技术突破！我国科学家制造出大口径光栅，能制造超强激光

从(cóng)黑胶唱片到光盘，人类为何着迷于在物体表面刻细密的条纹(tiáowén)？因为细密的条纹用处实在太多了！

较为古早的黑胶唱片，它(tā)用于录制与复现音乐。记录音乐时，声音导致(dǎozhì)气压波动，气压的波动驱动刻针在唱片的表面(biǎomiàn)划出深浅不一的刻痕，刻痕在唱片表面形成了环形(huánxíng)条纹，刻痕宽度大约是 0.1~0.16 mm。

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之后出现了 DVD 光盘，能够存贮各类数字化的文档。光盘的条纹更加密集，相比(xiāngbǐ)于黑胶唱片，光盘的刻录工具从刻针变为(biànwèi)激光，生活中用到的光盘刻痕宽度是 300~700 nm。观察光盘发现，光照到光盘表面(biǎomiàn)时，产生了彩虹光晕，这反映了细密(xìmì)条纹除记录信息外的另一大本领(běnlǐng)：分光！

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具备这种本领的(de)结构，人们称为(chēngwéi)光栅。光栅是一种具有规则结构的光学元件(yuánjiàn)，它能够将光根据颜色分为向不同方向传播的光束，光盘上分布规律的条纹便是如此。

自然界中也存在着天然的光栅。例如，蝴蝶(húdié)翅膀上分布着许多微小鳞片，它们(tāmen)组成的光栅造成(zàochéng)光的衍射，将光线分开，呈现出绚丽的颜色。

举个更好(gènghǎo)“吃”的例子，如果发现切开的卤牛肉泛着绿光，先别急着扔，不是(búshì)牛肉坏了(le)，而是切面的牛肉纤维分布规律，起到了光栅的效果，所以看起来泛着绿光。

我国科学家制造出大型光栅(guāngshān)

在一些特定领域(lǐngyù)，人们需要条纹更密集、规模(guīmó)更大的光栅。当前，人工刻划的光栅发展到什么程度了呢？

近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所巴音贺希格和(hé)李文昊(lǐwénhào)团队在大口径光栅的高精度制作方法上取得了突破，制造(zhìzào)出了长达 1.5 m 的高精度光栅。

长达(dá) 1.5m 的大型光栅。图片来源：参考文献[1]

如此长的光栅，它的每一条刻痕(kèhén)宽 300 nm，在整个光栅区域内，刻痕之间的位置差异不超过(chāoguò) 10 nm。相当于(xiāngdāngyú)在长 1.5 km 的平面上刻画(kèhuà)线条，线条之间的距离偏差不能超过头发丝的四分之一。

大费周章地制造出这样的大型光栅，它到底有哪些用处呢(ne)？

大口径的光栅是激光核聚变中提升(tíshēng)激光功率的的核心元件。

激光核聚变是指利用高能激光加热物质，使得物质的原子核碰撞到一起，发生聚合作用(jùhézuòyòng)，并释放(shìfàng)出大量能量。人类已经实现不(bù)受控制(kòngzhì)的核聚变，即氢弹的爆炸。激光核聚变属于可控的核聚变，它可能成为人类未来的能量来源。

光栅(guāngshān)能将(jiāng)同一个方向入射的不同颜色光分开，同样地，光栅也能将不同方向入射的不同颜色光汇聚在一起。在激光(jīguāng)核聚变装置中，利用激光照射物质使其产生(chǎnshēng)聚变需要极高功率的激光，小尺寸的光栅很容易被激光破坏，只有长度在一米量级的光栅能够(nénggòu)承担如此重任，将不同颜色的高功率激光组合在一起，进一步提高激光功率。

激光(jīguāng)(jīguāng)器发出的是脉冲激光，假设激光的能量是 1 J，脉冲持续时间是1 s，则激光的平均功率是“能量÷持续时间=1 W”。

脉冲通过光栅后(hòu)，被光栅展宽了(le)，也就是脉冲的持续时间(chíxùshíjiān)变(biàn)长，能量还是(háishì) 1 J，持续时间变成 10 s，平均功率为 0.1 W；经过放大装置，脉冲能量增加(zēngjiā)到 10 J，平均功率就变成了 1 W。这时候，经过另一个光栅，这个光栅发挥的是压缩脉冲的作用，脉冲持续时间被压缩到了 0.1 s，脉冲能量 10 J，平均功率提高到了 100 W。

这一(zhèyī)技术就叫做“啁啾脉冲放大技术”，该(gāi)技术在 2018 年获得了诺贝尔物理学奖。利用这一技术，我国当前的(de)高能激光功率已经提升到了拍瓦量级，也就是 1 亿亿 W。

啁啾(zhōujiū)脉冲放大技术示意图。图片(túpiàn)来源：NobelPrize.org

用处二：制作光栅尺(guāngshānchǐ)，

现代工业对测量技术有极高的要求。要想加工出(chū)精度极高的元器件，首先需要有能够(nénggòu)对元件进行高精度测量的尺子。

测量器具有(jùyǒu)两个重要指标(zhǐbiāo)：可以量多远，称为量程；可以量多精，称为精度。卷尺能够量数米长(zhǎng)的(de)物体，最小刻度为 1 mm；20 分度游标卡尺的最小刻度为 0.05 mm,最长能够测量的物体则不超过 20 cm。

精度与量程似乎不可兼得，一些(yīxiē)应用却要求测量精度高，量程还必须大(dà)，这就构成了尖锐的矛盾。而由大尺寸(chǐcùn)光栅作为主要零部件制作而成的光栅尺就能解决这一问题，很好地满足了工业界的要求。

目前，绝大多数的(de)超精密加工机床都配备了光栅尺，从而能够高精度地加工大型零部件。典型的光栅尺由(yóu)标尺光栅与指示光栅组成，标尺光栅往往长度在米级，指示光栅比标尺光栅短得多。两个光栅的条纹(tiáowén)方向稍有不同，当两个光栅之间发生相对移动(yídòng)(yídòng)时，微小的移动会被两个光栅叠加产生“莫尔条纹”。两个光栅之间的细微移动，表现为莫尔条纹更加明显的变化，细微的变化被放大了，也就更加容易测量(cèliáng)。

传感器探测到莫尔条纹(tiáowén)的变化，能够反推出两个光栅的相对移动距离。利用该技术制作而成的光删尺，量程可达到一米甚至更长，测量精度能达到微米或(huò)纳米(nàmǐ)量级。

两个光栅叠加产生“莫尔条纹”示意图(shìyìtú)。图片来源：作者自制

正如光栅设计、制造领域的著名科学家(kēxuéjiā) G.R.Harrision 评价的那样，很难再(zài)找到一个像光栅这样的器件，它为科学研究的绝大多数领域都带来了精密的实验(shíyàn)数据，从物理学家、天文学家、生物学家、到冶金学家(yějīnxuéjiā)，他们都将光栅作为非常精确的工具。

如果没有它，现代科学的(de)发展将受到极大的阻碍。

[2]吴宏圣(wúhóngshèng),曾琪峰,乔栋,等.提高(tígāo)光栅莫尔条纹(tiáowén)信号质量的滤波方法[J].光学(guāngxué)精密工程, 2011, 19(008):1944-1949.DOI:10.3788/OPE.20111908.1944.

作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光学精密机械与物理(wùlǐ)研究所