光栅是进行光谱分析的一个关键单元器件。通过60年的不懈努力，2016年年底，我国制成世界最大面积中阶梯光栅，我国不再因光栅技术而受制于人。光栅在光谱仪器中是怎样应用的呢？研究团队是如何克服重重困难制作出如此超精度器件的？这项技术的进步对我国到底意味着什么？

出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）

以下内容为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所于海利演讲实录：

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，SELF论坛就跟我联系，让我做一个关于光栅刻划机团队的科研工作和科研事迹的报告。本来想早早就准备的，但一准备发现报告的难度实在是有点大，然后就把我的拖延症给逼出来了。

每天晚上到睡觉的时候，就有一种压力驱使着我，应该去写点什么，可写点什么，没有听点什么来得容易。所以我就把往期的SELF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SELF不睡觉的习惯。言归正传，接下来我给大家介绍一个关于光栅刻划机的团队，近60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400纳米到760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X光，再比如手机的无线讯号或者wifi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100万分之一的痕量元素的测量。光谱分析有哪些应用呢？

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300×300毫米的天文上用的光栅。在正常光照条件下，它的表面呈现出五颜六色，但是看不出来有什么其他具体的结构。

利用光学显微镜，把它放大1000倍以后，可以看到中间这张图，它的上面呈现了一些周期性的刻线结构。用电子显微镜再对它进行放大，可以看到右侧的抛物面结构图，可以看到它不光有周期结构，每个周期还有一定的立体结构。我们用一句话来定义光栅，就是具有纳米精度、周期性微结构的特种光学元件。我所从事的工作，就是对这种特种光学元件进行加工。

早在1958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1964年刻制出我国具有自主知识产权的第一块衍射光栅。

那时还没有CAD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2006年到光机所读博士的时候，它还能完好地运转，当时我就被老一辈科学家的这种智慧、精神所折服了，并且感到深深的震撼。

1979年，我国2.16米口径天文望远镜研制计划开始立项，当时打算采用306毫米和408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2.16米口径天文望远镜没有用上光栅芯。

那时我国和国外的光栅技术差距大约是30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。2008年，我们国家的重大科研装备研制项目“大型高精度衍射光栅刻划系统项目”正式立项，我很荣幸地加入到了项目组当中来。这个项目的目标一是要研制一台刻划面积数世界之最、技术指标或者技术水平达国际领先的光栅刻划机；二是突破一系列关键技术，研制出一块400×500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6000线以上这样的刻线密度光栅，相当于在头发丝的剖面上制作420条规则的刻槽，而且精度还要达到头发丝直径的1/7000。这么说可能不是很直观，换一个比喻来说，刻划刀要走16千米，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1mm，可想而知难度有多大。

为了实现这一指标，我们把相应的精度进行技术分解，落实到每个关键器件上。比如丝杠，它要求的精度是周期误差0.2微米，累计误差5微米。这个精度代表什么水平呢？我们国家机械行业标准关于丝杠的最高标准是０级标准，我们所用丝杠的精度比０级标准还要高出一个数量级。

像这样的关键器件除了丝杠，还有导轨等其他一系列器件。当时正赶上奥运期间，团队负责人为了鼓励我们，就说我们要发挥奥运精神，精益求精、追求极致，完成这样一台刻划机的研制。结果，我们一研制就投入了两届奥运会的时间。

丝杠是分度系统中最重要的单元器件，它被称为刻划机的心脏。丝杠的加工精度要求十分高，我们无法通过采购的方式获得，也无法通过机床直接加工的方式获得，因为机床的精度也不够，所以我们采用的方案是在机床加工到最高精度的时候，进行手工的超精密研磨。

研磨是一项非常考验耐心，非常考验细节的工作。比如图左侧的用于消除丝杠各种误差的132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20世纪我们为2.16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30余年的应力释放已经很稳定了，这为我们的超精密研磨节约了大量的时间。最后，我们还是花了半年的时间，在恒温室里把丝杠加工了出来。

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1560毫米的长度上，680毫米的行程范围内实现0.2秒的精度要求。这相当于什么呢？就像百米赛跑，把我们跑出的轨迹与起点到终点拉一条直线相比较，轨迹和直线偏差的程度不超过一根头发丝的直径。

可以想象，当对精度的要求像这样达到极限时，钢铁也会变得像豆腐一样，任何环境上的风吹草动，或者是温度变化引起的一些影响，再者我们手上多加一些力，都会直接导致精度上有很大的变化。另外一个影响因素是我们人体在进行研磨的时候会有散热，所以整个导轨我们一天只能进行三次左右的研磨，其余时间都用来做温度平衡或者检测。

有一次，我们即将接近最终目标的时候，大家都很兴奋，然后中午吃完饭回来就立刻投入到工作状态中。结果，因为温度没有做好充分的平衡，我们的工作一下就回到了两个月前，由希望变成失望。但是，我们没有时间气馁，立刻重整旗鼓，然后再继续周而复始做这样的工作，耗时半年多，终于完成导轨关键器件的加工。

光有导轨还是没法运行，上下导轨之间要靠滚珠来实现滑动摩擦，这样才能行走。传统的滚珠对丝筒不太合适，为什么呢？因为工作台有200千克的负载，这么重的质量压到滚珠上，它和导轨是一个点接触，会产生较大的微形变，这样就把所有的精度都给破坏掉了，所以我们提出用滚柱替代滚珠的方案，把点接触变成线接触。

