人类生活在一个色彩缤纷的世界！红花、绿草、蓝天、白云，世界上每一个事物都有着专属于自己的色彩！

是通过、和我们的生活经验所产生的一种对的视觉效应，我们肉眼所见到的光线，是由波长范围很窄的产生的，不同波长的电磁波表现为不同的颜色。

正如人眼所见，每一各事物都有其“特有的色彩”。这是因为光波是由原子内部运动的受激发后由较高能级向较低能级跃迁产生的。各种的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。

光谱

光谱，是经过色散系统后，依照光的波长（或频率）的大小而依次排列形成的图案。生活中，利用光谱信息我们可以方便地探查出农药残留、钢材质量、爆炸物特性以及血液样本是否符合健康标准等等。

若想得到不同物质的光谱，我们就必须利用“色散元件”，对复色光进行分色。讲到这里，我们今天的主角终于要闪亮登场啦！——衍射光栅。

光栅样品        

 光栅表面微结构

衍射光栅是一种由密集的、等间距平行刻线构成的精密光学元件，是各类色散元件中最重要的一类。最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。光栅的精度要求极高﹐很难制造﹐但其性能稳定﹐分辨率高﹐在各种光谱仪器中广泛应用。

现如今人类发现的所有元素都有自己的特征谱线，由这些元素组成的分子结构同样拥有自己的特征波长。光谱信息就如同指纹一样，是标示出物质成分的“身份证”。在天文观测中，光谱信息更是让人知道了各种天体的组成及其与地球相离多少光年。哈勃提出宇宙大爆炸这一当今最为著名的宇宙诞生及演化规律，重要依据及证明就是其观测到恒星或星系的光谱信息都朝长波偏移这一现象。实现上述一切的关键就是衍射光栅（以下简称光栅），以及由光栅作为核心色散元件的光谱仪器。

哈勃望远镜

衍射光栅的价值还不仅限于光谱学应用，在大功率激光和光刻等领域也有着重要应用。例如在大功率激光领域，光栅可以将高能光脉冲按时间分散，较低的能量使得光放大成为可能而不至于损毁仪器，之后再将脉冲的时间宽度压缩至飞秒（10^-15），从而激光能量提高几个数量级。在光通信领域，光栅的分光作用使得不同波长的光能够携带信息顺着光纤飞入千家万户。

正如光栅设计、制造领域的著名科学家G. R. Harrison对光栅的评价，他说“没有一种单元器件可以如衍射光栅般，在推动现代物理学发展进程中, 能够带来如此巨大的贡献”。虽然我们在生活中很难直接看到光栅的身影，但它却实实在在地影响着人们都生活。

在众多类型的光栅中，中阶梯光栅是当今面积最大、精度最高的一种。如同其名，在扫面电子显微镜下放大十万倍观看，中阶梯光栅的表面就如同平铺的楼梯，截面由一个个形状一致、间距相等的阶梯状直角三角形组成。正是这种特殊的阶梯结构，赋予中阶梯光栅超高的分辨本领，并借此具备当今最强的光谱分辨能力。

对比常规应用的光栅，中阶梯光栅的分辨力能够超过百万，提高了一个数量级以上。光栅的分辨本领与尺寸有关，同一参数的光栅，尺寸越大，分辨本领也就越高。对于面积为400mm×500mm的中阶梯光栅，在可见光波长，依靠眼睛，最有经验的油漆工能够在红橙黄绿青蓝紫七种颜色最多辨别1000种左右，而中阶梯光栅在理论上能够分辨出约四亿两千种，是人眼的几十万倍。

400mm×500mm中阶梯光栅

此外，光栅刻槽的相对位置和一致性精度同样决定其分辨本领，只有当精度达到10nm量级，即小于头发丝直径的千分之一时，光栅的分辨本领才能够接近理论值。在科学研究中，为了获取更强的能量并把光谱分的更细，人们对光栅尺寸和精度的追求没有极限。鉴于此，制作中阶梯光栅的刻划机被誉为“精密机械之王”，它能够代表当今时代下精密机械发展的最高水平。

在中国科学院和财政部的策划协调下，中科院长春光机所历时八年，攻克18项关键技术，取得9项创新性成果，终于2016年研制出一套大型高精度衍射光栅刻划系统，并刻制出面积为400mm×500mm的中阶梯光栅。该项成果的取得不仅填补了国内空白，而且也标志着我国大面积高精度光栅制造中的相关技术已达到国际领先水平。该光栅将服务于我国的天文、大功率激光等各领域，不仅为相关大科学工程的成功开展提供关键保障，也会对我国在新技术领域抢占战略制高点起到不可估量的作用。

如此高精度衍射光栅刻划机和中阶梯光栅研制的背后，还有哪些精彩故事呢？敬请关注下回详解。

（作者：于海利 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

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