大型高精度衍射光柵刻劃機獲“中國好設計”金獎

文/本刊記者 李雪敏

由中科院長春光機所承擔的國家重大科研裝備研制項目——大型高精度衍射光柵刻劃機榮獲2018“中國好設計”金獎。中科院長春光機所是中國在光學領域建立的第一家研究所，上世紀50、60年代，該所研制出中國第一臺紅寶石激光器、第一臺大型電影經緯儀等十幾項“中國第一”的光學儀器設備，因此被譽為中國“光學的搖籃”。

人類借助光認識世界有兩種方式，一種是光學成像，另一種是光譜分析。光譜信息就如同指紋，是標示出物質成分的“身份證”。光譜分析離不開光譜儀，而光柵就是光譜儀中最常用的核心色散元件。

長春光機所研究員、該項目技術負責人齊向東講道：“可以說光柵應用的領域遍及農輕重、海陸空、吃穿用等各行各業。雖然我們在生活中很難直接看到光柵的身影，但它卻實實在在地影響著人們的生活”。

光柵

大光柵刻劃機系統

中階梯光柵

光柵刻劃機絲杠

早在1958年，中科院長春光機所就研制出了國內第一臺光柵刻劃機和第一塊光柵，我國第一顆原子彈爆炸試驗的光譜設備就曾經使用過這里研制的光柵。此后，這里從未間斷對光柵研制技術、超精密加工技術等方面的研究，為我國大面積高精度中階梯光柵的研制打下了堅實基礎。隨著科學技術的不斷發展，大面積高精度光柵又成為了制約我國相關領域技術發展的“短板”。因此，2008年，在中國科學院和財政部的策劃協調下，長春光機所再次承擔起了研制“大型高精度衍射光柵刻劃系統”的任務，該項目目標為研制一臺刻劃面積世界之最、技術水平達國際領先的大型高精度衍射光柵刻劃機，并于2009年1月正式啟動。項目全體研究人員鄭重地承接起了實現中國“光柵夢”的光輝使命。

衍射光柵是一種具有納米精度周期性微結構的精密光學元件，它在光譜學、天文學、激光器、光通訊、新能源等諸多領域中占有重要應用。光柵面積大可獲得高集光率和分辨本領，精度高可獲得更好的信噪比，而將光柵做大和做精是世界難題。我國戰略高技術領域所需要的高精度大尺寸光柵長期受到國外嚴格限制，這成為制約我國相關領域技術發展的短板。光柵刻劃機是制作光柵的母機，因部件加工裝調精度之難，運行保障環境要求之高，被譽為“精密機械之王”。因此，研制出一臺能滿足國家需求的光柵制造儀器是中國幾代“光柵人”的夢想。

大光柵刻劃機由上千個元件、部件精妙配合而成，幾乎大部分關鍵部件都沖擊著機械加工的世界極限水平。研制一臺面積達400mm×500mm中階梯光柵的刻劃機，要求其刻槽精度相當于在約20公里行程范圍內刻槽間距誤差小于頭發絲直徑的千分之一，這無疑稱得上是精密機械“王中之王”。

承擔這個艱巨任務的是一支年輕的團隊，35歲以下年輕人占80%。團隊成員在攻關過程中，不怕失敗、大膽創新，在超精密機械設計和加工領域取得了一系列重大技術突破。項目研制期間，項目組突破了一系列核心高精度零件的加工制造技術。以刻劃機的“心臟”——絲杠為例，研究人員經過誤差分解發現，絲杠每旋轉一周的周期誤差應低于200nm。然而，這種精度的絲杠不僅國外對我國禁運，而且遠遠超出了國家標準的最高精度等級。國內更是沒有一套機床能達到要求。面對難題，課題組決定采用傳統機械加工方法——手工研磨。我國第一臺光柵刻劃機研制的參與人之一、80歲高齡的老專家張泰親自上陣，提出多項創新性研磨、加工和監測思路，不分晝夜，帶領團隊歷時近1年時間，終于加工出了這根絲杠。

項目組還創新性地提出“三基準合一、分體工裝、組合加工”的小模數、大尺寸蝸輪蝸桿副研制新工藝，提出“幾何誤差五步排列消除法”研磨出超高精度、大行程三角螺紋絲杠，提出“縱后橫、配對研磨、化V為平、光學拋光”方法研制出精密雙V型滾柱導軌副等關鍵部件，這些技術突破在客觀上也帶動了我國精密機械領域的技術快速發展。這些年輕的博士、碩士，依靠雙手打造出一件件納米量級的機械零件，用青春的執著傳承著幾代光柵人的工匠精神。

2016年11月，歷經八年刻苦攻關，大光柵團隊突破了精密機械加工、高精度微位移控制等18項關鍵技術，研制出了大型高精度光柵刻劃系統，并刻劃出面積達400毫米×500毫米、精度為10納米的光柵，這也是目前世界上面積最大的中階梯光柵，標志著我國大面積高精度光柵制造達到國際先進水平，結束了我國在高精度大尺寸光柵制造領域受制于人的局面，實現了我國幾代科研工作者的“光柵夢”。

“該成果是中國科研工作者工匠精神的集中體現。”國家科技部原副部長、項目驗收專家組組長曹健林評價稱，大型高精度光柵刻劃系統以及大面積中階梯光柵的研制成功，能促進我國光譜儀器行業擺脫“有器無心”局面，幫助光譜儀器產業改變低端化現狀，提升了我國在該領域拓展國際市場的能力。

2016年12月，科研人員在長春光機所實驗室大光柵刻劃機前進行試驗