光栅刻划机

工欲善其事,必先利其器。在电子显微镜下放大十万倍去观察中阶梯光栅,会发现它的截面是由一个个形状一致、间距相等的阶梯状直角三角形组成,表面就如同平铺的楼梯。

▲中阶梯光栅刻槽

正是这种特殊的阶梯结构,让中阶梯光栅有了超高的光谱分辨能力。而一刀一刀刻划出如此繁复、精确结构的,是一台几乎所有关键部件都冲击世界极限水平的母机——“大型高精度衍射光栅刻划机”

刻划光栅使用的金刚石刀在约二十公里的行程范围内,要保证刻槽间距误差小于头发丝粗细的一千分之一,背后是上千个元件、部件“妙到毫巅”的配合。

该项目于2009年启动,项目瞄准光栅刻划技术的世界领先水平,由于其指标要求高,关键技术难,学科交叉多,任务工作量大,使得项目推进遇到了前所未有的困难,重点要解决的难题就是刻划系统“三大件”——丝杠、蜗轮、导轨。由于现有机床技术远远达不到精度要求,长春光机所的研究团队采用了不可思议的传统“手磨加工”。中国第一台光栅刻划机研制的参与人之一,80岁高龄的技术专家张泰亲自上阵,一群由博士、硕士组成的科研团队不分昼夜地研磨、加工和检测,用近一年时间加工出丝杠,又用了六个月加工出蜗轮、八个月加工出导轨。

▲用手打磨出的光栅刻划机丝杠

全体研究人员在科技攻关期间,秉承“咬定青山不放松,面对险阻不妥协”的科学态度,承受重压,追求极致,夜以继日,攻坚克难,历时八年时间,攻克18项关键技术,取得9项创新性成果,研制出一套大型高精度光栅刻划系统,并成功研制出面积达400mm×500mm世界上面积最大的中阶梯光栅,我国几代“光栅人”终于圆梦成真。跨越世纪的几代“光栅人”身上承载的不仅是光栅制造技术的希望,更是体现了无数长光人“献身科技、创新为国”的精神气概和“国之利器长光造”的坚定信心!

着眼未来,待我光栅去逐雄

高精度、大尺寸光栅的刻制成功意味着什么?一方面,它代表中国的精密机械加工技术达到世界水平另一方面,高精度光栅会被使用在大型光学系统、远程探测与识别、高分辨率对地观测、导弹预警等领域,这些最终都会造福民众。有趣的是,这双感知色彩的最强“眼睛”或许还将帮助人类寻找到地外文明的“蛛丝马迹”,捕捉到某个星球上有类似地球的元素,甚至生命迹象。

大型高精度光栅刻划系统以及大面积中阶梯光栅的研制成功,不仅打破了中国大型光学系统、远程探测与识别等大科学装置以及国家战略高技术领域所需要的大面积高精度光栅受制于人的局面,而且能促进中国光谱仪器行业摆脱“有器无心”局面,帮助中国光谱仪器产业改变低端化现状、提升拓展国际市场的能力。

作者介绍

李文昊,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅技术研究中心研究员,中国科学院青年创新促进会会员

于海利,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅技术研究中心副研究员

出品:科普中国

制作:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

李文昊 于海利

监制:中国科学院计算机网络信息中心


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本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。

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