澳门京葡网站:重要依据就是观测到恒星或星系的光谱信息

精密机械“王中王”诞生记

上帝说,要有光,于是科学家便发明了光栅。而随着科技的进步,大面积、高精度光栅的研制更成为世界各光栅强国竞争的焦点。

欲工其事,必先利其器。用自己的力量研制一台能够满足国家需求的光栅制造仪器,是中国几代“光栅人”的梦想。

11月11日,这个梦想终于成真。由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所承担的国家重大科研装备研制项目“大型高精度衍射光栅刻划系统的研制”在吉林省长春市顺利通过验收。这标志着我国大面积高精度光栅制造中的相关技术已达到国际领先水平,打破了发达国家对我国的技术封锁,结束了我国在高精度大尺寸光栅制造领域受制于人的局面。

有用的“小栅栏”

人类借助光认识世界有两种方式,一种是光学成像,另一种是光谱分析。光谱信息就如同指纹一样,是标示出物质成分的“身份证”。

生活中,人们利用光谱信息可以方便地探查出农药残留、钢材质量、爆炸物特性以及血液样本是否符合健康标准等;在天文观测中,光谱信息更是让人知道了各种天体的组成及其与地球相离多少光年。例如哈勃望远镜发现了宇宙大爆炸、揭示宇宙诞生及演化规律,重要依据就是观测到恒星或星系的光谱信息。

光谱分析离不开光谱仪,而光栅就是光谱仪中最常用的核心色散元件。最早的光栅是1821年由德国科学家用细金属丝绕在两个平行的细螺丝上制成的。因形如栅栏,故名为“光栅”。

“可以说光栅应用的领域遍及农轻重、海陆空、吃穿用等各行各业。”中科院长春光机所研究员、“大型高精度衍射光栅刻划系统的研制”项目负责人唐玉国告诉《中国科学报》记者,“虽然我们在生活中很难直接看到光栅的身影,但它却实实在在地影响着人们的生活。”

光栅是一种具有纳米精度周期性微结构的精密光学元件。光栅有许多类型,但是,同时将光栅“做大”和“做精”却属于世界性难题。时至今日,大面积高精度中阶梯光栅已经成为制约我国相关领域技术发展的“短板”,我国战略高技术领域所需要的高精度大尺寸光栅受到国外严格限制。

为了摆脱这样的困局,2008年,在中科院和财政部的策划协调下,中科院长春光机所获得“国家重大科研装备研制项目”支持,开展“大型高精度衍射光栅刻划系统”的研制工作,并于2009年1月正式启动。

失落的光栅大国

光栅刻划机是制作光栅的母机,因部件的加工装调精度之难,运行保障环境要求之高,被誉为“精密机械之王”。

而“大型高精度衍射光栅刻划系统的研制”项目立项之初,就把目标定为研制一台刻划面积属世界之最、技术水平达国际领先的大型高精度衍射光栅刻划机。“换句话说,我们要做一台精密机械的‘王中王’。”唐玉国说。

其实,中国在光栅刻划机领域并非“零基础”。中国是拥有光栅刻划机的唯一一个发展中国家,甚至一度被称为拥有光栅刻划机数量最多、种类最全的国家。而长春光机所则是中国光栅的发祥地,至今仍留有5台正常运转的光栅刻划机,历史上还支援了多家单位研制这种仪器。

但进入上世纪90年代后,由于资金投入不够、人才匮乏等原因,中国在该领域的进步停止了。与此同时,国外高精度大光栅刻划机却在不断发展,使我国陷入了科学仪器所需高精度光栅全部依赖进口、战略高技术领域所需高精度大尺寸光栅受制于人的窘境。

“要改变这种现状,几乎所有的关键部件都要冲击世界‘极限’水平。”唐玉国坦言,由于该项目瞄准光栅刻划技术的世界领先水平,指标要求高、关键技术难、学科交叉多、任务工作量大,项目推进遇到了前所未有的困难。

八年练就“王中王”

金沙手机APP ,项目研制期间,项目组突破了一系列核心高精度零件的加工制造技术。以刻划机的“心脏”——丝杠为例,研究人员经过误差分解发现,丝杠每旋转一周的周期误差应低于200纳米。

然而,这种精度的丝杠不仅国外对我国禁运,而且远远超出了国家标准的最高精度等级。而如此高的精度,国内更是没有一套机床能够达到要求。

面对如此难题,课题组决定采用传统机械加工方法——手工研磨。我国第一台光栅刻划机研制的参与人之一、80岁高龄的老专家张泰亲自上阵,提出多项创新性研磨、加工和监测方法,不分昼夜,带领团队历时近1年时间,终于加工出了这根丝杠。

经过8年艰苦攻关,项目组攻克了18项关键技术,取得9项创新性成果,研制出一套大型高精度光栅刻划系统,并成功制作出一块面积达400mm×500mm的世界上面积最大的中阶梯光栅,我国几代“光栅人”终于圆梦成真。

“这个成果对天文界来说是个特大利好消息,以后我们的望远镜就可以用自己做的光栅了。”南京天文仪器研究所研究员朱永田说,“而且将来国外的望远镜上也得用我们国家产的光栅。”

该成果填补了国内空白,也标志着我国大面积高精度光栅制造中的相关技术已达到国际领先水平。验收评审专家对该项目取得的成果给予了充分肯定,认为该光栅刻划系统和光栅都达到了项目实施方案的技术指标,一致同意项目通过验收。

“这个成果,是中国科研工作者工匠精神的集中体现。”国家科技部原副部长、项目验收专家组组长曹健林评价称,大型高精度光栅刻划系统以及大面积中阶梯光栅的研制成功,能促进我国光谱仪器行业摆脱“有器无心”局面,帮助我国光谱仪器产业改变低端化现状、提升拓展国际市场的能力。