2025-05-27 10:30:15
【导语】从黑胶唱片到DVD光盘，再到现代科技中的大型光栅，人类对在物体表面刻制细密条纹的着迷，不仅是对音乐的记录与复现，更是对光学与信息存储技术的不断探索。本文将带您深入了解光栅的奥秘，探索其从古老音乐载体到现代高能激光与超精密加工核心元件的神奇演变。中国科学家长春光学精密机械与物理研究所的最新突破，更是将光栅技术推向了新的高度。让我们一起走进光栅的世界，感受科技带来的无限可能。
出品：
作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）
监制：中国科普博览
从黑胶唱片到光盘，人类为何着迷于在物体表面刻细密的条纹？因为细密的条纹用处实在太多了！较为古早的黑胶唱片，它用于录制与复现音乐。记录音乐时，声音导致气压波动，气压的波动驱动刻针在唱片的表面划出深浅不一的刻痕，刻痕在唱片表面形成了环形条纹，刻痕宽度(dù)大(dà)约(yuē)是(shì)0.1-0.16mm（毫(háo)米(mǐ)）。
黑胶唱片
（图片来源：veer图库）
之后出现了DVD光盘，能够存贮各类数字化的文档。光盘的条纹更加密集，相比于黑胶唱片，光盘的刻录工具从刻针变为激光，生活中用到的光盘刻痕宽度是300-700nm（纳米）。观察光盘发现，光照到光盘表面时，产生了彩虹光晕，这反映了细密条纹除记录信息外的另一大本领：分光！
泛着彩光的DVD光盘
（图片来源：veer图库）
具备这种本领的(de)结(jié)构(gòu)，人(rén)们(men)称(chēng)为(wèi)光(guāng)栅(zhà)。光(guāng)栅(zhà)是(shì)一(yī)种(zhǒng)具(jù)有(yǒu)规(guī)则(zé)结(jié)构(gòu)的(de)光(guāng)学(xué)元(yuán)件(jiàn)，它(tā)能(néng)够(gòu)将(jiāng)光(guāng)根(gēn)据(jù)颜(yán)色(sè)分(fēn)为(wèi)向(xiàng)不(bù)同(tóng)方(fāng)向(xiàng)传(chuán)播(bō)的(de)光(guāng)束(shù)，光(guāng)盘(pán)上(shàng)分(fēn)布(bù)规(guī)律(lǜ)的(de)条(tiáo)纹(wén)便(biàn)是(shì)如(rú)此(cǐ)。自(zì)然(rán)界(jiè)中(zhōng)也(yě)存(cún)在(zài)着(zhe)天(tiān)然(rán)的(de)光(guāng)栅(zhà)。例(lì)如(rú)，蝴(hú)蝶(dié)翅(chì)膀(bǎng)上(shàng)分(fēn)布(bù)着(zhe)许(xǔ)多(duō)微(wēi)小(xiǎo)鳞(lín)片(piàn)，它(tā)们(men)组(zǔ)成(chéng)的(de)光(guāng)栅(zhà)造(zào)成(chéng)光(guāng)的(de)衍(yǎn)射(shè)，将(jiāng)光(guāng)线(xiàn)分(fēn)开(kāi)，呈(chéng)现(xiàn)出(chū)绚(xuàn)丽(lì)的(de)颜(yán)色(sè)。
闪(shǎn)蝶(dié)翅(chì)膀(bǎng)呈(chéng)现(xiàn)绚(xuàn)丽(lì)的(de)蓝(lán)色(sè)
（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：veer图(tú)库(kù)）
举(jǔ)个(gè)更(gèng)好(hǎo)“吃(chī)”的(de)例(lì)子(zi)，如(rú)果(guǒ)发(fā)现(xiàn)切(qiè)开(kāi)的(de)卤(lǔ)牛(niú)肉(ròu)泛(fàn)着(zhe)绿(lǜ)光(guāng)，先(xiān)别(bié)急(jí)着(zhe)扔(rēng)，不(bù)是(shì)牛(niú)肉(ròu)坏(huài)了(le)，而(ér)是(shì)切(qiè)面(miàn)的(de)牛(niú)肉(ròu)纤(xiān)维(wéi)分(fēn)布(bù)规(guī)律(lǜ)，起(qǐ)到(dào)了(le)光(guāng)栅(zhà)的(de)效(xiào)果(guǒ)，所(suǒ)以(yǐ)看(kàn)起(qǐ)来(lái)泛(fàn)着(zhe)绿(lǜ)光(guāng)。
我(wǒ)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)制(zhì)造(zào)出(chū)大(dà)型(xíng)光(guāng)栅(zhà)
