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为什么说光学工程是一门高大上的学科?
2018-10-26
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  你以为光学工程仅仅是光学在工程上的应用,光学的分支而已吗?naive!借着第一个国际光日的东风,大院er带你了解一下光学工程这个学科吧。 

    

  1997年,在我国“光学之父”王大珩院士的建议下,国务院学位委员会同意将“光学工程”列为工学一级学科。作为一门理工交叉的学科,光学工程光明正大地和信息科学、能源科学、材料科学、计算机科学……紧密交叉、互相渗透。 

    

  光通信与光存储、太阳能电池技术、稀土发光、光刻机、平板显示、轨道交通……这些高精尖的领域都有光学工程的参与! 

    

    

  哈勃望远镜 

    

  要说光学原理与其他学科的综合应用,最著名的例子当属哈勃望远镜。哈勃自1990年服役以来,已在轨摄影20余年。它成功弥补了地面观测的不足,是天文史上的重要仪器。 

    

  

  4000光年外的礁湖星云(哈勃摄影) 

    

  哈勃的建造是个庞大的光学工程,其建造计划一经批准,被拆分成多个子计划,由美国太空总署(NASA)的多个研究中心分摊光学系统、望远镜设计及建造、传感器的设计、地面控制等任务。 

    

  光学系统是哈勃的心脏,其采用卡塞格林式反射系统。虽然只有主次两镜,但哈勃在设计和制造上有着严格的规范,要求镜子在抛光后的面形误差应小于可看见光波长的1/20(约30纳米)。科研人员使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子,2.4米的主镜磨了3年,经费也一度超出NASA的预算。 

    

  

  卡塞格林式望远镜光路图 

    

  尽管研究人员严格控制精度,在哈勃发射升空的数星期后,其发回的图片还是产生了严重的球面像差。经分析显示,用来测量镜面质量的校正仪器存在偏差,导致实际镜面存在2微米的误差。为修正这仅仅2微米的误差,199312月,“奋进号”载着7名宇航员升空,为哈勃加装了拥有相同球差,但功效相反的光学系统。并且为给校正光学系统提供位置,舍弃了高速光度计。尽管代价巨大,哈勃戴上“眼镜”后,终于看到了无码的宇宙。 

    

 

  哈勃“戴眼镜”前、后拍摄到的图像 

    

  哈勃已工作28年,先后经历5次大修,早该退役,而其退休时间的不断延长都要怪“拖延癌”韦布空间望远镜。 

    

  韦布被认为是继哈勃望远镜后的太空探索者,其发射窗口从最初的2011年拖延至2019年春。今年3NASA又将其发射期限定在20205月左右。 

    

  不知你在了解韦布的厉害以后,能否对这个“拖延癌晚期”选择原谅。哈勃主镜2.4米,望远镜总质量11吨,观测范围为可见光;而韦布在经费缩减后,拼接主镜的等效口径仍达6.5米,可观测红外波段,体重却比哈勃轻了一倍。哈勃运行高度570千米,而韦布的目的地是距地球150万千米的第二拉格朗日点。如此远的距离,使韦布不能像哈勃一样进行维修,这项光学工程的要求真的很严格。 

    

  

  韦布与哈勃的主镜比较 

    

  韦布可观测红外波段,而红外探测主要依据物体发出的热量,因此必须严格避免周围热源的干扰。韦布拥有一把“遮阳伞”,用以遮蔽来自太阳、地球,甚至月球的热量。遮光板共五层,每一层完全展开占地面积约300平方米,但厚度却不到50微米。在运载火箭中,韦布的遮阳板是收起状态,进入太空后展开,其展开机构共计100个。韦布的上一次延期就是为继续测试遮光板的展开工艺。 

    

  其实哈勃也经历过发射窗口推迟。空间望远镜工作条件苛刻,设计制造涉及学科广泛,是极其复杂的光学工程。期待有朝一日,韦布拍摄出比哈勃更为遥远的宇宙,给人类带来巨大的惊喜。 

