技术突破！我国科学家制造出大口径光栅，能制造超强激光

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

较为(jiàowéi)古早的(de)黑胶唱片，它用于录制与复现音乐。记录音乐时，声音导致气压波动，气压的波动驱动(qūdòng)刻针在唱片的表面划出深浅不一的刻痕(kèhén)，刻痕在唱片表面形成了环形条纹，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(de)文档。光盘的条纹更加密集，相比(xiāngbǐ)于(yú)黑胶唱片，光盘的刻录工具从刻针变为激光，生活中用到的光盘刻痕宽度是 300~700 nm。观察光盘发现，光照(guāngzhào)到光盘表面时，产生了彩虹光晕(guāngyùn)，这反映了细密条纹除记录信息外的另一大本领：分光！

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

自然界中也存在(cúnzài)着天然的光栅。例如，蝴蝶翅膀(chìbǎng)上分布着许多微小鳞片，它们组成的光栅造成光的衍射，将光线分开，呈现出绚丽(xuànlì)的颜色。

举个更好“吃”的例子，如果发现切开的卤牛肉泛着绿光，先(xiān)别急着扔，不是牛肉坏了(le)，而是切面(qiēmiàn)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(wǒguó)科学家制造出大型光栅

在一些特定领域，人们需要条纹更密集、规模更大的光栅(guāngshān)(guāngshān)。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(guāngxué)精密机械与物理研究所巴音贺希格和李文昊团队在大口径光栅的高精度制作方法(zhìzuòfāngfǎ)上取得(qǔde)了突破，制造出了长达 1.5 m 的高精度光栅。

长达 1.5m 的大型光栅。图片来源(láiyuán)：参考文献[1]

如此长(zhǎng)(zhǎng)的光栅，它的每一条刻痕宽 300 nm，在整个光栅区域内(nèi)，刻痕之间的位置差异不超过 10 nm。相当于在长 1.5 km 的平面上刻画线条，线条之间的距离(jùlí)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(de)大型光栅，它到底有哪些用处呢？

大口径的光栅是激光核聚变中提升激光功率的的核心(héxīn)元件。

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

光栅(guāngshān)能将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(huìjù)在一起。在激光核聚变装置中，利用激光照射物质使其产生聚变需要极(jí)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(jìnyíbùtígāo)激光功率。

激光器发出的(de)(de)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，被(bèi)光栅展宽(zhǎnkuān)了(le)，也就是脉冲的持续时间(chíxùshíjiān)(chíxùshíjiān)变长，能量还是 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(tígāo)到了 100 W。

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

啁啾脉冲(màichōng)放大技术示意图。图片来源(láiyuán)：NobelPrize.org

用处二：制作(zhìzuò)光栅尺，

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

测量(cèliáng)器具有两个重要指标：可以(kěyǐ)量多远，称为量程(liángchéng)；可以量多精，称为精度。卷尺能够量数米长的物体，最小刻度为 1 mm；20 分度(fēndù)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，一些应用却要求测量精度高，量程还必须大，这就(jiù)构成了尖锐的(de)矛盾。而由大尺寸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(wèntí)，很好地满足了工业界的要求。

目前，绝大多数的超精密加工机床都配备了(le)光栅尺，从而能够高精度地加工大型零部件。典型的光栅尺由标尺(biāochǐ)光栅与指示(zhǐshì)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(liǎnggè)光栅的条纹方向稍有不同，当两个光栅之间发生相对移动时，微小的移动会被两个光栅叠加产生“莫尔(mòěr)条纹”。两个光栅之间的细微移动，表现为莫尔条纹更加(gèngjiā)明显的变化，细微的变化被放大了，也就更加容易测量。

传感器探测到莫尔条纹的变化，能够反推出(tuīchū)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(gèngzhǎng)，测量精度能达到微米或(huò)纳米量级。

两个光栅(guāngshān)叠加产生“莫尔条纹”示意图。图片来源：作者自制

正如光栅(guāngshān)设计、制造领域的著名科学家 G.R.Harrision 评价的那样，很难再找到(dào)一个像光栅这样的器件，它为(wèi)科学研究的绝大多数领域都带来了精密的实验数据，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，现代科学的发展将受到极大(jídà)的阻碍。

[2]吴宏圣,曾琪峰,乔栋,等.提高(tígāo)光栅(guāngshān)莫尔条纹信号(xìnhào)质量的(de)滤波方法[J].光学精密工程, 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