在(zài)一(yī)些(xiē)特(tè)定(dìng)领(lǐng)域，人(rén)们(men)需(xū)要(yào)条(tiáo)纹(wén)更(gèng)密(mì)集、规(guī)模(mó)更大的光栅。当前，人工刻划的光栅发展到什么程度了呢？近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所巴音贺希格和李文昊团队在大口径光栅的高精度制作方法上取得了突破，制造出了长达1.5m的高精度光栅。
长达1.5m的大型光栅
（图片来源：参考文献[1]）
如此长的光栅，它的每一条刻痕宽300nm，在整个光栅区域内，刻痕之间的位置差异不超过10nm。相当于在长1.5千米的平面上刻画线条(tiáo)，线(xiàn)条(tiáo)之(zhī)间(jiān)的(de)距(jù)离(lí)偏(piān)差(chà)不(bù)能超过头(tóu)发(fā)丝(sī)的(de)四(sì)分之一。
大费周章地制造出这样的大型光栅，它到底有哪些用处呢？
用处一：大尺寸光栅助力产生高能激光
大口径的光栅是激光核聚变（是(shì)指利用高能激光加热物质，使得物质的原子核碰撞到一起，发生聚合作用，并释放出大量能量。人类已经实现不受控制的核聚变，即氢弹的爆炸。激光核聚变属于可控的核聚变，它可能成为人类未来的能量来源。）中提升激光功率的的核心元件，光栅能将同一个方向入射的不同颜色光分开，同样地，光栅也能将不同方向入射的不同颜色光汇聚在一起。在激光核聚变装置中，利用激光照射物质使其产生聚变需要极高功率的激光，小尺寸的光栅很容易被激光破坏，只有长度在一米量级的光栅能够承担如此重任，将不同颜色的高功率激光组合在一起，进一步提高激光功率。
激光器发出的是脉冲激光，假设激光的能量是1J（焦耳），脉冲持续时间是1s（秒），则激光的平均功率是“能量÷持续时间=1W（瓦）”。脉冲通过光栅后，被光栅展宽了，也就是脉冲的持续时间变长，能量还是1J，持续时间变成10s，平均功率为0.1W；经过放大装置，脉冲能量增加到10J，平均功率就变成了1W。这时候(hou)，经(jīng)过(guò)另(lìng)一(yī)个(gè)光(guāng)栅(zhà)，这(zhè)个(gè)光(guāng)栅(zhà)发(fā)挥(huī)的(de)是(shì)压(yā)缩(suō)脉(mài)冲(chōng)的(de)作(zuò)用(yòng)，脉(mài)冲(chōng)持(chí)续(xù)时(shí)间(jiān)被(bèi)压(yā)缩(suō)到(dào)了(le)0.1s，脉(mài)冲(chōng)能(néng)量(liàng)10J，平(píng)均(jūn)功(gōng)率(lǜ)提(tí)高(gāo)到(dào)了(le)100W。这(zhè)一(yī)技(jì)术(shù)就(jiù)叫(jiào)做(zuò)啁(zhāo)啾(jiū)脉(mài)冲放大技术，该(gāi)技(jì)术(shù)在(zài)2018年(nián)获(huò)得(de)了(le)诺(nuò)贝(bèi)尔(ěr)物(wù)理(lǐ)学(xué)奖(jiǎng)。利(lì)用(yòng)这(zhè)一(yī)技(jì)术(shù)，我(wǒ)国当前的高能激光功率已经提升到了拍瓦量级，也就是1亿亿瓦。
啁啾脉冲放大技术示意图
（图片来源：NobelPrize.org）
用处二：制作光栅尺，实现超精密加工
现代工业对测量技术有极高的要求。要想加工出精度极高的元器件，首先需要有能够对元件进行高精度测量的尺子。测量器具有两个重要指标：可以量多远，称为量程；可以量多精，称为精度。卷尺能够量数米长的物体，最小刻度为1mm；20分度游标卡尺的最小刻度为0.05mm,最长能够测量的物体则不超过20cm。
卷尺（左）和游标卡尺（右）
（图片来源：veer图库）
精度与量程似乎不可兼得，一些应用却要求测量精度高，量程还必须大，这就构成了尖锐的矛盾。而由大尺寸光栅作为主要零部件制作而成的光栅尺就能解决这一问题，很好地满足了工业界的要求。
目前，绝大多数的超精密加工机床都配备了光栅尺，从而能够高精度地加工大型零部件。典型的光栅尺由标尺光栅与指示光栅组成，标尺光栅往往长度在米级，指示光栅比标尺光栅短得多。两个光栅的条纹方向稍有不同，当两个光栅之间相对发生移动时，微小的移动会被两(liǎng)个(gè)光(guāng)栅(zhà)叠(dié)加(jiā)产(chǎn)生(shēng)“莫(mò)尔(ěr)条(tiáo)纹(wén)”。两(liǎng)个(gè)光(guāng)栅(zhà)之(zhī)间(jiān)的(de)细(xì)微(wēi)移(yí)动(dòng)，表(biǎo)现(xiàn)为(wèi)莫(mò)尔(ěr)条(tiáo)纹(wén)更(gèng)加(jiā)明(míng)显(xiǎn)的(de)变(biàn)化(huà)，细(xì)微(wēi)的(de)变(biàn)化(huà)被(bèi)放(fàng)大(dà)了(le)，也(yě)就(jiù)更(gèng)加(jiā)容(róng)易(yì)测(cè)量(liàng)。