文/本刊記者 李雪敏

由中科院長(zhǎng)春光機(jī)所承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目——大型高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)榮獲2018“中國(guó)好設(shè)計(jì)”金獎(jiǎng)。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所是中國(guó)在光學(xué)領(lǐng)域建立的第一家研究所，上世紀(jì)50、60年代，該所研制出中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器、第一臺(tái)大型電影經(jīng)緯儀等十幾項(xiàng)“中國(guó)第一”的光學(xué)儀器設(shè)備，因此被譽(yù)為中國(guó)“光學(xué)的搖籃”。

人類借助光認(rèn)識(shí)世界有兩種方式，一種是光學(xué)成像，另一種是光譜分析。光譜信息就如同指紋，是標(biāo)示出物質(zhì)成分的“身份證”。光譜分析離不開(kāi)光譜儀，而光柵就是光譜儀中最常用的核心色散元件。

長(zhǎng)春光機(jī)所研究員、該項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人齊向東講道：“可以說(shuō)光柵應(yīng)用的領(lǐng)域遍及農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用等各行各業(yè)。雖然我們?cè)谏钪泻茈y直接看到光柵的身影，但它卻實(shí)實(shí)在在地影響著人們的生活”。

光柵

大光柵刻劃?rùn)C(jī)系統(tǒng)

中階梯光柵

光柵刻劃?rùn)C(jī)絲杠

早在1958年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所就研制出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)和第一塊光柵，我國(guó)第一顆原子彈爆炸試驗(yàn)的光譜設(shè)備就曾經(jīng)使用過(guò)這里研制的光柵。此后，這里從未間斷對(duì)光柵研制技術(shù)、超精密加工技術(shù)等方面的研究，為我國(guó)大面積高精度中階梯光柵的研制打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，大面積高精度光柵又成為了制約我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的“短板”。因此，2008年，在中國(guó)科學(xué)院和財(cái)政部的策劃協(xié)調(diào)下，長(zhǎng)春光機(jī)所再次承擔(dān)起了研制“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)”的任務(wù)，該項(xiàng)目目標(biāo)為研制一臺(tái)刻劃面積世界之最、技術(shù)水平達(dá)國(guó)際領(lǐng)先的大型高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)，并于2009年1月正式啟動(dòng)。項(xiàng)目全體研究人員鄭重地承接起了實(shí)現(xiàn)中國(guó)“光柵夢(mèng)”的光輝使命。

衍射光柵是一種具有納米精度周期性微結(jié)構(gòu)的精密光學(xué)元件，它在光譜學(xué)、天文學(xué)、激光器、光通訊、新能源等諸多領(lǐng)域中占有重要應(yīng)用。光柵面積大可獲得高集光率和分辨本領(lǐng)，精度高可獲得更好的信噪比，而將光柵做大和做精是世界難題。我國(guó)戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域所需要的高精度大尺寸光柵長(zhǎng)期受到國(guó)外嚴(yán)格限制，這成為制約我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的短板。光柵刻劃?rùn)C(jī)是制作光柵的母機(jī)，因部件加工裝調(diào)精度之難，運(yùn)行保障環(huán)境要求之高，被譽(yù)為“精密機(jī)械之王”。因此，研制出一臺(tái)能滿足國(guó)家需求的光柵制造儀器是中國(guó)幾代“光柵人”的夢(mèng)想。

大光柵刻劃?rùn)C(jī)由上千個(gè)元件、部件精妙配合而成，幾乎大部分關(guān)鍵部件都沖擊著機(jī)械加工的世界極限水平。研制一臺(tái)面積達(dá)400mm×500mm中階梯光柵的刻劃?rùn)C(jī)，要求其刻槽精度相當(dāng)于在約20公里行程范圍內(nèi)刻槽間距誤差小于頭發(fā)絲直徑的千分之一，這無(wú)疑稱得上是精密機(jī)械“王中之王”。

承擔(dān)這個(gè)艱巨任務(wù)的是一支年輕的團(tuán)隊(duì)，35歲以下年輕人占80%。團(tuán)隊(duì)成員在攻關(guān)過(guò)程中，不怕失敗、大膽創(chuàng)新，在超精密機(jī)械設(shè)計(jì)和加工領(lǐng)域取得了一系列重大技術(shù)突破。項(xiàng)目研制期間，項(xiàng)目組突破了一系列核心高精度零件的加工制造技術(shù)。以刻劃?rùn)C(jī)的“心臟”——絲杠為例，研究人員經(jīng)過(guò)誤差分解發(fā)現(xiàn)，絲杠每旋轉(zhuǎn)一周的周期誤差應(yīng)低于200nm。然而，這種精度的絲杠不僅國(guó)外對(duì)我國(guó)禁運(yùn)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的最高精度等級(jí)。國(guó)內(nèi)更是沒(méi)有一套機(jī)床能達(dá)到要求。面對(duì)難題，課題組決定采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法——手工研磨。我國(guó)第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)研制的參與人之一、80歲高齡的老專家張?zhí)┯H自上陣，提出多項(xiàng)創(chuàng)新性研磨、加工和監(jiān)測(cè)思路，不分晝夜，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近1年時(shí)間，終于加工出了這根絲杠。

項(xiàng)目組還創(chuàng)新性地提出“三基準(zhǔn)合一、分體工裝、組合加工”的小模數(shù)、大尺寸蝸輪蝸桿副研制新工藝，提出“幾何誤差五步排列消除法”研磨出超高精度、大行程三角螺紋絲杠，提出“縱后橫、配對(duì)研磨、化V為平、光學(xué)拋光”方法研制出精密雙V型滾柱導(dǎo)軌副等關(guān)鍵部件，這些技術(shù)突破在客觀上也帶動(dòng)了我國(guó)精密機(jī)械領(lǐng)域的技術(shù)快速發(fā)展。這些年輕的博士、碩士，依靠雙手打造出一件件納米量級(jí)的機(jī)械零件，用青春的執(zhí)著傳承著幾代光柵人的工匠精神。

2016年11月，歷經(jīng)八年刻苦攻關(guān)，大光柵團(tuán)隊(duì)突破了精密機(jī)械加工、高精度微位移控制等18項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制出了大型高精度光柵刻劃系統(tǒng)，并刻劃出面積達(dá)400毫米×500毫米、精度為10納米的光柵，這也是目前世界上面積最大的中階梯光柵，標(biāo)志著我國(guó)大面積高精度光柵制造達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，結(jié)束了我國(guó)在高精度大尺寸光柵制造領(lǐng)域受制于人的局面，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)幾代科研工作者的“光柵夢(mèng)”。

“該成果是中國(guó)科研工作者工匠精神的集中體現(xiàn)?！眹?guó)家科技部原副部長(zhǎng)、項(xiàng)目驗(yàn)收專家組組長(zhǎng)曹健林評(píng)價(jià)稱，大型高精度光柵刻劃系統(tǒng)以及大面積中階梯光柵的研制成功，能促進(jìn)我國(guó)光譜儀器行業(yè)擺脫“有器無(wú)心”局面，幫助光譜儀器產(chǎn)業(yè)改變低端化現(xiàn)狀，提升了我國(guó)在該領(lǐng)域拓展國(guó)際市場(chǎng)的能力。

2016年12月，科研人員在長(zhǎng)春光機(jī)所實(shí)驗(yàn)室大光柵刻劃?rùn)C(jī)前進(jìn)行試驗(yàn)