60年沉澱，8年攻關，我們終於做出了精度只有頭髮絲1/7000的光柵

光柵是進行光譜分析的一個關鍵單元器件。通過60年的不懈努力，2016年年底，我國製成世界最大面積中階梯光柵，我國不再因光柵技術而受制於人。光柵在光譜儀器中是怎樣應用的呢？研究團隊是如何克服重重困難製作出如此超精度器件的？這項技術的進步對我國到底意味著什麼？

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院長春光學精密機械與物理研究所於海利演講實錄：

大家好！我是於海利，來自中國科學院長春光學精密機械與物理研究所。早在一個月之前，SELF論壇就跟我聯繫，讓我做一個關於光柵刻劃機團隊的科研工作和科研事跡的報告。本來想早早就準備的，但一準備發現報告的難度實在是有點大，然後就把我的拖延症給逼出來了。

每天晚上到睡覺的時候，就有一種壓力驅使著我，應該去寫點什麼，可寫點什麼，沒有聽點什麼來得容易。所以我就把往期的SELF論壇都聽了一遍，然後才開始準備。這樣帶來什麼樣的後果呢？第一，跨學科學了很多知識。第二，養成了一個不聽SELF不睡覺的習慣。言歸正傳，接下來我給大家介紹一個關於光柵刻劃機的團隊，近60年來實現我國光柵夢的故事。

我們都知道光是一種電磁波，電磁波每向前傳播一個周期的距離就叫做波長。不同物質和電磁波作用的時候，都會產生自己的一組特徵波長。就像我們的指紋一樣，它攜帶了物質的具體的一些信息。我們人眼所能觀測到的信息，大約是400納米到760納米這樣一個光譜範圍。

利用這樣的光譜範圍，我們可以觀測到世間的萬物。大到藍天海洋，小到桌椅板凳，這些都是眼睛可以看得到的。如果把眼睛觀測到的波段向兩邊擴展，是否還能有這樣的光或者電磁波呢？肯定是有的。比如我們去醫院做胸透或者去機場做安檢用的X光，再比如手機的無線訊號或者wifi上網的信號，它們都是電磁波，本質上都是同一種東西，只是波長有所不同。

如果我們用雙眼就能觀測到這麼多信息，把波段擴展以後，我們可以觀測到更多信息嗎？答案是肯定的。當我們把波段擴展以後，就可以實現對100萬分之一的痕量元素的測量。光譜分析有哪些應用呢？

首先，在食品安全領域，大家很關心的一個話題是農藥殘留。農藥殘留量很少，我們嘗不出來，聞不出來，也無法通過眼睛看出來，但是通過對農藥殘留物特徵的光譜測量，可以實現對它的精確分類和光譜成分的定量分析。

另外在生物醫療領域，通過對特徵光譜的觀測，可以觀測到人體組織、器官或者細胞等各個方面的病變，以及病變發生的部位和病變的趨勢。我們還可以用光譜分析對人體必需的微量元素進行精確的測量，這對我們的健康是非常有意義的。

此外，在天文領域，我們可以利用不同特徵的光譜，通過計算機合成得到這張漂亮的圖片。合成的這些特徵光譜可以幫助我們分析星系、星體距離地球的運行速度，甚至可以分析出星體的物質組成。綜上所述，光譜分析的應用範圍是十分廣泛的。光柵是進行光譜分析的一個關鍵單元器件，用一句話來概括它的應用領域，就是遍及農、輕、重，海、陸、空，吃、穿、用的各行各業。

光柵在光譜儀器中是怎樣應用的呢？通常在接收器上接收到的是一組含有不同波長的信息光譜，我們需要把光譜進行空間分開，然後才能進行特徵波長的測量。最傳統的測量器件就是稜鏡，通過稜鏡，我們可以進行光譜分析。

此外，還有另一種重要的分析器件就是衍射光柵，也就是我們今天所要介紹的主角。它同樣具有空間色彩能力，並且具有更高的分辨本領和能量特性。什麼是光柵呢？通過左圖可以看到，這是一塊大約300×300毫米的天文上用的光柵。在正常光照條件下，它的表面呈現出五顏六色，但是看不出來有什麼其他具體的結構。

利用光學顯微鏡，把它放大1000倍以後，可以看到中間這張圖，它的上面呈現了一些周期性的刻線結構。用電子顯微鏡再對它進行放大，可以看到右側的拋物面結構圖，可以看到它不光有周期結構，每個周期還有一定的立體結構。我們用一句話來定義光柵，就是具有納米精度、周期性微結構的特種光學元件。我所從事的工作，就是對這種特種光學元件進行加工。

