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工科中的高大上先生——光学工程
  2018-05-24
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  借此国际光日,小编带你了解一下光学工程这个牛逼的学科。光学工程不就是光学在工程上的应用嘛,光学的分支而已 

  呵,naive 

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、各有一腿

  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……这些高精尖的工程领域都有光学工程的参与。接下来小编就领你见识一下这位工科中的高大上先生——光学工程。

  光学工程与空间望远镜 

  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,帮助天文学家解决天文学基本问题,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,哈勃带上“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,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。小编期待有朝一日,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 

  光学工程与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 

  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。这项计划的花销大概是在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 

  它的目标将定位于关于暗能量、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承办,包括美国、日本、加拿大、中国等,其中中国主要是以提供物的形式支持项目的建造。加入项目后,南京天光所、长春光机所、理化所、光电所等机构都在不同方面为该项目奉献着力量。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。 

  光学工程与光刻机 

  不夸张地说,光刻机代表着精密仪器的最高水平之一。

  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进口上,占总进口百分之十。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。

 

  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,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。其中,我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。

  光刻机本来就是西方国家多年来的积累,我国没有经历过西方世界百年来的工艺钻研,底子不厚,技不如人,也是无可厚非。未来,我国会在这个领域快速追赶,相信华夏儿女多奇志,总有一天国产芯片也能走向全球。

  总结 

  光学不仅是基础科学,也是技术科学。当光作为技术科学,应用于人类生产活动中时,能够扩展人们的视觉、听觉和触觉等功能,这包含了人体感觉的90%之多。

  王大珩院士在《论光学工程》中写道,“光、机、电、算”已成为现代工程与技术的主要内涵。光的含义也已远远超出传统意义上的望远镜、显微镜等光学仪器。当前的光学仪器(其中大部分指测试计量仪器)已进入光(光学)、机(精密机械)、电(电子)、算(计算机)相结合的光电子技术的新时代。它表现在多功能、高效率的光机电算一体化,技术手段的自动化、智能化、数字化、获取数据从静态转向动态,从有感信息到无感信息。

  最后,小编借在光学界广为流传,王大珩先生曾为自己填的词抒怀:

  光学老又新,前程端似锦。

  搞这般专业很称心!

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