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(cóng)黑胶唱片到光盘，人类为何着迷于在(zài)物体表面刻细密的条纹？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(shēngyīn)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，刻痕在唱片表面形成了环形(huánxíng)条纹，刻痕宽度大约是 0.1~0.16 mm。

图库版权图片，转载使用可能引发(yǐnfā)版权纠纷

之后出现(chūxiàn)了 DVD 光盘，能够存贮各类数字化的文档。光盘的条纹更加密集，相比于(yú)黑胶唱片(chàngpiàn)，光盘的刻录工具从刻针变为激光，生活中用到(dào)的光盘刻痕宽度是 300~700 nm。观察(guānchá)光盘发现，光照到光盘表面时，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！

图库版权图片(túpiàn)，转载使用可能引发版权纠纷

具备这种本领的结构，人们称为(chēngwéi)光栅。光栅是一种具有规则(guīzé)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的光束，光盘上分布规律(guīlǜ)的条纹便是如此。

自然界中也存在着天然的(de)(de)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，呈现出绚丽的颜色。

举个更好“吃”的(de)例子，如果发现切开的卤牛肉(niúròu)泛着绿光，先别急着扔，不是牛肉坏了，而是切面的牛肉纤维分布规律(guīlǜ)，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

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

近期，中国科学院长春光学精密机械(jīngmìjīxiè)与物理(wùlǐ)研究所巴音贺希格和李文昊团队在大口径(kǒujìng)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(túpiàn)来源：参考文献[1]

如此长的(de)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，它到底有哪些用处呢(ne)？

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(néngliàng)。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(tā)可能成为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在一起。在激光核聚变装置中，利用激光照射物质使其产生(chǎnshēng)聚变需要极高功率(gāogōnglǜ)的激光，小(xiǎo)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(rúcǐ)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，假设激光的能量是 1 J，脉冲持续时间(chíxùshíjiān)是1 s，则激光的平均功率是“能量÷持续时间=1 W”。

脉冲(màichōng)通过光栅后，被(bèi)光栅展宽了，也就是脉冲的持续时间(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(zēngjiā)到(dào) 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(yāsuō)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(jìshù)就叫做“啁啾脉冲放大技术”，该技术在(zài) 2018 年获得了诺贝尔物理学奖。利用这一技术，我国当前的(de)高能激光功率已经提升到了拍瓦量级，也就是 1 亿亿 W。

啁啾脉冲放大技术示意图(shìyìtú)。图片(túpiàn)来源：NobelPrize.org

用处二：制作光栅尺(guāngshānchǐ)，

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

测量器具有(jùyǒu)两个重要(zhòngyào)指标：可以量多远，称为(wèi)量程；可以量多精，称为精度。卷尺能够量数米(shùmǐ)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，这就构成了尖锐的矛盾。而由大尺寸光栅作为主要零部件制作(zhìzuò)而成的光栅尺就能解决这一(zhèyī)问题，很好地(dì)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(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。两个光栅的条纹方向稍有不同，当两个光栅之间(zhījiān)发生相对移动时，微小(wēixiǎo)的移动会被两个光栅叠加产生“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。

传感器探测到莫尔条纹的变化，能够反推出两个(liǎnggè)光栅的相对移动距离。利用该技术制作而成的光删尺(shānchǐ)，量程可达到(dádào)一米甚至更长，测量精度能达到微米或纳米量级。

两个(liǎnggè)光栅叠加产生“莫尔条纹”示意图。图片来源：作者自制

正如光栅设计(shèjì)、制造领域的著名科学家(kēxuéjiā) 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带来了(le)精密的实验(shíyàn)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。

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,曾琪峰,乔栋(qiáodòng),等.提高光栅莫尔条纹信号(xìnhào)质量的滤波(lǜbō)方法[J].光学(guāngxué)精密工程, 2011, 19(008):1944-1949.DOI:10.3788/OPE.20111908.1944.

作者丨海里的(de)咸鱼 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所