早在1958年，我國就開始了光柵刻劃機的研製工作。當時長春光機所老一輩的科學家梁浩明先生和他的團隊，克服重重困難，大膽創新，研製出一臺光柵刻劃機。後來又幾經改造，終於在1964年刻制出我國具有自主智慧財產權的第一塊衍射光柵。

那時還沒有CAD製圖，所有的繪圖工作都是靠科研人員手工完成的，沒有工具機加工，也沒有數控加工，但是機器的所有關鍵部件的精度可以和當今任何一個工具機的數控加工精度相媲美。我第一次見到刻劃機，是2006年到光機所讀博士的時候，它還能完好地運轉，當時我就被老一輩科學家的這種智慧、精神所折服了，並且感到深深的震撼。

1979年，我國2.16米口徑天文望遠鏡研製計劃開始立項，當時打算採用306毫米和408毫米的衍射光柵，由於一些客觀原因，這種光柵我們從國外採購不了，所以委託長春光機所進行加工研製。後來由於經費的原因，項目沒有進行下去。可以說2.16米口徑天文望遠鏡沒有用上光柵芯。

那時我國和國外的光柵技術差距大約是30年，我們最有機會進行追趕的時候，卻與機會失之交臂。可以說，這是中國的天文之痛。2008年，我們國家的重大科研裝備研製項目「大型高精度衍射光柵刻劃系統項目」正式立項，我很榮幸地加入到了項目組當中來。這個項目的目標一是要研製一臺刻劃面積數世界之最、技術指標或者技術水平達國際領先的光柵刻劃機；二是突破一系列關鍵技術，研製出一塊400×500毫米的中階梯光柵。

光柵的刻劃原理很簡單，從圖中大家可以看到，它包括兩個系統，一個是分度系統，一個是刻劃系統。分度系統承載光柵基底，單向低速運行；刻劃系統驅動基箱的是刻刀，往復運行。金剛石刻刀每在基底上刻完一條刻槽抬起來，基底往前走一個光柵常數，也就是兩條刻線的距離，然後刻刀再過來再刻一條，如此周而復始完成整塊光柵刻劃。

這樣一臺簡單的機械，對機器運行精度的要求十分高。項目要求要做到6000線以上這樣的刻線密度光柵，相當於在頭髮絲的剖面上製作420條規則的刻槽，而且精度還要達到頭髮絲直徑的1/7000。這麼說可能不是很直觀，換一個比喻來說，刻劃刀要走16千米，把它進行等比放大，相當於我們從地球到月球來回兩次的行程，刻槽的周期誤差不超過1mm，可想而知難度有多大。

為了實現這一指標，我們把相應的精度進行技術分解，落實到每個關鍵器件上。比如絲槓，它要求的精度是周期誤差0.2微米，累計誤差5微米。這個精度代表什麼水平呢？我們國家機械行業標準關於絲槓的最高標準是０級標準，我們所用絲槓的精度比０級標準還要高出一個數量級。

像這樣的關鍵器件除了絲槓，還有導軌等其他一系列器件。當時正趕上奧運期間，團隊負責人為了鼓勵我們，就說我們要發揮奧運精神，精益求精、追求極致，完成這樣一臺刻劃機的研製。結果，我們一研製就投入了兩屆奧運會的時間。

絲槓是分度系統中最重要的單元器件，它被稱為刻劃機的心臟。絲槓的加工精度要求十分高，我們無法通過採購的方式獲得，也無法通過工具機直接加工的方式獲得，因為工具機的精度也不夠，所以我們採用的方案是在工具機加工到最高精度的時候，進行手工的超精密研磨。

研磨是一項非常考驗耐心，非常考驗細節的工作。比如圖左側的用於消除絲槓各種誤差的132件的研磨螺母，我們就是花了一年時間，突破了鑄鐵材料、絲錐加工、絲錐研磨等一系列關鍵工藝技術才做出來的。有了這些研磨螺母之後才可以對絲槓進行在恆溫室裡面的超精密研磨。

超精密研磨遇到的最大困難，就是材料的應力形變，任何一個形變都可能導致我們對誤差形式的判斷發生失誤，也會讓我們加工出來的絲槓的精度受到影響。幸運的是，在20世紀我們為2.16米口徑天文望遠鏡做研究的時候，保存下來了若干根絲槓的坯料，通過30餘年的應力釋放已經很穩定了，這為我們的超精密研磨節約了大量的時間。最後，我們還是花了半年的時間，在恆溫室裡把絲槓加工了出來。

