技术突破！我国科学家制造出大口径光栅，能制造超强激光

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

较为古早的(de)黑胶唱片，它用于录制与复现音乐(yīnyuè)。记录音乐时，声音导致气压波动，气压的波动驱动刻针在唱片的表面划出深浅不一的刻痕，刻痕在唱片表面形成了环形(huánxíng)条纹(tiáowén)，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，相比于黑胶(hēijiāo)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(lìng)一大本领(běnlǐng)：分光！

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具备这种本领的(de)结构，人们称为光栅。光栅是一种具有(jùyǒu)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，光盘上分布规律的条纹便是如此。

自然界中也存在着天然的光栅。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(chéngxiànchū)绚丽(xuànlì)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(lǜguāng)，先别急着扔，不是牛肉坏了(le)，而是切面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。

我国科学家制造(zhìzào)出大型光栅

在一些特定(tèdìng)领域，人们需要条纹更密集、规模更大的光栅。当前，人工刻划的光栅发展到什么程度(chéngdù)了呢？

近期，中国科学院长春光学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(gāojīngdù)制作方法上取得了突破(tūpò)，制造(zhìzào)出了长达 1.5 m 的高精度光栅。

长达(dá) 1.5m 的大型光栅。图片来源：参考文献[1]

如此长的(de)光栅，它的每一条刻痕宽 300 nm，在整个(zhěnggè)光栅区域内，刻痕之间(zhījiān)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(xiàntiáo)，线条之间的距离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(dàxíng)光栅，它到底有哪些用处呢？

大口径的(de)光栅是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(zhǐ)利用高能激光加热物质，使得物质的(de)(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(shòu)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，它可能成为人类未来的能量来源。

光栅能将同一个方向入射(rùshè)的不同颜色(yánsè)光分开，同样(tóngyàng)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(jīguāng)核聚变装置中，利用激光照射物质使其产生聚变需要(xūyào)极高功率的激光，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(jīguāng)器发出的(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，被光栅展宽了，也就是脉冲的(de)持续时间变长(zhǎng)，能量(néngliàng)还是 1 J，持续时间变成 10 s，平均功率为(wèi) 0.1 W；经过放大装置，脉冲能量增加(zēngjiā)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(màichōng)放大技术”，该(gāi)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(gōnglǜ)已经提升到了拍瓦量级，也就是 1 亿亿 W。

啁啾脉冲放大(fàngdà)技术(jìshù)示意图。图片来源：NobelPrize.org

用处二：制作光栅尺(guāngshānchǐ)，

现代工业对测量技术有(yǒu)极高的要求。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(cèliáng)(liàng)器具有两个重要指标：可以量多远，称为量程；可以量多精(jīng)，称为精度。卷尺能够量数米长的(de)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。

精度与量程似乎不可兼得，一些应用却要求测量精度高(jīngdùgāo)，量程还必须大，这就构成了尖锐的矛盾。而由大尺寸(chǐcùn)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，很好(hǎo)地满足了工业界的要求。

目前，绝大多数(juédàduōshù)的超精密加工机床都配备了(le)光栅(guāngshān)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，标尺光栅往往长度在米级，指示光栅比标尺光栅短得多。两个光栅的条纹方向稍有(yǒu)不同，当两个光栅之间发生相对移动时，微小的移动会(huì)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(mòěr)条纹的变化，能够(nénggòu)反推出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纳米量级。

两个光栅叠加产生“莫尔(mòěr)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，很难再找到一个像光栅这样的器件，它为科学研究的绝大多数领域都(dōu)带来了(le)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的工具(gōngjù)。

如果没有它，现代科学的发展(fāzhǎn)将受到极大的阻碍。

[2]吴宏圣(wúhóngshèng),曾琪峰(céngqífēng),乔栋(qiáodòng),等.提高(tígāo)光栅莫尔条纹信号质量的滤波方法[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