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一缕光可以分解出多少种色彩？当今技术所能达到的最高理论值是：四亿两千种。这正是中国日前成功刻制出的一种精密光学元件——中阶梯光栅的“拿手好戏”。
中国科学家将通过这双感知色彩的最强“眼睛”，更精确地破解各种物质的“身份密码”，并在天文观测、激光通信、高能激光器、信息存储、新能源等领域发挥巨大作用。
在中国科学院长春光学精密机械和物理研究所（以下简称“长春光机所”）的一间实验室里，这一世界上面积最大、精度最高的中阶梯光栅，就像一块银灰色、不透明的“玻璃窗”，平平无奇。但是，当数以百万计的色彩从它的身体里折射出来时，它宛若宇宙的“魔方”。 
由长春光机所刻制出的高精度中阶梯光栅，它是当前世界上已知精度最高、面积最大的光栅
解析物质的“身份密码” 光栅，顾名思义，就是光的栅栏。其实，世间万物本无“颜色”，我们感知到的色彩，只是光在物体上被吸收、反射后，再折射到我们的眼睛里，在人脑中根据生活经验产生了视觉效应。
缤纷的花朵、绿色的田野、黄色的沙砾……在光谱科学家看来，世间万物都发射着不同的光波。从微观的角度看，不同元素、不同分子结构都可以让一个物体拥有不同的特征波长。因此，物质的光谱信息就像人的指纹一样，是分析其物质成分的“身份密码”。
“光栅越强，我们能分析出的物质成分就越多，就能更深入地探究世界的奥妙。”项目负责人唐玉国说。一般来说，光栅面积越大，集光率和分辨本领就越高；光栅的精度越高，信噪比就越低。但是，同时将光栅“做大”和“做精”则属于世界性难题。
长春光机所成功制刻出的中阶梯光栅面积为400毫米×500毫米，比当前世界上可知最先进的、应用在美国夏威夷凯克天文望远镜上的光栅，更大、更精密。它在１毫米的范围内有6000个刻槽，精度达到了惊人的10纳米。
这样一块中阶梯光栅有多强？唐玉国以常见的“彩虹七色”红橙黄绿青蓝紫举例，“一个最有经验的油漆工最多可以辨别出1000多种色彩的微妙变化，而中阶梯光栅在理论上能够分辨出约四亿两千种，是人眼的几十万倍。” 
由长春光机所研制的大型高精度光栅刻划机填补了国内空白。
用手磨出的“精密机械之王” 工欲善其事，必先利其器。在电子显微镜下放大十万倍去观察中阶梯光栅，会发现它的截面是由一个个形状一致、间距相等的阶梯状直角三角形组成，表面就如同平铺的楼梯。
正是这种特殊的阶梯结构，让中阶梯光栅有了超高的光谱分辨能力。而一刀一刀刻划出如此繁复、精确结构的，是一台几乎所有关键部件都冲击世界极限水准的母机——“大型高精度衍射光栅刻划机”。
有多极限？长春光机所光栅技术研究中心主任巴音贺希格说，刻槽用的金刚石刀在约20公里的行程范围内，要保证刻槽间距误差小于头发丝粗细的一千分之一，背后是上千个元件、部件“妙到毫巅”的配合。
由于部件加工装调、运行保障的精度要求极高，光栅刻划机也被誉为“精密机械之王”。在2009年启动之初，首要的研制难题就是刻划系统“三大件”——丝杠、蜗轮、导轨。由于现有机床技术远远达不到精度要求，长春光机所的研究团队采用了不可思议的传统“手磨加工”。
中国第一台光栅刻划机研制的参与人之一、80岁高龄的专家张泰亲自上阵，带领一群由博士、硕士组成的科研团队不分昼夜地研磨、加工和监测，用近1年加工出丝杠，又用了六个月加工出蜗轮、八个月加工出导轨。
“有一次，我们去外面交流。一握手，别人都说，你们的手不像科学家，倒像工人。”巴音贺希格笑着回忆道。 
这是用手打磨出的光栅刻划机丝杠
未来或助力寻找地外文明 “人类借助光认识物质世界有两种方式：一种是光学成像，它能够使我们获得物质的外貌特征；另一种就是光谱分析，它能够使我们获得物质的构成信息。”巴音贺希格说。
在日常生活中，人们好像很少看到光栅，但光栅就在身边。比如，人们去医院抽血检验，原理就是用电子显微镜里的光栅，观察血液里的成分是否符合健康标准。
唐玉国说，光栅广泛应用在“农轻重、海陆空、吃穿用”等各领域。通过分析不同物质的光谱，人们可以探查出农药残留、钢材品质、爆炸物特性等许多重要信息，“它既能看天，也能看地、看人”。
高精度、大尺寸光栅的刻制成功，对于普遍人的生活来说，意味着什么？巴音贺希格认为，它的作用不能简单地以“现在能做什么”来衡量。
他说：“一方面，它代表中国的精密机械加工技术达到世界水准；另一方面，高精度光栅会被使用在大型光学系统、远程探测与识别、高分辨率对地观测、导弹预警等领域，这些最终都会造福民众。”
有趣的是，这双感知色彩的最强“眼睛”或许还将帮助人类寻找到地外文明的“蛛丝马迹”。
“未来美国、中国的光学望远镜都可能装备上中国制造的高精度中阶梯光栅，”南京天文仪器研究所研究员朱永田透露到，科学家将通过它，“捕捉”到某个星球上有类似地球的元素，甚至生命迹象。
来源：新华社
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发表于 2016-11-29 13:58:08
