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把光谱看得更通透

2016-11-22 10:24
科技那回事
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  在1毫米距离里划出6000道刻槽,且槽型均匀,这意味着在20公里的刻距内,刻槽间距误差小于一根头发丝的千分之一。这正是不久前,中科院长春光学精密机械与物理研究所研制的“大型高精度衍射光栅刻划机”达到的刻划精度。

  走进长春光机所实验室,项目组科技人员向记者介绍了一块银灰色、近似不透明“玻璃窗”的光栅,它是这套“精密机械之王”的杰作,也是目前世界上面积最大的高精度中阶梯光栅。打造这台“精密机械之王”的,正是长春光机所光栅刻划机老中青三代研制项目组。

  光栅是分析万物光谱信息的“芯片”,应用遍及海陆空、吃穿用

  人类如何通过光认识世界?项目负责人、长春光机所研究员唐玉国说,人类借助光认知世界有两种方式:一是光学成像,二是光谱分析。光学成像可以看到物质世界的形状、尺寸等外在信息;地球上所知的元素及其它们的化合物都有自己的特征光谱线,光谱分析可以获得物质成分信息,帮助我们看清事物的本质。

  但要“抓”住光谱信息并不容易。日常生活中的光,是由红、橙、黄、绿等各种单色光组成的复色光,而单色光才能更好地记录下物质的光谱信息。光栅是一种非常精密的光学元件,它的神奇在于,它能从复色光中解析、提取出单色光。

  日常生活中,人们很少看到光栅,但其实它的作用无处不在。“人们去医院抽血检验,原理就是依靠光谱仪器里的光栅,来实现观察血液里的成分是否符合健康标准。”项目组成员、长春光机所研究员巴音贺希格说,“简单地说,光谱分析需要光谱仪器,光栅之于光谱分析的作用,就如芯片之于计算机,是核心和‘大脑’。”

  与血液检查原理类似,分析不同物质的光谱,可以探查出农药残留、钢材质量、爆炸物特性等许多重要信息。唐玉国表示,光栅的价值不限于光谱仪,其应用“遍及农轻重、海陆空、吃穿用等各行各业。既能看天,也能看地、看人”。在天文观测中,通过光谱测量得到天体的组成及其与地球的距离,从而揭示宇宙诞生及演化规律;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……

  通常,光栅性能越强,能分析出的物质成分就更精细。光栅面积越大,集光率和分辨本领就越高;光栅的精度越高,信噪比就越高。2009年,中科院长春光机所启动光栅刻划系统研制工作,一开始就瞄准世界领先水平,攻克光栅同时“做大”和“做精”的难题。

  “精密机械之王”成功刻划出了400毫米×500毫米的大面积中阶梯光栅,标志着我国大面积光栅制造技术已达到国际领先。这一块光栅有多强?唐玉国说,最有经验的油漆工能辨别出1000多种色彩的微妙变化,而光栅理论上能够分辨出超过4亿种,可谓世界上感知色彩的最强利器。

  光栅刻划机是制作光栅的母机,“做大”“做精”光栅是世界性难题

  以防尘服武装,再经风淋室除尘,记者才得以获准进入实验室。这里有一套精密的环境保障系统,要求在30天内温差控制在±0.01℃之内。

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