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于海利:感受色彩的眼睛大光栅
  2018-12-18
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  http://www.kepu.net.cn/gb/self/self_yj/201812/t20181211_31898.html 

  于海利 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员

  以下内容为于海利演讲实录: 

  大家好!我是于海利,来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。早在一个月之前,论坛都听了一遍,然后才开始准备。这样带来什么样的后果呢?第一,跨学科学了很多知识。第二,养成了一个不听年来实现我国光栅梦的故事。 

  我们都知道光是一种电磁波,电磁波每向前传播一个周期的距离就叫做波长。不同物质和电磁波作用的时候,都会产生自己的一组特征波长。就像我们的指纹一样,它携带了物质的具体的一些信息。我们人眼所能观测到的信息,大约是纳米这样一个光谱范围。 

  利用这样的光谱范围,我们可以观测到世间的万物。大到蓝天海洋,小到桌椅板凳,这些都是眼睛可以看得到的。如果把眼睛观测到的波段向两边扩展,是否还能有这样的光或者电磁波呢?肯定是有的。比如我们去医院做胸透或者去机场做安检用的上网的信号,它们都是电磁波,本质上都是同一种东西,只是波长有所不同。 

  如果我们用双眼就能观测到这么多信息,把波段扩展以后,我们可以观测到更多信息吗?答案是肯定的。当我们把波段扩展以后,就可以实现对 

  首先,在食品安全领域,大家很关心的一个话题是农药残留。农药残留量很少,我们尝不出来,闻不出来,也无法通过眼睛看出来,但是通过对农药残留物特征的光谱测量,可以实现对它的精确分类和光谱成分的定量分析。 

  另外在生物医疗领域,通过对特征光谱的观测,可以观测到人体组织、器官或者细胞等各个方面的病变,以及病变发生的部位和病变的趋势。我们还可以用光谱分析对人体必需的微量元素进行精确的测量,这对我们的健康是非常有意义的。 

  此外,在天文领域,我们可以利用不同特征的光谱,通过计算机合成得到这张漂亮的图片。合成的这些特征光谱可以帮助我们分析星系、星体距离地球的运行速度,甚至可以分析出星体的物质组成。综上所述,光谱分析的应用范围是十分广泛的。光栅是进行光谱分析的一个关键单元器件,用一句话来概括它的应用领域,就是遍及农、轻、重,海、陆、空,吃、穿、用的各行各业。 

  光栅在光谱仪器中是怎样应用的呢?通常在接收器上接收到的是一组含有不同波长的信息光谱,我们需要把光谱进行空间分开,然后才能进行特征波长的测量。最传统的测量器件就是棱镜,通过棱镜,我们可以进行光谱分析。 

  此外,还有另一种重要的分析器件就是衍射光栅,也就是我们今天所要介绍的主角。它同样具有空间色彩能力,并且具有更高的分辨本领和能量特性。什么是光栅呢?通过左图可以看到,这是一块大约年,我国就开始了光栅刻划机的研制工作。当时长春光机所老一辈的科学家梁浩明先生和他的团队,克服重重困难,大胆创新,研制出一台光栅刻划机。后来又几经改造,终于在制图,所有的绘图工作都是靠科研人员手工完成的,没有机床加工,也没有数控加工,但是机器的所有关键部件的精度可以和当今任何一个机床的数控加工精度相媲美。我第一次见到刻划机,是 

  米口径天文望远镜研制计划开始立项,当时打算采用毫米的衍射光栅,由于一些客观原因,这种光栅我们从国外采购不了,所以委托长春光机所进行加工研制。后来由于经费的原因,项目没有进行下去。可以说年,我们最有机会进行追赶的时候,却与机会失之交臂。可以说,这是中国的天文之痛。大型高精度衍射光栅刻划系统项目毫米的中阶梯光栅。 

  光栅的刻划原理很简单,从图中大家可以看到,它包括两个系统,一个是分度系统,一个是刻划系统。分度系统承载光栅基底,单向低速运行;刻划系统驱动基箱的是刻刀,往复运行。金刚石刻刀每在基底上刻完一条刻槽抬起来,基底往前走一个光栅常数,也就是两条刻线的距离,然后刻刀再过来再刻一条,如此周而复始完成整块光栅刻划。 

  这样一台简单的机械,对机器运行精度的要求十分高。项目要求要做到条规则的刻槽,而且精度还要达到头发丝直径的千米,把它进行等比放大,相当于我们从地球到月球来回两次的行程,刻槽的周期误差不超过微米,累计误差件的研磨螺母,我们就是花了一年时间,突破了铸铁材料、丝锥加工、丝锥研磨等一系列关键工艺技术才做出来的。有了这些研磨螺母之后才可以对丝杠进行在恒温室里面的超精密研磨。 

  超精密研磨遇到的最大困难,就是材料的应力形变,任何一个形变都可能导致我们对误差形式的判断发生失误,也会让我们加工出来的丝杠的精度受到影响。幸运的是,在米口径天文望远镜做研究的时候,保存下来了若干根丝杠的坯料,通过 

  每一个关键器件的加工,都是对我们耐心的考验和意志的捶打,是一个漫长的征程。比如导轨,它的作用类似于火车的铁轨,提供导向的作用,它需要在但是,滚柱的加工是比较困难的,因为对滚柱的精度要求是,任意选出两个滚柱,它们之间的等径差不超过余岁高龄的他亲自上阵,带领我们这些的,也就是说它满足了 

  另外一个难题就是刻划系统。刻划系统要求在整个随着项目的推进,第一套方案失败了,第二套方案也失败了,第三套方案的精度没有满足要求。那个时候,我们的项目已经进入到拖期阶段,可以说巨大的压力像乌云一样笼罩着整个项目组。虽然科研项目允许失败,但这是我们心中所不允许的。 

  事后,项目负责人跟我们说,那个时候的压力,他真是连跳楼的心情都有了。所以说那个日子对我们来说是很艰难的,不光是工作上的压力,还有心理上的压力。幸好我们还有一套方案,既然有一线机会,我们就要把握,就要争取。所以那段时间,我们绞尽脑汁想各种创新的方法,让气浮导轨的方案一定能成功。 

  它的难点主要体现在两个方面。第一,它是石头结构,不像前面介绍的分度系统采用的都是金属器件,它需要把石头材质的一个导轨加工到由于我们有分度系统的经验,再加上已经磨练出来的不怕失败、不怕吃苦的意志,最后我们还是用手工研磨的方式,把导轨从微米级的精度修整到了总结来说,这台光栅刻划机可以说是经过……

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