大型高精度衍射光柵刻劃機

大型高精度衍射光柵刻劃機（大型高精度衍射光柵刻劃系統），是一種用於信息科學與系統科學、物理學、天文學、軍事學領域的儀器，於2014年05月09日啟用。2008年底，“大型高精度衍射光柵刻劃系統”項目獲得國家重大科研裝備研製項目支持，並於2009年1月正式啟動。2016年11月11日，項目通過驗收。

基本介紹

• 中文名：大型高精度衍射光柵刻劃機 
• 學科領域：信息科學、系統科學、物理學、天文學、軍事學 
• 啟用日期：2014年05月09日 
• 歸屬項目：大型高精度衍射光柵刻劃系統研製 
• 項目啟動日期：2009年1月 
• 項目驗收日期：2016年11月11日 

研製背景

在單縫衍射中，縫越窄，衍射現象越明顯，但隨之而來的問題是由於狹縫變窄而使通過狹縫的光能量減小，衍射明紋的強度也就減弱，以致條紋分辨不清；而如果增大狹縫寬度，雖然條紋有足夠的亮度，但條紋擠得很密不易分辨。因此，用單縫來確定光波波長是有困難的，為了獲得亮度高、條紋細、分得開的明暗紋，更加清楚地觀察衍射現象，我們引入了大量等寬、等間距的平行狹縫組成的光學元件，這就是光柵。

光柵不僅是各類光譜儀器的“心臟”，同時在光通信、雷射器、雷射慣性約束核聚變等眾多領域都有非常重要的套用。光柵面積大可獲得高集光率和分辨本領，精度高可獲得高信噪比，但同時將光柵“做大”和“做精”，離不開光柵的母機——大型高精度衍射光柵刻劃機。

歷史沿革

我國製造大面積高精度光柵，主要源自天文領域迫切的套用需求。早在1958年，我國就把研製2.16 m口徑光學天文望遠鏡列為國家重點研究項目；該望遠鏡於1989年安裝於中國科學院國家天文台興隆觀測站並正式投入使用，並榮獲國家科技進步獎一等獎。項目實施過程中，於1979年11月召開該望遠鏡光譜儀研討會，計畫首期使用2塊306 mm×408 mm中階梯光柵。由於美國對大光柵實施禁運，決定由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（長春光機所）在1983年前自主完成研製任務。但由於資金限制，研製工作沒有能夠按照原計畫持續下去。

長春光機所是我國光柵的發源地，1959年自主研製出國內第一台光柵刻劃機，1964年第一塊光柵誕生，並支持了我國第一顆核子彈爆炸試驗的光譜分析工作。此後，從未間斷對光柵研製技術、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製打下了堅實基礎。2008年底，獲得國家重大科研裝備研製項目支持，再次開展“大型高精度衍射光柵刻劃系統”的研製工作，並於2009年1月正式啟動。

2016年11月11日，中國科學院條件保障與財務局在長春光機所組織召開了國家重大科研裝備研製項目“大型高精度衍射光柵刻劃系統研製”驗收會。專家組聽取和審查了相關報告和材料，並現場考察了儀器設備運行情況，經質詢和討論，一致同意項目通過驗收。

技術指標

大型高精度衍射光柵刻劃機的主要技術指標為：光柵衍射波前1/3λ，光柵雜散光0.0001，光柵刻線密度可達6000線/mm，光柵刻劃面積可達400mmx500mm，光柵衍射效率 60%；實驗室環境精度指標：實驗室恆溫精度＜± 0.01℃，刻劃機基座自振頻率達1Hz左右，實驗室的潔淨等級為百級。實驗室占地面積約為2000平方米。

核心關鍵技術

光柵刻劃機是製作光柵的母機，被譽為“精密機械之王”。製作面積達400 mm×500 mm中階梯光柵的刻劃機，要具備製作6 000 gr/mm以上刻槽密度光柵的精度要求，且在約20 km行程範圍內保證刻槽間距誤差小於頭髮絲粗細的萬分之一。光柵刻劃機由上千個元件、部件構成，而且各部件加工精度、整機運行精度、環境控制精度以及光柵刻刀調節精度等各個環節的技術指標要求都幾乎達到極限程度。

製作大面積中階梯光柵，首先要實現光柵刻劃機的納米級定位精度。長春光機所項目團隊經過誤差分解發現，絲槓、導軌等關鍵機械部件遠超國標零級精度，現有技術狀態下難以實現；之後經過從實際出發的大膽創新，在超精密機械設計和加工領域取得一系列重大突破。例如，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製新工藝；提出“幾何誤差五步排列消除法”研磨出超高精度、大行程三角螺紋絲槓；提出“縱橫向精度交替逼近的機械部件表面光學拋光法”研製出精密雙V型滾柱導軌副；首創基於主動調節金剛石刀具的光柵刻劃技術，首創定位系統納米級精度裝調技術等，實現了光柵刻劃機優於±3 nm的定位精度。這些突破在客觀上推動了我國精密機械領域的技術進步。

工作環境的恆溫和隔振是保障光柵刻劃機正常運行的必要前提。微小的溫度波動和振動都將導致無法在納米精度下捕獲金剛石刻刀與光柵基底的相對位置，而且大面積中階梯光柵刻劃需要連續十幾天穩定可靠的環境條件。長春光機所聯合國內優勢學科單位，採取多項創新環控技術，歷時4年首次在國內實現了以空氣調節方式達到＜±0.01℃的環境溫控精度，建成自振頻率＜1.0 Hz的大型隔振基礎，保障了刻劃機刻出8 000 gr/mm光柵的環境要求（我國隔振設計行業標準按3 600 gr/mm光柵刻線機規定）。

光柵刻劃是金剛石刻刀對鋁膜進行連續微擠壓形成階梯狀周期結構的過程，刀具壽命則是成功研製大面積光柵的“瓶頸”之一。項目團隊開創性地採用X射線衍射金剛石晶向測量、矢量電磁場理論最佳化光柵槽形、微觀力學分析刻劃刀磨損行為和精度映射光柵性能綜合評價相結合的方法，設計和研製出長壽命耐磨損金剛石刀具，保證了大面積高精度中階梯光柵的成功研製。

工程意義

大型高精度衍射光柵刻劃機打破了國外對大面積高精度光柵的技術壟斷，將有效推進我們天文望遠領域、軍事領域、航空航天領域以及民用領域的相關技術發展。此外，研發出的大口徑光柵衍射波前測量儀、大口徑光柵衍射效率測量儀和大口徑光柵鬼線強度測量儀也有效解決了我們對大面積光柵檢測的迫切需求。

國家重大科研裝備研製項目的實施和完成，在3個方面證明了我國的科技實力：①證明了我國的精密機械加工技術達到了國際前沿水平。②證明了我國大面積中階梯光柵製造技術達到了國際前沿水平。③證明了我國相關高科技領域的戰略部署由於缺乏大面積高精度光柵而受阻的時代已經結束了。

該項成果入選“中國科學院2016年月度（11月）重大科技成果”和“ 2016年中國科學院重大創新成果”；2017年作為“率先行動，砥礪奮進——‘十八大’以來中國科學院創新成果展”中製造業的典型成果展覽於中國科學院文獻情報中心，展區標題為《中國光柵夢：在精密機械王冠爭奪戰中拔得頭籌》；同時，被列為“黨的十八大以來中國科學院標誌性重大成果”，其解說詞標題為《終結了我國高精度大尺寸光柵製造受制於人的局面》。