每一個關鍵器件的加工，都是對我們耐心的考驗和意志的捶打，是一個漫長的徵程。比如導軌，它的作用類似於火車的鐵軌，提供導向的作用，它需要在1560毫米的長度上，680毫米的行程範圍內實現0.2秒的精度要求。這相當於什麼呢？就像百米賽跑，把我們跑出的軌跡與起點到終點拉一條直線相比較，軌跡和直線偏差的程度不超過一根頭髮絲的直徑。

可以想像，當對精度的要求像這樣達到極限時，鋼鐵也會變得像豆腐一樣，任何環境上的風吹草動，或者是溫度變化引起的一些影響，再者我們手上多加一些力，都會直接導致精度上有很大的變化。另外一個影響因素是我們人體在進行研磨的時候會有散熱，所以整個導軌我們一天只能進行三次左右的研磨，其餘時間都用來做溫度平衡或者檢測。

有一次，我們即將接近最終目標的時候，大家都很興奮，然後中午吃完飯回來就立刻投入到工作狀態中。結果，因為溫度沒有做好充分的平衡，我們的工作一下就回到了兩個月前，由希望變成失望。但是，我們沒有時間氣餒，立刻重整旗鼓，然後再繼續周而復始做這樣的工作，耗時半年多，終於完成導軌關鍵器件的加工。

光有導軌還是沒法運行，上下導軌之間要靠滾珠來實現滑動摩擦，這樣才能行走。傳統的滾珠對絲筒不太合適，為什麼呢？因為工作檯有200千克的負載，這麼重的質量壓到滾珠上，它和導軌是一個點接觸，會產生較大的微形變，這樣就把所有的精度都給破壞掉了，所以我們提出用滾柱替代滾珠的方案，把點接觸變成線接觸。

但是，滾柱的加工是比較困難的，因為對滾柱的精度要求是，任意選出兩個滾柱，它們之間的等徑差不超過100納米，也就是不超過1000個氫原子的直徑的偏差，我們需要的64個滾柱沒法通過現有的加工技術直接實現。最後我們想了一個辦法，我們做了5000個滾柱，然後進行分級篩選，最終選出64個符合要求的滾柱。但是因為溫度平衡等各方面因素，每天只能選出來幾十個，我們大約花了三個月的時間才完成對5000個滾柱的篩選。

對於刻劃機來說，我們每一個關鍵器件的攻關都花了很長時間，但是我們沒有走彎路，為什麼呢？這得益於第一代光柵刻劃機的研製人之一張泰先生的參與， 80餘歲高齡的他親自上陣，帶領我們這些80後的年輕人，每天都是加工，研磨，檢測。

張先生非常有經驗，他經常是一種什麼樣的工作狀態呢？在研磨過程中，他僅靠自己的手感就能判斷出下一步應該怎麼做。但是我們不行，我們手上沒有這種感覺。所以在他的經驗指導下，我們做到了把經驗上升到數學模型的層次。

每天，團隊的每個人手裡都是拿著研具，食指沾染著研磨粉、煤油等試劑，由於長年累月的工作，手上的黑漬洗不掉，還長滿了老繭。我記得有一次師兄跟我說，去幼兒園接放學的孩子。看到孩子從人群裡興匆匆地跑過來的時候，他卻羞於伸出雙手。有很多同學問我是不是轉行到工廠當工人去了？一開始，我自己感覺好像也是這麼回事，但是隨著我們的工作逐漸取得了一些成果，我的態度也發生了轉變。其實手上長這些老繭不正是我們科研道路上成長的印記嗎？

最後通過一系列攻關，我們把分度系統搭建起來了，它的精度是否滿足要求呢？我們可以來看一下。主要看下面那個小方框裡面的定位精度。可以說在整個刻劃的範圍內，它的數值是不超過10的，也就是說它滿足了10納米的精度要求，所以說分度系統從此我們就做出來了。

另外一個難題就是刻劃系統。刻劃系統要求在整個450毫米的行程範圍內，刻劃的直線性精度要100納米。為了實現這個要求，我們提出四種研製方案：第一種是用傳統技術，第二種是用創新技術，第三種是借鑑國外技術，第四種是圖片中所畫的，從來在刻劃機上沒有用過的氣浮導軌技術。

隨著項目的推進，第一套方案失敗了，第二套方案也失敗了，第三套方案的精度沒有滿足要求。那個時候，我們的項目已經進入到拖期階段，可以說巨大的壓力像烏雲一樣籠罩著整個項目組。雖然科研項目允許失敗，但這是我們心中所不允許的。