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100纳米，也就是不超过1000个氢原子的直径的偏差，我们需要的64个滚柱没法通过现有的加工技术直接实现。最后我们想了一个办法，我们做了5000个滚柱，然后进行分级筛选，最终选出64个符合要求的滚柱。但是因为温度平衡等各方面因素，每天只能选出来几十个，我们大约花了三个月的时间才完成对5000个滚柱的筛选。

对于刻划机来说，我们每一个关键器件的攻关都花了很长时间，但是我们没有走弯路，为什么呢？这得益于第一代光栅刻划机的研制人之一张泰先生的参与， 80余岁高龄的他亲自上阵，带领我们这些80后的年轻人，每天都是加工，研磨，检测。

张先生非常有经验，他经常是一种什么样的工作状态呢？在研磨过程中，他仅靠自己的手感就能判断出下一步应该怎么做。但是我们不行，我们手上没有这种感觉。所以在他的经验指导下，我们做到了把经验上升到数学模型的层次。

每天，团队的每个人手里都是拿着研具，食指沾染着研磨粉、煤油等试剂，由于长年累月的工作，手上的黑渍洗不掉，还长满了老茧。我记得有一次师兄跟我说，去幼儿园接放学的孩子。看到孩子从人群里兴匆匆地跑过来的时候，他却羞于伸出双手。有很多同学问我是不是转行到工厂当工人去了？一开始，我自己感觉好像也是这么回事，但是随着我们的工作逐渐取得了一些成果，我的态度也发生了转变。其实手上长这些老茧不正是我们科研道路上成长的印记吗？

最后通过一系列攻关，我们把分度系统搭建起来了，它的精度是否满足要求呢？我们可以来看一下。主要看下面那个小方框里面的定位精度。可以说在整个刻划的范围内，它的数值是不超过10的，也就是说它满足了10纳米的精度要求，所以说分度系统从此我们就做出来了。

另外一个难题就是刻划系统。刻划系统要求在整个450毫米的行程范围内，刻划的直线性精度要100纳米。为了实现这个要求，我们提出四种研制方案：第一种是用传统技术，第二种是用创新技术，第三种是借鉴国外技术，第四种是图片中所画的，从来在刻划机上没有用过的气浮导轨技术。

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100纳米精度，很多机械加工装备或者研磨方法可能就未必那么适合了。第二，精度要求比较高，为了保持刚度，我们需要加工两根这样的导轨，彼此之间还要保持平行性，装调之后还要达到100纳米的精度，可以说是难上加难。

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100纳米级以内，通过测试曲线大家也可以看得出来。这个工作的成功代表了我们刻划系统也差不多完成了，整个机器已经可以进入到后续状态了。

我们团队有一个职业病，就是大家的腰和颈椎都不太好，经常有人患腰脱，有人说我们这么年轻的团队，怎么把腰搞成这样？从这张图片大家可以看出，我们在进行装调的时候，经常需要跪着或者是蹲下的姿势。调节内层工作台时，需要用手扶着一百多斤的工作台，然后进行弹簧钢片高精度的装调，每次装调大概十多分钟，这十多分钟里我们不能停下来，当我们站起来的时候，腿都是发酸、发抖的。

像这样的装调一做就是十多组。这张图显示的是机器装好了我们要进行第一块光栅刻划，要把光栅基底运到光栅刻划机的工作台上。为了消除热膨胀的影响，我们采用了零膨胀的微晶玻璃，微晶玻璃既贵又脆，所以大家装调的时候都十分小心。装上去以后，我们的第一块光栅终于刻划出来了。

刻划出来的光栅上涂有一层润滑油，它的作用是为了减少金刚石刻刀和光栅铝膜之间的摩擦力，提高刀具的寿命。冲洗铝膜油层是一个技术工作，如果因为冲洗不好，留一些印记的话，整个光栅可能都白做了。

这个照片是我们在把恒温室里面的所有研磨工作都做完以后，不用再沾染试剂了，在恒温室里，我们换上了一身干净的新衣服，和刻划机照了一张照片。

这么多年，我们这些年轻人为什么能够凭着咬定青山不放松的这种精神坚持下来，不光是我们对科研工作的热爱，我想更重要的一点是因为有背后默默支持我们的家人。有一次，晚上正在加班，我的妻子给我打电话说阳台有动静，家里好像进来人了。

我当时心一下就慌了，因为家里只有妻子和不到一岁的孩子，我立刻打110报警然后赶回家。恰好碰到出来的民警同志，他跟我说是楼上漏水滴落的声音，然后追问我是干什么工作的，这么晚还不回家？我感觉挺内疚的，本来以为会迎来妻子的埋怨，但还好没有，她对我说工作做完了吗？没做完就赶快回去做吧。我想正是家人的这份支持，才让我们在科研道路上有了坚实的后盾。

总结来说，这台光栅刻划机可以说是经过60多年的技术积淀，然后通过近八年的不懈努力和技术攻关，终于在2016年底完成了研制。研制出一台大型高精度光栅刻划机，并刻制出一块400×500毫米的光栅，它不仅代表着我国的光栅刻划技术达到世界领先水平，更重要的是我国的高端光谱仪器从此不再因为光栅而受制于人。

2016年11月11日是项目验收的日子，这个日子会像四条刻线一样，深深地烙印在我们光栅团队每一个人的心头。目前中国科学院云南天文台、中科院上海技物所和中科院西安光机所等多家单位，都已经利用或者是即将用到这台光栅刻划机刻制出的光栅。我们国产的光谱仪器能用上自己的中国芯，作为光栅团队的一员，我的心里感到无比的骄傲。好，我报告就到这里，谢谢大家！

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