光柵是分析萬物光譜信息的“芯片”，應(yīng)用遍及海陸空、吃穿用
光柵是分析萬物光譜信息的“芯片”，應(yīng)用遍及海陸空、吃穿用
在1毫米距離里劃出6000道刻槽，且槽型均勻，這意味著在20公里的刻距內(nèi)，刻槽間距誤差小于一根頭發(fā)絲的千分之一。這正是不久前，中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的“大型高精度衍射光柵刻劃機(jī)”達(dá)到的刻劃精度。
走進(jìn)長春光機(jī)所實驗室，項目組科技人員向記者介紹了一塊銀灰色、近似不透明“玻璃窗”的光柵，它是這套“精密機(jī)械之王”的杰作，也是目前世界上面積最大的高精度中階梯光柵。打造這臺“精密機(jī)械之王”的，正是長春光機(jī)所光柵刻劃機(jī)老中青三代研制項目組。
光柵是分析萬物光譜信息的“芯片”，應(yīng)用遍及海陸空、吃穿用
人類如何通過光認(rèn)識世界？項目負(fù)責(zé)人、長春光機(jī)所研究員唐玉國說，人類借助光認(rèn)知世界有兩種方式：一是光學(xué)成像，二是光譜分析。光學(xué)成像可以看到物質(zhì)世界的形狀、尺寸等外在信息；地球上所知的元素及其它們的化合物都有自己的特征光譜線，光譜分析可以獲得物質(zhì)成分信息，幫助我們看清事物的本質(zhì)。
但要“抓”住光譜信息并不容易。日常生活中的光，是由紅、橙、黃、綠等各種單色光組成的復(fù)色光，而單色光才能更好地記錄下物質(zhì)的光譜信息。光柵是一種非常精密的光學(xué)元件，它的神奇在于，它能從復(fù)色光中解析、提取出單色光。
日常生活中，人們很少看到光柵，但其實它的作用無處不在?！叭藗?nèi)メt(yī)院抽血檢驗，原理就是依靠光譜儀器里的光柵，來實現(xiàn)觀察血液里的成分是否符合健康標(biāo)準(zhǔn)。”項目組成員、長春光機(jī)所研究員巴音賀希格說，“簡單地說，光譜分析需要光譜儀器，光柵之于光譜分析的作用，就如芯片之于計算機(jī)，是核心和 大腦 ?！?br>
與血液檢查原理類似，分析不同物質(zhì)的光譜，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。唐玉國表示，光柵的價值不限于光譜儀，其應(yīng)用“遍及農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用等各行各業(yè)。既能看天，也能看地、看人”。在天文觀測中，通過光譜測量得到天體的組成及其與地球的距離，從而揭示宇宙誕生及演化規(guī)律；在光通信領(lǐng)域，光柵的分光作用使得不同波長的光能夠攜帶信息順著光纖飛入千家萬戶……
通常，光柵性能越強，能分析出的物質(zhì)成分就更精細(xì)。光柵面積越大，集光率和分辨本領(lǐng)就越高；光柵的精度越高，信噪比就越高。2009年，中科院長春光機(jī)所啟動光柵刻劃系統(tǒng)研制工作，一開始就瞄準(zhǔn)世界領(lǐng)先水平，攻克光柵同時“做大”和“做精”的難題。
“精密機(jī)械之王”成功刻劃出了400毫米?
500毫米的大面積中階梯光柵，標(biāo)志著我國大面積光柵制造技術(shù)已達(dá)到國際領(lǐng)先。這一塊光柵有多強？唐玉國說，最有經(jīng)驗的油漆工能辨別出1000多種色彩的微妙變化，而光柵理論上能夠分辨出超過4億種，可謂世界上感知色彩的最強利器。
光柵刻劃機(jī)是制作光柵的母機(jī)，“做大”“做精”光柵是世界性難題
以防塵服武裝，再經(jīng)風(fēng)淋室除塵，記者才得以獲準(zhǔn)進(jìn)入實驗室。這里有一套精密的環(huán)境保障系統(tǒng)，要求在30天內(nèi)溫差控制在 0.01 之內(nèi)。
項目組成員、長春光機(jī)所研究員齊向東參與了光柵刻劃機(jī)的設(shè)計、研制、調(diào)試等全過程，并長期在一線擔(dān)任指揮。他說，這臺儀器對環(huán)境要求極為嚴(yán)苛，氣溫、氣壓、空氣成分等哪怕極其微小的變化，在納米的尺度下，也可能帶來巨大的刻劃誤差。
對環(huán)境的苛刻要求源自光柵刻劃機(jī)自身的高精度。它由上千個元件、部件精妙配合而成，幾乎所有關(guān)鍵部件沖擊世界極限水平。加工裝調(diào)精度難、運行保障環(huán)境要求之高，前所未有。
絲杠、蝸輪、導(dǎo)軌是刻劃系統(tǒng)“三大件”，項目啟動之時，國內(nèi)現(xiàn)有機(jī)床技術(shù)根本達(dá)不到精度要求，研究組不得不采取土辦法——手磨加工。
