我國高精度平面刻劃光柵自主可控 國產光譜迎來新時代

——訪中科院長春光學精密機械與物理研究所 李曉天副研究員

[來源：儀器信息網]作為光譜儀器的核心部件,光柵的地位舉足輕重。針對我國機械刻劃光柵的刻劃面積及精度不足等現狀，中科院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱：長春光機所）開展了一系列的技術攻關，不僅成功研製出大型高精度光柵刻劃機，而且該刻劃機已成功製作出刻劃面積為400mm×500mm的世界最大面積中階梯光柵。

為了更深入的了解我國光柵及光譜儀器的研究現狀及未來發展態勢，儀器信息網編輯特別邀請到中科院長春光學精密機械與物理研究所李曉天副研究員給大家分享其在光柵及光譜儀器研發過程中的經驗。

中科院長春光學精密機械與物理研究所 李曉天副研究員

李曉天，博士生導師，九三社員，Opt. Express等國外10餘個權威SCI期刊審稿專家。自2006年參加工作，主要從事光電檢測、衍射光柵及其在光譜技術領域應用研究等科研工作，作為項目負責人獲批空間外差拉曼方面的國內第一個自然科學基金青年基金和第一個面上項目，以及吉林省技術攻關項目等；作為分系統或子課題負責人承擔國家973課題、國家重大科研裝備研製項目等，曾獲「航天科技四院傑出青年」、「吉林省科技進步一等獎」、「吉林省青年文明號」等榮譽。獲授權發明專利28項，其中第一發明人12項；在Opt.Express等權威SCI/EI期刊發表論文40餘篇，其中第一/通訊作者16篇。培養的博士和碩士研究生獲得國家獎學金、中科院院長獎、中科院新生獎等10餘種獎勵,其中一名學生連續兩年獲國家獎學金後公派留學於美國哈佛大學。

我國高精度平面刻劃光柵已處於國際領先水平

衍射光柵是最重要的一類光學色散元件，它是絕大多數光譜儀器的核心器件，其精度高低直接決定光譜儀器性能的優劣。按製作方法, 衍射光柵可分為機械刻劃光柵、離子束刻蝕-全息光柵、體全息光柵等。隨著國家支持力度的加大，我國各類光柵製作技術均有顯著提升，與國外最高水平的差距也越來越小，特別值得一提的是，我國的機械刻劃光柵製作技術已達到國際領先水平。

機械刻劃光柵的性能主要由光柵刻劃機的運行精度決定。據李曉天介紹，光柵刻劃機是製作光柵的母機，機械刻劃光柵主要是通過光柵刻劃機的金剛石刻刀在光柵基底的膜層上擠壓成形出一系列具有一定規則形狀和間距的刻槽，在此期間，刻劃機的基底工作檯要不斷進行精密進給運動，而金剛石刻劃刀要不斷進行往復運動，光柵刻劃的定位精度要達到納米量級。因此部件的加工裝調精度要求極高，運行保障環境要求也極為苛刻，光柵刻劃機也被譽為「精密機械之王」。

李曉天開展的光柵研究主要是針對機械刻劃光柵，採訪中他給大家詳細介紹了自己在這方面的工作。據介紹，李曉天通過仿真分析和科研經驗等，指出國產光柵刻劃機刻劃系統結構不夠穩定是導致刻劃出的光柵雜散光較大的主要原因之一，最終通過大量的實驗驗證了這一結論；據此，他在導師唐玉國研究員等前輩的悉心指導下，在國內率先開展了光柵刻劃系統誤差修正技術研究，最終使得刻劃出的光柵雜散光從10-3量級降低至可達10-5量級，此外他還開展了衍射波前主動補償、光柵性能實時檢測技術等研究工作，有效提高了光柵刻劃機及刻劃光柵的性能。目前，李曉天及其所在的大光柵團隊已研製出高精度大光柵刻劃機1臺，主要性能指標為：最大刻劃面積：400mm×500mm；最高刻槽密度：6000線/mm；儀器運行的短期定位誤差：≤3.0nm（1σ）,並已成功製作出刻劃面積為400mm×500mm的世界最大面積中階梯光柵,獲得「吉林省科技進步一等獎」、「吉林省青年文明號」等榮譽。相關成果被中央電視臺新聞聯播、人民日報、科技日報、經濟日報、光明日報等多家媒體進行報導。

