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(zhǎng)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?rùn)C(jī)”達(dá)到的刻劃精度。
走進(jìn)長(zhǎng)春光機(jī)所實(shí)驗(yàn)室，項(xiàng)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(tái)“精密機(jī)械之王”的，正是長(zhǎng)春光機(jī)所光柵刻劃?rùn)C(jī)老中青三代研制項(xiàng)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(shí)世界？項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、長(zhǎng)春光機(jī)所研究員唐玉國(guó)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(shí)它的作用無處不在?！叭藗?nèi)メt(yī)院抽血檢驗(yàn)，原理就是依靠光譜儀器里的光柵，來實(shí)現(xiàn)觀察血液里的成分是否符合健康標(biāo)準(zhǔn)?！表?xiàng)目組成員、長(zhǎng)春光機(jī)所研究員巴音賀希格說，“簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)，是核心和 大腦 。”
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(guó)表示，光柵的價(jià)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(cè)中，通過光譜測(cè)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(zhǎng)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(qiáng)，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(zhǎng)春光機(jī)所啟動(dòng)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(shí)“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(guó)大面積光柵制造技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。這一塊光柵有多強(qiáng)？唐玉國(guó)說，最有經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)利器。
光柵刻劃?rùn)C(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(shí)驗(yàn)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(xiàng)目組成員、長(zhǎng)春光機(jī)所研究員齊向東參與了光柵刻劃?rùn)C(jī)的設(shè)計(jì)、研制、調(diào)試等全過程，并長(zhǎng)期在一線擔(dān)任指揮。他說，這臺(tái)儀器對(duì)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(duì)環(huán)境的苛刻要求源自光柵刻劃?rùn)C(jī)自身的高精度。它由上千個(gè)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(yùn)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(xiàng)目啟動(dòng)之時(shí)，國(guó)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(yù)為刻劃?rùn)C(jī)的“心臟”，其精度水平直接影響整機(jī)性能。國(guó)內(nèi)不能造，國(guó)外買不到，已經(jīng)退休的80歲高齡老專家張?zhí)┓灯富厮?，并親自上陣，帶領(lǐng)青年團(tuán)隊(duì)不分晝夜加工和檢測(cè)。歷時(shí)近1年時(shí)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(zhǎng)的三角螺紋絲杠。
用同樣的方法，項(xiàng)目組費(fèi)時(shí)6個(gè)月加工出蝸輪，8個(gè)月加工出V形導(dǎo)軌。這些具有亞微米、納米量級(jí)的關(guān)鍵器件，都是科研人員用雙手研磨出來的。此外，項(xiàng)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(shí)驗(yàn)、研磨、調(diào)整，方才達(dá)到了光柵刻劃?rùn)C(jī)的要求?！坝幸淮?，項(xiàng)目組去外面交流。一握手，對(duì)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(xiàng)之初，研制計(jì)劃時(shí)間是三年半，但由于整個(gè)過程比預(yù)料困難太多，前后花費(fèi)了近8年，成為“嚴(yán)重耽擱的項(xiàng)目”?！把兄破陂g，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(gè)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(shí)候甚至要推翻之前花了很長(zhǎng)時(shí)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(yàn)收時(shí)，又覺得一切都很值得。”
這項(xiàng)成果使我國(guó)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(guó)際上掌握光柵研制技術(shù)的國(guó)家很少，大面積高精度光柵是科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。在此之前，只有美國(guó)能夠制作300毫米以上中階梯光柵。
大面積、高精度光柵刻劃?rùn)C(jī)的成功研制，使我國(guó)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(guó)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(tái)機(jī)器，離不開長(zhǎng)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(duì)人才的付出，都不可能完成這項(xiàng)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(zhǎng)春光機(jī)所自主研制出了我國(guó)第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)和第一塊光柵。項(xiàng)目期間，我國(guó)第一代光柵刻劃?rùn)C(jī)的領(lǐng)軍人、機(jī)械刻劃光柵創(chuàng)始人梁浩明回到長(zhǎng)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(duì)手工研磨絲杠等精密零部件的張?zhí)┫壬?，也是我?guó)第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(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(jì)。
目前，我國(guó)第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)依然沒有“退休”。半個(gè)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?rùn)C(jī)的研制工作。沒有專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)計(jì)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(zhǎng)春光機(jī)所計(jì)劃研制高精度大面積光柵刻劃?rùn)C(jī)，由于資金等種種限制，項(xiàng)目擱淺，我國(guó)遺憾地錯(cuò)失了追趕光柵制造強(qiáng)國(guó)的機(jī)會(huì)，制造大光柵也成為我國(guó)光柵人的夢(mèng)想。
“我們有信心，也有信念能夠完成項(xiàng)目。長(zhǎng)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?rùn)C(jī)，我們有條件也有責(zé)任把新一代刻劃?rùn)C(jī)做好。”齊向東說。
八年磨一劍，項(xiàng)目組研制的這套大型高精度光柵刻劃系統(tǒng)，攻克18項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，取得9項(xiàng)創(chuàng)新性成果。
讓唐玉國(guó)欣喜的是，經(jīng)過光柵刻劃?rùn)C(jī)項(xiàng)目歷練，一批青年人才成長(zhǎng)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?rùn)C(jī)的重點(diǎn)，未來項(xiàng)目組還將從“精穩(wěn)快新”四個(gè)方面對(duì)它進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和技術(shù)升級(jí)、提升性能，使其在滿足國(guó)家重大科研對(duì)大光柵需求的同時(shí)，始終保持國(guó)際領(lǐng)先。
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