絲杠被譽為刻劃機(jī)的“心臟”，其精度水平直接影響整機(jī)性能。國內(nèi)不能造，國外買不到，已經(jīng)退休的80歲高齡老專家張?zhí)┓灯富厮⒂H自上陣，帶領(lǐng)青年團(tuán)隊不分晝夜加工和檢測。歷時近1年時間，終于研磨出這根絲杠。這也是目前世界上精度最高、行程最長的三角螺紋絲杠。
用同樣的方法，項目組費時6個月加工出蝸輪，8個月加工出V形導(dǎo)軌。這些具有亞微米、納米量級的關(guān)鍵器件，都是科研人員用雙手研磨出來的。此外，項目組成員為了攻克金剛石刻劃刀、光柵鍍膜等技術(shù)難題，也屢屢實驗、研磨、調(diào)整，方才達(dá)到了光柵刻劃機(jī)的要求?！坝幸淮?，項目組去外面交流。一握手，對方都說，你們的手不像科學(xué)家，倒像工人?！卑鸵糍R希格回憶。
立項之初，研制計劃時間是三年半，但由于整個過程比預(yù)料困難太多，前后花費了近8年，成為“嚴(yán)重耽擱的項目”。“研制期間，我們承受著巨大的壓力，往往 按下葫蘆又起了瓢 ，好不容易攻克一個困難，新的問題又立馬出現(xiàn)。”齊向東說，科研人員不停地尋找問題產(chǎn)生的根本原因，有時候甚至要推翻之前花了很長時間建立起來的假設(shè)，否定自己重新開始?！斑@8年中，我曾多次感到絕望，以為進(jìn)行不下去了。大光柵通過驗收時，又覺得一切都很值得?！?br>
這項成果使我國在光柵領(lǐng)域不再受制于人，并將精密機(jī)械加工技術(shù)推向世界前沿
國際上掌握光柵研制技術(shù)的國家很少，大面積高精度光柵是科技強國競爭的焦點。在此之前，只有美國能夠制作300毫米以上中階梯光柵。
大面積、高精度光柵刻劃機(jī)的成功研制，使我國戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域所需的光柵不再受制于人，還將我國精密機(jī)械加工技術(shù)推向了世界前沿。
“我們這一代科研人員做出這臺機(jī)器，離不開長春光機(jī)所幾代人的努力。我們只是屬于摘桃子的人，沒有前輩的積累，沒有青年梯隊人才的付出，都不可能完成這項艱巨任務(wù)，是老中青三代人的結(jié)晶?！饼R向東感慨。
1959年，長春光機(jī)所自主研制出了我國第一臺光柵刻劃機(jī)和第一塊光柵。項目期間，我國第一代光柵刻劃機(jī)的領(lǐng)軍人、機(jī)械刻劃光柵創(chuàng)始人梁浩明回到長春光機(jī)所，在重要問題上給出了指導(dǎo)意見；帶領(lǐng)團(tuán)隊手工研磨絲杠等精密零部件的張?zhí)┫壬?，也是我國第一臺光柵刻劃機(jī)研制的參與者；已經(jīng)退休的郝德阜研究員參與了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
目前，我國第一臺光柵刻劃機(jī)依然沒有“退休”。半個多世紀(jì)前，僅僅借助少量公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，梁浩明等人開始了光柵刻劃機(jī)的研制工作。沒有專門設(shè)計的計算機(jī)軟件，設(shè)計人員就靠手工繪制來畫圖；沒有數(shù)控機(jī)床，科研人員就靠雙手打磨加工零部件，精度甚至比當(dāng)今數(shù)控機(jī)床加工還要高。
上世紀(jì)80年代，長春光機(jī)所計劃研制高精度大面積光柵刻劃機(jī)，由于資金等種種限制，項目擱淺，我國遺憾地錯失了追趕光柵制造強國的機(jī)會，制造大光柵也成為我國光柵人的夢想。
“我們有信心，也有信念能夠完成項目。長春光機(jī)所具有數(shù)十年的技術(shù)積累，此外，現(xiàn)代精密儀器加工技藝水平更高，技術(shù)條件更好。老一輩在物質(zhì)匱乏年代都能夠制造出精度非凡的光柵刻劃機(jī)，我們有條件也有責(zé)任把新一代刻劃機(jī)做好。”齊向東說。
八年磨一劍，項目組研制的這套大型高精度光柵刻劃系統(tǒng)，攻克18項關(guān)鍵技術(shù)，取得9項創(chuàng)新性成果。
讓唐玉國欣喜的是，經(jīng)過光柵刻劃機(jī)項目歷練，一批青年人才成長起來了，關(guān)鍵技術(shù)得到有效傳承。他還說，研制成功并不是刻劃機(jī)的重點，未來項目組還將從“精穩(wěn)快新”四個方面對它進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和技術(shù)升級、提升性能，使其在滿足國家重大科研對大光柵需求的同時，始終保持國際領(lǐng)先。
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