萬物光譜信息的「晶元」？把光譜看得更通透？

科研人員在為光柵檢測做準備工作。

羅 浩攝（資料圖片）

在1毫米距離里划出6000道刻槽，且槽型均勻，這意味著在20公里的刻距內，刻槽間距誤差小於一根頭髮絲的千分之一。這正是不久前，中科院長春光學精密機械與物理研究所研製的「大型高精度衍射光柵刻劃機」達到的刻劃精度。

走進長春光機所實驗室，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「精密機械之王」的傑作，也是目前世界上面積最大的高精度中階梯光柵。打造這台「精密機械之王」的，正是長春光機所光柵刻劃機老中青三代研製項目組。

光柵是分析萬物光譜信息的「晶元」，應用遍及海陸空、吃穿用

人類如何通過光認識世界？項目負責人、長春光機所研究員唐玉國說，人類藉助光認知世界有兩種方式：一是光學成像，二是光譜分析。光學成像可以看到物質世界的形狀、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徵光譜線，光譜分析可以獲得物質成分信息，幫助我們看清事物的本質。

但要「抓」住光譜信息並不容易。日常生活中的光，是由紅、橙、黃、綠等各種單色光組成的複色光，而單色光才能更好地記錄下物質的光譜信息。光柵是一種非常精密的光學元件，它的神奇在於，它能從複色光中解析、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。「人們去醫院抽血檢驗，原理就是依靠光譜儀器里的光柵，來實現觀察血液里的成分是否符合健康標準。」項目組成員、長春光機所研究員巴音賀希格說，「簡單地說，光譜分析需要光譜儀器，光柵之於光譜分析的作用，就如晶元之於計算機，是核心和『大腦』。」

與血液檢查原理類似，分析不同物質的光譜，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。唐玉國表示，光柵的價值不限於光譜儀，其應用「遍及農輕重、海陸空、吃穿用等各行各業。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律；在光通信領域，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，能分析出的物質成分就更精細。光柵面積越大，集光率和分辨本領就越高；光柵的精度越高，信噪比就越高。2009年，中科院長春光機所啟動光柵刻劃系統研製工作，一開始就瞄準世界領先水平，攻克光柵同時「做大」和「做精」的難題。

「精密機械之王」成功刻划出了400毫米×500毫米的大面積中階梯光柵，標誌著我國大面積光柵製造技術已達到國際領先。這一塊光柵有多強？唐玉國說，最有經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。

光柵刻劃機是製作光柵的母機，「做大」「做精」光柵是世界性難題

以防塵服武裝，再經風淋室除塵，記者才得以獲准進入實驗室。這裡有一套精密的環境保障系統，要求在30天內溫差控制在±0.01℃之內。

項目組成員、長春光機所研究員齊向東參與了光柵刻劃機的設計、研製、調試等全過程，並長期在一線擔任指揮。他說，這台儀器對環境要求極為嚴苛，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。

對環境的苛刻要求源自光柵刻劃機自身的高精度。它由上千個元件、部件精妙配合而成，幾乎所有關鍵部件衝擊世界極限水平。加工裝調精度難、運行保障環境要求之高，前所未有。

絲杠、蝸輪、導軌是刻劃系統「三大件」，項目啟動之時，國內現有機床技術根本達不到精度要求，研究組不得不採取土辦法——手磨加工。

絲杠被譽為刻劃機的「心臟」，其精度水平直接影響整機性能。國內不能造，國外買不到，已經退休的80歲高齡老專家張泰返聘回所，並親自上陣，帶領青年團隊不分晝夜加工和檢測。歷時近1年時間，終於研磨出這根絲杠。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形導軌。這些具有亞微米、納米量級的關鍵器件，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、光柵鍍膜等技術難題，也屢屢實驗、研磨、調整，方才達到了光柵刻劃機的要求。「有一次，項目組去外面交流。一握手，對方都說，你們的手不像科學家，倒像工人。」巴音賀希格回憶。

立項之初，研製計劃時間是三年半，但由於整個過程比預料困難太多，前後花費了近8年，成為「嚴重耽擱的項目」。「研製期間，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。」齊向東說，科研人員不停地尋找問題產生的根本原因，有時候甚至要推翻之前花了很長時間建立起來的假設，否定自己重新開始。「這8年中，我曾多次感到絕望，以為進行不下去了。大光柵通過驗收時，又覺得一切都很值得。」

這項成果使我國在光柵領域不再受制於人，並將精密機械加工技術推向世界前沿

國際上掌握光柵研製技術的國家很少，大面積高精度光柵是科技強國競爭的焦點。在此之前，只有美國能夠製作300毫米以上中階梯光柵。

大面積、高精度光柵刻劃機的成功研製，使我國戰略高技術領域所需的光柵不再受制於人，還將我國精密機械加工技術推向了世界前沿。

「我們這一代科研人員做出這台機器，離不開長春光機所幾代人的努力。我們只是屬於摘桃子的人，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，是老中青三代人的結晶。」齊向東感慨。

1959年，長春光機所自主研製出了我國第一台光柵刻劃機和第一塊光柵。項目期間，我國第一代光柵刻劃機的領軍人、機械刻劃光柵創始人梁浩明回到長春光機所，在重要問題上給出了指導意見；帶領團隊手工研磨絲杠等精密零部件的張泰先生，也是我國第一台光柵刻劃機研製的參與者；已經退休的郝德阜研究員參與了系統的總體結構設計。

目前，我國第一台光柵刻劃機依然沒有「退休」。半個多世紀前，僅僅藉助少量公開發表的相關文獻，梁浩明等人開始了光柵刻劃機的研製工作。沒有專門設計的計算機軟體，設計人員就靠手工繪製來畫圖；沒有數控機床，科研人員就靠雙手打磨加工零部件，精度甚至比當今數控機床加工還要高。

上世紀80年代，長春光機所計劃研製高精度大面積光柵刻劃機，由於資金等種種限制，項目擱淺，我國遺憾地錯失了追趕光柵製造強國的機會，製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。長春光機所具有數十年的技術積累，此外，現代精密儀器加工技藝水平更高，技術條件更好。老一輩在物質匱乏年代都能夠製造出精度非凡的光柵刻劃機，我們有條件也有責任把新一代刻劃機做好。」齊向東說。

八年磨一劍，項目組研製的這套大型高精度光柵刻劃系統，攻克18項關鍵技術，取得9項創新性成果。

讓唐玉國欣喜的是，經過光柵刻劃機項目歷練，一批青年人才成長起來了，關鍵技術得到有效傳承。他還說，研製成功並不是刻劃機的重點，未來項目組還將從「精穩快新」四個方面對它進行持續改進和技術升級、提升性能，使其在滿足國家重大科研對大光柵需求的同時，始終保持國際領先。

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