    

  

  期待JWST带来的巨大惊喜 

    

    

  30米地基望远镜 

    

  接下来,我们来谈谈地基望远镜。 

    

  望远镜制造中,口径的大小非常的关键,大口径的望远镜是天文学家的 “武器”,没了它,再聪明的天文学家也只能巧妇难为无米之炊。根据瑞利判据最小分辨角的公式,,当波长不变的时候,口径D越大,则分辨角α越小,分辨率越高。故而,在过去的几百年,望远镜的发展就是一个越做越大的过程。 

    

  自上个世纪九十年代以来,各国陆续建成810米地基望远镜,组成了最强望远镜阵容。最近十年以来,国际上又提出了30-40米的大口径望远镜计划,未来十年,光学望远镜很有可能会走向下一个纪元。 

    

  

  TMT正面图 

    

  比如著名的TMT红外天文望远镜计划,30米望远镜(Thirty Meter TelescopeTMT)是由美国加州大学和加州理工学院负责研制的,新一代的巨型光学天文观测设备。这项计划的预算大概是在9.712亿美元之间,建造地址计划在莫纳克亚山上,这是全世界最佳观测宇宙的地点之一。 

    

  

  TMT概念图 

    

  它的目标将定位于暗能量、暗物质、星系在过去130亿年的聚合和发展、超质量黑洞和星系之间的联系、在太阳系外的星球上搜寻生命等科研任务。 

    

  

  TMT效果渲染图 

    

  整个项目由多个国家共同参与建设,包括美国、日本、加拿大等等。其中,我国主要以“实物贡献”的方式参与其中。在TMT建成以后,中国作为主要合作伙伴之一,将获得与实物贡献成比例的观测时长来获得相应的科学回报。国家天文台天体物理学教授毛淑德认为,对于中国来说,这将是一次巨大飞跃。 

    

    

  光刻机 

    

  芯片的重要性已经有目共睹,为了维持互联网产业的繁荣,我国每年要花两千亿美元在芯片上,超过总进口的百分之十。(数据来源:国家统计局《中华人民共和国2017年国民经济和社会发展统计公报》)而要制造一颗芯片,需要经过5000多道工序,其中光刻机,便是最重要的一环之一。不夸张地说,光刻机代表着精密仪器的最高水平之一。 

    

  

    

  和传统的人手、机床等原始工具不同,光刻机是使用光作为自己的“刀”来对结构进行加工的。光刻机的这把刀,可谓是既锋利又精密。就量产精度而言,第四代光刻机可以达到22纳米,第五代光刻机可以达到5纳米,而实验室里甚至可以实现1纳米!我们以22纳米为例,普通人的头发直径约80微米,是22纳米的3600多倍。完全可以围绕一根头发刻一副北京地图出来。 

 

  光刻过程的示意图 

    

  实际上,光刻的原理不难,难还是主要难在光刻机的制造上。光刻机的镜头、光源生产、机械结构,几万个小元件的调整与制造,任何一点拿出来都是某个领域最强者的独门绝技。ASML(高端光刻机的垄断者)的总裁温彼得曾经说过,如果说,光刻机镜头有整个德国那么大,那么形变最大的地方,不能高过一公分。可见对于机器制造来说,这种要求是多么的苛刻。 

    

  

  光刻机的原理图 

    

  全世界最高端的光刻机产自荷兰的ASML公司,它是世界最高端的光刻机生产者,也是唯一的生产者。它所生产的极紫外光刻机(EUV光刻机),可以前所未有地突破22纳米制程限制,被称为第五代光刻机。 

    

  

  AMSL生产的光刻机 

    

  我国在芯片领域落后国际良多,需要加速追赶。国内量产精度最高的光刻机也不过90纳米,实验室里也只能实现22纳米。不过,中国科学院长春光机所在极紫外光刻方面首次完成了32nm光刻机的研制,在该方面迈出国内第一步,为未来的研究打下了良好的基础。 

    

  

 
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