談到其開展的光柵相關工作，李曉天自豪的說，「就光柵定製而言，我們光柵產品價格要比國外產品低的多，國內的一些企業獲得信息後，原本計劃在國外採購的光柵也改為從我們單位定製採購了。」據悉，長春光機所的刻劃光柵產品已在北京博暉創新光電公司、浙江大學、加拿大多倫多大學、中科院西安光機所、中科院上海技物所等單位研製的光譜儀器中得到了成功應用。其中，加拿大多倫多大學將他們研製的紅外中階梯光柵與美國Bach公司製作的194線/mm中階梯光柵進行了對比，結果發現該光柵性能優於美國Bach公司產品，其中TM波的光柵衍射效率高出約20%左右；北京博暉創新光電公司將長春光機所的光柵產品與其購買的一塊國外產品進行了對比，發現長春光機所的光柵產品性能更優。

以光柵自主創新促進光譜儀器進步 核心部件國產化率亟待提升

作為光譜儀器的核心部件，光柵技術的深入對光譜儀器的開發具有重要的指導意義。在完成了光柵刻劃機研製之後，李曉天的研究重心轉向光柵應用技術，其曾參與了中階梯光柵光譜儀、光柵雜散光測量儀、傅立葉變換型光柵衍射效率測量儀和成像光譜儀等研究工作。特別是近幾年，他開始了拉曼光譜技術的研究工作。對於研究方向的轉變，李曉天解釋說，由於拉曼光譜不怕水，可以在水溶液或者水環境中實現物質的檢測，做完拉曼光譜儀技術的基礎研究工作以後，下一步的工作重點是要將其應用到生物醫學、星際探測等與國計民生息息相關的重要領域中。

現有的拉曼光譜技術，如色散型拉曼光譜儀因存在入射狹縫，導致其在高光通量、高解析度、寬波段、無運動部件等性能方面難以兼顧。為解決以上影響拉曼光譜技術發展的關鍵問題，李曉天從2015年開始研發可兼具高光通量、高解析度等以上性能的新型空間外差拉曼光譜儀，並作為項目負責人成功獲批了空間外差拉曼光譜方面的國內第一個自然科學基金青年基金項目和第一個面上項目。

拼接光柵型空間外差拉曼光譜儀原理樣機（左）及硫磺樣品的外差拉曼幹涉圖（右）

據介紹，空間外差拉曼光譜儀無入射狹縫，且整個儀器沒有運動部件。通過探測器單次測量及分析，即可獲得全波段的待測物拉曼光譜信息。而且儀器結構緊湊，其除探測器以外的核心光學模塊的尺寸可以做到15cm×15cm以內，因此儀器可兼具高光通量、高解析度、寬波段、無運動部件等性能。空間外差拉曼光譜儀將在待測物拉曼信號較弱、有限載荷使用條件以及待測環境條件惡劣等方面具有較好的應用前景，此外在透射拉曼光譜領域也可以發揮其優勢。

在拉曼光譜儀研究過程中，李曉天提出光柵拼接型空間外差拉曼及LIPS光譜儀、中階梯光柵型空間外差拉曼光譜儀和空間外差型太赫茲拉曼光譜儀等新型儀器結構，並帶領團隊突破關鍵理論與技術，設計出具有稜鏡視場展寬能力的高光通量空間外差拉曼儀器原理樣機，其測得的硫磺等樣品信號強度可達同等解析度和測量波段範圍的傳統色散型儀器的100倍；給出基於三階極小值和多子區間分割的光譜背景扣除算法，可有效解決背景光幹擾等對拉曼光譜測量的影響；提出通過光闌和光學陷阱等抑制儀器雜散光的方法；提出基於中階梯光柵多級次錐面衍射的空間外差拉曼光譜儀結構等等。