事後，項目負責人跟我們說，那個時候的壓力，他真是連跳樓的心情都有了。所以說那個日子對我們來說是很艱難的，不光是工作上的壓力，還有心理上的壓力。幸好我們還有一套方案，既然有一線機會，我們就要把握，就要爭取。所以那段時間，我們絞盡腦汁想各種創新的方法，讓氣浮導軌的方案一定能成功。

它的難點主要體現在兩個方面。第一，它是石頭結構，不像前面介紹的分度系統採用的都是金屬器件，它需要把石頭材質的一個導軌加工到100納米精度，很多機械加工裝備或者研磨方法可能就未必那麼適合了。第二，精度要求比較高，為了保持剛度，我們需要加工兩根這樣的導軌，彼此之間還要保持平行性，裝調之後還要達到100納米的精度，可以說是難上加難。

由於我們有分度系統的經驗，再加上已經磨練出來的不怕失敗、不怕吃苦的意志，最後我們還是用手工研磨的方式，把導軌從微米級的精度修整到了100納米級以內，通過測試曲線大家也可以看得出來。這個工作的成功代表了我們刻劃系統也差不多完成了，整個機器已經可以進入到後續狀態了。

我們團隊有一個職業病，就是大家的腰和頸椎都不太好，經常有人患腰脫，有人說我們這麼年輕的團隊，怎麼把腰搞成這樣？從這張圖片大家可以看出，我們在進行裝調的時候，經常需要跪著或者是蹲下的姿勢。調節內層工作檯時，需要用手扶著一百多斤的工作檯，然後進行彈簧鋼片高精度的裝調，每次裝調大概十多分鐘，這十多分鐘裡我們不能停下來，當我們站起來的時候，腿都是發酸、發抖的。

像這樣的裝調一做就是十多組。這張圖顯示的是機器裝好了我們要進行第一塊光柵刻劃，要把光柵基底運到光柵刻劃機的工作檯上。為了消除熱膨脹的影響，我們採用了零膨脹的微晶玻璃，微晶玻璃既貴又脆，所以大家裝調的時候都十分小心。裝上去以後，我們的第一塊光柵終於刻劃出來了。

刻劃出來的光柵上塗有一層潤滑油，它的作用是為了減少金剛石刻刀和光柵鋁膜之間的摩擦力，提高刀具的壽命。衝洗鋁膜油層是一個技術工作，如果因為衝洗不好，留一些印記的話，整個光柵可能都白做了。

這個照片是我們在把恆溫室裡面的所有研磨工作都做完以後，不用再沾染試劑了，在恆溫室裡，我們換上了一身乾淨的新衣服，和刻劃機照了一張照片。

這麼多年，我們這些年輕人為什麼能夠憑著咬定青山不放鬆的這種精神堅持下來，不光是我們對科研工作的熱愛，我想更重要的一點是因為有背後默默支持我們的家人。有一次，晚上正在加班，我的妻子給我打電話說陽臺有動靜，家裡好像進來人了。

我當時心一下就慌了，因為家裡只有妻子和不到一歲的孩子，我立刻打110報警然後趕回家。恰好碰到出來的民警同志，他跟我說是樓上漏水滴落的聲音，然後追問我是幹什麼工作的，這麼晚還不回家？我感覺挺內疚的，本來以為會迎來妻子的埋怨，但還好沒有，她對我說工作做完了嗎？沒做完就趕快回去做吧。我想正是家人的這份支持，才讓我們在科研道路上有了堅實的後盾。

總結來說，這臺光柵刻劃機可以說是經過60多年的技術積澱，然後通過近八年的不懈努力和技術攻關，終於在2016年底完成了研製。研製出一臺大型高精度光柵刻劃機，並刻制出一塊400×500毫米的光柵，它不僅代表著我國的光柵刻劃技術達到世界領先水平，更重要的是我國的高端光譜儀器從此不再因為光柵而受制於人。

2016年11月11日是項目驗收的日子，這個日子會像四條刻線一樣，深深地烙印在我們光柵團隊每一個人的心頭。目前中國科學院雲南天文臺、中科院上海技物所和中科院西安光機所等多家單位，都已經利用或者是即將用到這臺光柵刻劃機刻制出的光柵。我們國產的光譜儀器能用上自己的中國芯，作為光柵團隊的一員，我的心裡感到無比的驕傲。好，我報告就到這裡，謝謝大家！

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