一缕光可以分解出多少种色彩?当今技术所能达到的最高理论值是:四亿两千种。这正是中国日前成功刻制出的一种精密光学元件——中阶梯光栅的“拿手好戏”。
中国科学家将通过这双感知色彩的最强“眼睛”,更精确地破解各种物质的“身份密码”,并在天文观测、激光通信、高能激光器、信息存储、新能源等领域发挥巨大作用。
在中国科学院长春光学精密机械和物理研究所(简称“长春光机所”)的一间实验室里,这一世界上面积最大、精度最高的中阶梯光栅,就像一块银灰色、不透明的“玻璃窗”,平平无奇。但是,当数以百万计的色彩从它的身体里折射出来时,它宛若宇宙的“魔方”。
解析物质的“身份密码”
光栅,顾名思义,就是光的栅栏。其实,世间万物本无“颜色”,我们感知到的色彩,只是光在物体上被吸收、反射后,再折射到我们的眼睛里,在人脑中根据生活经验产生了视觉效应。
缤纷的花朵、绿色的田野、黄色的沙砾……在光谱科学家看来,世间万物都发射着不同的光波。从微观的角度看,不同元素、不同分子结构都可以让一个物体拥有不同的特征波长。因此,物质的光谱信息就像人的指纹一样,是分析其物质成分的“身份密码”。
“光栅越强,我们能分析出的物质成分就越多,就能更深入地探究世界的奥妙。”项目负责人、中国科学院大学博士生导师唐玉国说,一般来说,光栅面积越大,集光率和分辨本领就越高;光栅的精度越高,信噪比就越低。但是,同时将光栅“做大”和“做精”则属于世界性难题。
长春光机所成功制刻出的中阶梯光栅面积为400毫米×500毫米,比当前世界上可知最先进的、应用在美国夏威夷凯克天文望远镜上的光栅,更大、更精密。它在1毫米的范围内有6000个刻槽,精度达到了惊人的10纳米。
这样一块中阶梯光栅有多强?唐玉国以常见的“彩虹七色”红橙黄绿青蓝紫举例,“一个最有经验的油漆工最多可以辨别出1000多种色彩的微妙变化,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。”
用手磨出的“精密机械之王”
工欲善其事,必先利其器。在电子显微镜下放大十万倍去观察中阶梯光栅,会发现它的截面是由一个个形状一致、间距相等的阶梯状直角三角形组成,表面就如同平铺的楼梯。
正是这种特殊的阶梯结构,让中阶梯光栅有了超高的光谱分辨能力。而一刀一刀刻划出如此繁复、精确结构的,是一台几乎所有关键部件都冲击世界极限水准的母机——“大型高精度衍射光栅刻划机”。
有多极限?长春光机所光栅技术研究中心主任、中国科学院大学博士生导师巴音贺希格说,刻槽用的金刚石刀在约20公里的行程范围内,要保证刻槽间距误差小于头发丝粗细的一千分之一,背后是上千个元件、部件“妙到毫巅”的配合。
由于部件加工装调、运行保障的精度要求极高,光栅刻划机也被誉为“精密机械之王”。在2009年启动之初,首要的研制难题就是刻划系统“三大件”——丝杠、蜗轮、导轨。由于现有机床技术远远达不到精度要求,长春光机所的研究团队采用了不可思议的传统“手磨加工”。
中国第一台光栅刻划机研制的参与人之一,80岁高龄的专家张泰亲自上阵,带领一群由博士、硕士组成的科研团队不分昼夜地研磨、加工和监测,用近1年加工出丝杠,又用了六个月加工出蜗轮、八个月加工出导轨。
“有一次,我们去外面交流。一握手,别人都说,你们的手不像科学家,倒像工人。”巴音贺希格笑着回忆道。
未来或助力寻找地外文明
“人类借助光认识物质世界有两种方式:一种是光学成像,它能够使我们获得物质的外貌特征;另一种就是光谱分析,它能够使我们获得物质的构成信息。”巴音贺希格说。
在日常生活中,人们好像很少看到光栅,但光栅就在身边。比如,人们去医院抽血检验,原理就是用电子显微镜里的光栅,观察血液里的成分是否符合健康标准。
唐玉国说,光栅广泛应用在“农轻重、海陆空、吃穿用”等各领域。通过分析不同物质的光谱,人们可以探查出农药残留、钢材品质、爆炸物特性等许多重要信息,“它既能看天,也能看地、看人”。
高精度、大尺寸光栅的刻制成功,对于普遍人的生活来说,意味着什么?巴音贺希格认为,它的作用不能简单地以“现在能做什么”来衡量。
他说:“一方面,它代表中国的精密机械加工技术达到世界水准;另一方面,高精度光栅会被使用在大型光学系统、远程探测与识别、高分辨率对地观测、导弹预警等领域,这些最终都会造福民众。”
有趣的是,这双感知色彩的最强“眼睛”或许还将帮助人类寻找到地外文明的“蛛丝马迹”。
“未来美国、中国的光学望远镜都可能装备上中国制造的高精度中阶梯光栅,”南京天文仪器研究所研究员朱永田透露到,科学家将通过它,“捕捉”到某个星球上有类似地球的元素,甚至生命迹象。