传(chuán)感(gǎn)器(qì)探(tàn)测(cè)到(dào)莫(mò)尔(ěr)条(tiáo)纹(wén)的(de)变(biàn)化(huà)，能(néng)够(gòu)反(fǎn)推(tuī)出(chū)两(liǎng)个(gè)光(guāng)栅(zhà)的(de)相(xiāng)对(duì)移(yí)动(dòng)距(jù)离(lí)。利(lì)用(yòng)该(gāi)技(jì)术(shù)制(zhì)作(zuò)而(ér)成(chéng)的(de)光(guāng)删(shān)尺(chǐ)，量(liàng)程(chéng)可(kě)达(dá)到(dào)一(yī)米(mǐ)甚(shén)至(zhì)更(gèng)长(zhǎng)，测(cè)量(liàng)精(jīng)度(dù)能(néng)达(dá)到(dào)微(wēi)米(mǐ)或(huò)纳(nà)米(mǐ)量(liàng)级(jí)。
两(liǎng)个(gè)光(guāng)栅(zhà)叠(dié)加(jiā)产(chǎn)生(shēng)“莫(mò)尔(ěr)条(tiáo)纹(wén)”示(shì)意(yì)图(tú)
（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：作(zuò)者(zhě)自(zì)制(zhì)）
正(zhèng)如(rú)光(guāng)栅(zhà)设(shè)计(jì)、制(zhì)造(zào)领(lǐng)域的(de)著(zhe)名科(kē)学(xué)家(jiā)G.R.Harrision 评(píng)价(jià)的(de)那(nà)样(yàng)，很(hěn)难(nán)再(zài)找(zhǎo)到(dào)一(yī)个(gè)像(xiàng)光(guāng)栅(zhà)这(zhè)样(yàng)的(de)器(qì)件(jiàn)，它(tā)为(wèi)科(kē)学(xué)研(yán)究(jiū)的(de)绝(jué)大(dà)多(duō)数(shù)领(lǐng)域都(dōu)带(dài)来(lái)了(le)精(jīng)密(mì)的(de)实(shí)验(yàn)数(shù)据(jù)，从(cóng)物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)、天(tiān)文学(xué)家(jiā)、生(shēng)物(wù)学(xué)家(jiā)、到(dào)冶(yě)金(jīn)学(xué)家(jiā)，他(tā)们(men)都(dōu)将(jiāng)光(guāng)栅(zhà)作(zuò)为(wèi)非(fēi)常(cháng)精(jīng)确(què)的(de)工(gōng)具(jù)。如(rú)果(guǒ)没(méi)有(yǒu)它(tā)，现(xiàn)代(dài)科(kē)学(xué)的(de)发(fā)展(zhǎn)将(jiāng)受(shòu)到(dào)极(jí)大(dà)的(de)阻(zǔ)碍(ài)。
参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：
[1] Li W , Wang X ,Bayanheshig,et al.Controlling the wavefront aberration of a large-aperture and high-precision holographic diffraction grating[J].Light: Science & Applications, 2025, 14(1).DOI:10.1038/s41377-025-01785-2.
[2]吴(wú)宏(hóng)圣(shèng),曾(céng)琪(qí)峰(fēng),乔(qiáo)栋(dòng),等(děng).提(tí)高(gāo)光(guāng)栅(zhà)莫(mò)尔(ěr)条(tiáo)纹(wén)信(xìn)号(hào)质(zhì)量(liàng)的(de)滤(lǜ)波(bō)方(fāng)法(fǎ)[J].光(guāng)学(xué)精(jīng)密(mì)工(gōng)程(chéng), 2011, 19(008):1944-1949.DOI:10.3788/OPE.20111908.1944.
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