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(chàngpiàn)到光盘，人类为何着迷于在物体表面刻细密(xìmì)的条纹？因为细密的条纹用处实在太多了！

较为古早的黑胶唱片，它用于录制与(yǔ)复现音乐。记录音乐时，声音导致气压波动，气压的波动驱动刻针(kèzhēn)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(shì) 0.1~0.16 mm。

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之后出现了 DVD 光盘，能够存贮(cúnzhù)各类数字化的文档。光盘的条纹更加密集，相比于黑胶唱片，光盘的刻录工具从刻针变为激光，生活中(zhōng)用到(dào)的光盘刻痕宽度是(shì) 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。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(fēnwéi)向不同方向传播的光束(guāngshù)，光盘上分布(fēnbù)规律的条纹便是如此。

自然界(zìránjiè)中(zhōng)也存在着天然的光栅。例如，蝴蝶翅膀上分布(fēnbù)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，呈现出绚丽的颜色。

举个更好“吃”的例子，如果发现切开(qièkāi)的卤牛肉泛着绿光，先别急着扔，不是牛肉坏了，而是(érshì)切面的牛肉纤维分布规律，起到了光栅(guāngshān)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，人们需要条纹更密集、规模更大的光栅。当前，人工(réngōng)刻划(kèhuá)的光栅发展到什么程度了呢？

近期，中国科学院长春(chángchūn)光学精密机械与物理(wùlǐ)研究所巴音贺希格和李文昊团队在大(dà)口径光栅的高精度制作方法上取得了突破，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：参考文献(cānkǎowénxiàn)[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。相当于在长 1.5 km 的平面上刻画线条(xiàntiáo)，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大型光栅，它到底有哪些用处(yòngchǔ)呢？

大口径的光栅是(shì)激光核聚变中提升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(jiārè)物质(wùzhì)，使得物质的(de)原子核碰撞到一起，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(kěkòng)的核聚变，它可能成为人类未来的能量来源。

光栅能将(jiāng)同一个(tóngyīgè)方向入射的不同(bùtóng)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。在激光核聚变装置中，利用激光照射物质使其(qí)产生聚变需要极高功率的激光，小尺寸的光栅很(hěn)容易被激光破坏，只有长度在一米量级的光栅能够承担如此重任，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。

激光器发出的(de)是脉冲激光，假设激光的能量(néngliàng)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)光栅展宽了，也就是脉冲的持续时间(chíxùshíjiān)变(biàn)长，能量(néngliàng)还是 1 J，持续时间变成 10 s，平均功率(píngjūngōnglǜ)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(yígè)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。

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

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

用处(yòngchǔ)二：制作光栅尺，

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(yuánqìjiàn)，首先需要有能够对元件进行高精度测量的尺子。

测量器具有两个重要指标：可以(kěyǐ)量多远，称为(chēngwéi)量程(liángchéng)；可以量多精，称为精度。卷尺(juǎnchǐ)能够量数米长的物体，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(liángchéng)似乎不可兼得，一些应用却要求(yāoqiú)测量精度高，量程还必须大，这就构成了尖锐的矛盾。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(zhèyī)问题，很好地满足了工业界的要求。

目前(mùqián)，绝大多数的超精密加工机床(jīchuáng)都配备了光栅尺，从而能够高精度地加工大型零部件。典型的光栅尺由标尺光栅与指示光栅组成，标尺光栅往往(wǎngwǎng)长度(chángdù)在米级，指示光栅比标尺光栅短得多。两个光栅的条纹方向稍有不同(bùtóng)，当两个光栅之间发生相对移动时，微小的移动会被(bèi)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。

传感器探测(tàncè)到莫尔条纹的变化，能够反推出两个光栅的相对(xiāngduì)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(jīngdù)能达到微米或纳米量级。

两个光栅叠加(diéjiā)产生“莫尔条纹”示意图。图片来源：作者自制

正如光栅设计、制造领域的著名科学家 G.R.Harrision 评价的那样，很难(hěnnán)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，他们都将光栅作为非常精确(jīngquè)的工具。

如果没有它，现代科学的发展将受到极大的阻碍(zǔài)。

[2]吴宏圣(wúhóngshèng),曾琪峰(céngqífēng),乔栋,等.提高光栅莫尔条纹(tiáowén)信号质量的滤波方法(fāngfǎ)[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(guāngxué)精密机械与物理研究所