近幾年，國內的一些知名企業和院校紛紛開展了拉曼光譜儀器研發工作，使得我國拉曼光譜儀研發力量得到了較大的提高，但整體來說與國際最高水平仍存在一定差距，在全球市場中所佔份額較低。對此，李曉天分析到，光柵等拉曼光譜儀的核心光學元件在國產拉曼光譜儀中的國產化率並不高，主要原因是我國光柵技術水平的提升是在近幾年發生的，目前國內的科研院所和企業大多還不清楚國內的機械刻劃光柵水平已得到顯著改善且定製價格遠低於國外產品這一事實。相信隨著時間的推移，我國拉曼光譜儀產品中的光柵國產化率會得到大幅度提升。此外，李曉天也提到，除了光柵以外，拉曼濾光片也是儀器的核心元件，特別是低波數拉曼濾光片尚未實現高性能產品國產化，制約著相應儀器的發展。

國產光柵及光譜儀發展展望: 一代光柵對應著一代光譜儀

從核心部件到儀器整機，李曉天在光學儀器研發領域已經工作了10餘年。據悉，未來他還將繼續開展新型高端光柵光譜儀研究工作，在高解析度、高通量、高靈敏度光譜儀器研製方面繼續開展深入的研究。不僅如此，他還計劃嘗試開展拉曼光譜技術在生物醫學等領域的應用研究。

採訪中，李曉天指出，目前國內的光柵刻劃機只能刻劃平面光柵，但是國內外市場對凹面光柵和凸面光柵等非平面光柵的需求也日益迫切，若能採用光柵刻劃機進行非平面光柵研製，將能夠有效解決現有的非平面光柵的衍射效率等性能難以滿足諸多領域使用需求的難題，所以希望國家或地方政府可以對非平面光柵刻劃機的研製進行專項資金投入。再者，國內外天文望遠等領域對更大面積光柵仍有使用需求，不過如果直接研製可以刻劃更大面積光柵的刻劃機，對機械和精密控制等技術具有更高需求，需要的資金投入也較多，因此發展投入相對較低的大光柵拼接複製技術也是未來光柵技術的重要方向。此外，超環面光柵、大面積體全息光柵等其它光柵技術也應該開展深入研究。

李曉天還談到了我國光譜儀器研發的現狀。據其分析，衍射光柵是光柵光譜儀器的核心元件，在儀器研發中意義重大。但是現在國內大多數儀器廠家和單位在進行光譜儀器設計時，往往先在現有產品中選擇一個測量波段等指標相對適合的光柵產品，然後根據該光柵參數進行儀器設計，這將導致儀器設計存在一定局限性。李曉天指出，大家應充分發揮光柵在光譜儀器研製中的重要作用，如根據儀器光路結構，去優化光柵參數再去定製該光柵，將大大提高儀器性能。一代光柵對應著一代光譜儀，若能進一步提出新的光柵設計參數或者新的光柵類型，則有望產生新一代光譜儀器！以新型的中階梯光柵、離子束-刻蝕全息光柵、體全息光柵、超環面光柵、各類其它非球面光柵以及特殊類型光柵為核心元件的光譜儀器將逐步登上我國的歷史舞臺。

此外，對於大家關注的科研成果轉化問題，李曉天也談到，我國在光譜儀器研發方面已具有多年的經驗積累，也取得了較好成績，但是，企業與科研院所之間存在一定的技術脫節，也就是說科研院所把光譜儀器研發後，並沒有與企業形成較好的對接。不過，他也提到，目前國家已經形成一些激勵政策，相信未來科研院所和企業會形成的良好合作模式。

附註：李曉天副研究員課題組隸屬於國家光柵製造與應用工程技術研究中心（簡稱為國家光柵工程中心），該中心擁有60年以上的光柵研製及光譜儀器研發經驗，具有完善的光柵製造設備、豐富的光學設計及精密裝調技術、光譜儀標定設備、精密微動工作檯、精密光學檢測儀器、光學系統計算輔助裝調設備等，具有自主研製高刻線密度光柵、中階梯光柵和多種全息光柵等能力。先後研製出中型和大型攝譜儀、紅外分光光度計、紫外分光光度計、大型真空紫外單色器、空間太陽紫外光譜輻照監視器、可見和紅外高解析度成像光譜儀、中階梯光柵光譜儀、凸面光柵光譜儀、微型生化分析儀、近紅外水分分析儀、近紅外糧食成分分析儀、螢光在線水中油測試儀等儀器。[來源：（儀器信息網 編輯：葉建）]