中國刻制出感知色彩的最強「眼睛」

知識 11-12

新華社長春11月12日電（記者屈婷　孟含琪　董瑞豐）一縷光可以分解出多少種色彩？當今技術所能達到的最高理論值是：四億兩千種。這正是中國日前成功刻制出的一種精密光學元件——中階梯光柵的「拿手好戲」。

中國科學家將通過這雙感知色彩的最強「眼睛」，更精確地破解各種物質的「身份密碼」，並在天文觀測、激光通信、高能激光器、信息存儲、新能源等領域發揮巨大作用。

在中國科學院長春光學精密機械和物理研究所（簡稱「長春光機所」）的一間實驗室里，這一世界上面積最大、精度最高的中階梯光柵，就像一塊銀灰色、不透明的「玻璃窗」，平平無奇。但是，當數以百萬計的色彩從它的身體里折射出來時，它宛若宇宙的「魔方」。

中國刻制出感知色彩的最強「眼睛」

由長春光機所刻制出的高精度中階梯光柵，它是當前世界上已知精度最高、面積最大的光柵。長春光機所供圖

（小標題）解析物質的「身份密碼」

光柵，顧名思義，就是光的柵欄。其實，世間萬物本無「顏色」，我們感知到的色彩，只是光在物體上被吸收、反射後，再折射到我們的眼睛裡，在人腦中根據生活經驗產生了視覺效應。

繽紛的花朵、綠色的田野、黃色的沙礫……在光譜科學家看來，世間萬物都發射著不同的光波。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徵波長。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」。

「光柵越強，我們能分析出的物質成分就越多，就能更深入地探究世界的奧妙。」項目負責人唐玉國說，一般來說，光柵面積越大，集光率和分辨本領就越高；光柵的精度越高，信噪比就越低。但是，同時將光柵「做大」和「做精」則屬於世界性難題。

長春光機所成功制刻出的中階梯光柵面積為400毫米×500毫米，比當前世界上可知最先進的、應用在美國夏威夷凱克天文望遠鏡上的光柵，更大、更精密。它在1毫米的範圍內有6000個刻槽，精度達到了驚人的10納米。

這樣一塊中階梯光柵有多強？唐玉國以常見的「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，而中階梯光柵在理論上能夠分辨出約四億兩千種，是人眼的幾十萬倍。」

中國刻制出感知色彩的最強「眼睛」

由長春光機所研製的大型高精度光柵刻劃機。該成果填補了國內空白。長春光機所供圖

（小標題）用手磨出的「精密機械之王」

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，會發現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。

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。而一刀一刀刻划出如此繁複、精確結構的，是一台幾乎所有關鍵部件都衝擊世界極限水平的母機——「大型高精度衍射光柵刻劃機」。

有多極限？長春光機所光柵技術研究中心主任巴音賀希格說，刻槽用的金剛石刀在約20公里的行程範圍內，要保證刻槽間距誤差小於頭髮絲粗細的一千分之一，背後是上千個元件、部件「妙到毫巔」的配合。

由於部件加工裝調、運行保障的精度要求極高，光柵刻劃機也被譽為「精密機械之王」。在2009年啟動之初，首要的研製難題就是刻劃系統「三大件」——絲杠、蝸輪、導軌。由於現有機床技術遠遠達不到精度要求，長春光機所的研究團隊採用了不可思議的傳統「手磨加工」。

中國第一台光柵刻劃機研製的參與人之一，80歲高齡的專家張泰親自上陣，帶領一群由博士、碩士組成的科研團隊不分晝夜地研磨、加工和監測，用近1年加工出絲杠，又用了六個月加工出蝸輪、八個月加工出導軌。

「有一次，我們去外面交流。一握手，別人都說，你們的手不像科學家，倒像工人。」巴音賀希格笑著回憶道。

中國刻制出感知色彩的最強「眼睛」

這是用手打磨出的光柵刻劃機絲杠。長春光機所供圖

（小標題）未來或助力尋找地外文明

「人類藉助光認識物質世界有兩種方式：一種是光學成像，它能夠使我們獲得物質的外貌特徵；另一種就是光譜分析，它能夠使我們獲得物質的構成信息。」巴音賀希格說。

在日常生活中，人們好像很少看到光柵，但光柵就在身邊。比如，人們去醫院抽血檢驗，原理就是用電子顯微鏡里的光柵，觀察血液里的成分是否符合健康標準。

唐玉國說，光柵廣泛應用在「農輕重、海陸空、吃穿用」等各領域。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」。

高精度、大尺寸光柵的刻製成功，對於普遍人的生活來說，意味著什麼？巴音賀希格認為，它的作用不能簡單地以「現在能做什麼」來衡量。

他說：「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、遠程探測與識別、高解析度對地觀測、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」。

「未來美國、中國的光學望遠鏡都可能裝備上中國製造的高精度中階梯光柵，」南京天文儀器研究所研究員朱永田透露，科學家將通過它，「捕捉」到某個星球上有類似地球的元素，甚至生命跡象。

您可能感興趣