“大型高精度衍射光柵刻劃系統的研制”通過驗收

　　 上帝說，要有光，于是科學家便發明了光柵。而隨著科技的進步，大面積、高精度光柵的研制更成為世界各光柵強國競爭的焦點。

　　欲工其事，必先利其器。用自己的力量研制一臺能夠滿足國家需求的光柵制造儀器，是中國幾代“光柵人”的夢想。

　　11月11日，這個夢想終于成真。由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目“大型高精度衍射光柵刻劃系統的研制”在吉林省長春市順利通過驗收。這標志著我國大面積高精度光柵制造中的相關技術已達到國際領先水平，打破了發達國家對我國的技術封鎖，結束了我國在高精度大尺寸光柵制造領域受制于人的局面。

　　有用的“小柵欄”

　　人類借助光認識世界有兩種方式，一種是光學成像，另一種是光譜分析。光譜信息就如同指紋一樣，是標示出物質成分的“身份證”。

　　生活中，人們利用光譜信息可以方便地探查出農藥殘留、鋼材質量、爆炸物特性以及血液樣本是否符合健康標準等；在天文觀測中，光譜信息更是讓人知道了各種天體的組成及其與地球相離多少光年。例如哈勃望遠鏡發現了宇宙大爆炸、揭示宇宙誕生及演化規律，重要依據就是觀測到恒星或星系的光譜信息。

　　光譜分析離不開光譜儀，而光柵就是光譜儀中最常用的核心色散元件。最早的光柵是1821年由德國科學家用細金屬絲繞在兩個平行的細螺絲上制成的。因形如柵欄，故名為“光柵”。

　　“可以說光柵應用的領域遍及農輕重、海陸空、吃穿用等各行各業。”中科院長春光機所研究員、“大型高精度衍射光柵刻劃系統的研制”項目負責人唐玉國告訴《中國科學報》記者，“雖然我們在生活中很難直接看到光柵的身影，但它卻實實在在地影響著人們的生活。”

　　光柵是一種具有納米精度周期性微結構的精密光學元件。光柵有許多類型，但是，同時將光柵“做大”和“做精”卻屬于世界性難題。時至今日，大面積高精度中階梯光柵已經成為制約我國相關領域技術發展的“短板”，我國戰略高技術領域所需要的高精度大尺寸光柵受到國外嚴格限制。

　　為了擺脫這樣的困局，2008年，在中科院和財政部的策劃協調下，中科院長春光機所獲得“國家重大科研裝備研制項目”支持，開展“大型高精度衍射光柵刻劃系統”的研制工作，并于2009年1月正式啟動。

　　失落的光柵大國

　　光柵刻劃機是制作光柵的母機，因部件的加工裝調精度之難，運行保障環境要求之高，被譽為“精密機械之王”。

　　而“大型高精度衍射光柵刻劃系統的研制”項目立項之初，就把目標定為研制一臺刻劃面積屬世界之最、技術水平達國際領先的大型高精度衍射光柵刻劃機。“換句話說，我們要做一臺精密機械的‘王中王’。”唐玉國說。

　　其實，中國在光柵刻劃機領域并非“零基礎”。中國是擁有光柵刻劃機的唯一一個發展中國家，甚至一度被稱為擁有光柵刻劃機數量最多、種類最全的國家。而長春光機所則是中國光柵的發祥地，至今仍留有5臺正常運轉的光柵刻劃機，歷史上還支援了多家單位研制這種儀器。

　　但進入上世紀90年代后，由于資金投入不夠、人才匱乏等原因，中國在該領域的進步停止了。與此同時，國外高精度大光柵刻劃機卻在不斷發展，使我國陷入了科學儀器所需高精度光柵全部依賴進口、戰略高技術領域所需高精度大尺寸光柵受制于人的窘境。

　　“要改變這種現狀，幾乎所有的關鍵部件都要沖擊世界‘極限’水平。”唐玉國坦言，由于該項目瞄準光柵刻劃技術的世界領先水平，指標要求高、關鍵技術難、學科交叉多、任務工作量大，項目推進遇到了前所未有的困難。

　　八年練就“王中王”

　　項目研制期間，項目組突破了一系列核心高精度零件的加工制造技術。以刻劃機的“心臟”——絲杠為例，研究人員經過誤差分解發現，絲杠每旋轉一周的周期誤差應低于200納米。

　　然而，這種精度的絲杠不僅國外對我國禁運，而且遠遠超出了國家標準的最高精度等級。而如此高的精度，國內更是沒有一套機床能夠達到要求。

　　面對如此難題，課題組決定采用傳統機械加工方法——手工研磨。我國第一臺光柵刻劃機研制的參與人之一、80歲高齡的老專家張泰親自上陣，提出多項創新性研磨、加工和監測方法，不分晝夜，帶領團隊歷時近1年時間，終于加工出了這根絲杠。

　　經過8年艱苦攻關，項目組攻克了18項關鍵技術，取得9項創新性成果，研制出一套大型高精度光柵刻劃系統，并成功制作出一塊面積達400mm×500mm的世界上面積最大的中階梯光柵，我國幾代“光柵人”終于圓夢成真。

　　“這個成果對天文界來說是個特大利好消息，以后我們的望遠鏡就可以用自己做的光柵了。”南京天文儀器研究所研究員朱永田說，“而且將來國外的望遠鏡上也得用我們國家產的光柵。”

　　該成果填補了國內空白，也標志著我國大面積高精度光柵制造中的相關技術已達到國際領先水平。驗收評審專家對該項目取得的成果給予了充分肯定，認為該光柵刻劃系統和光柵都達到了項目實施方案的技術指標，一致同意項目通過驗收。

　　“這個成果，是中國科研工作者工匠精神的集中體現。”國家科技部原副部長、項目驗收專家組組長曹健林評價稱，大型高精度光柵刻劃系統以及大面積中階梯光柵的研制成功，能促進我國光譜儀器行業擺脫“有器無心”局面，幫助我國光譜儀器產業改變低端化現狀、提升拓展國際市場的能力。