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  • “精密機械之王” 中國光柵刻劃機60余載追光之路

    2020年7月06日 12:07:00 來源: 分析測試百科
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    ——長春光機所李曉天副研究員專訪

      分析測試百科網訊 光譜技術已邁過百年歷史長河,中國的光譜分析技術亦可追溯到上個世紀50年代,今日中國的光譜技術已從國際上“跟跑”躍升到部分領域領跑的地位。在這背后,老中青科學家,克服了嚴峻的挑戰、付出了辛勤的汗水。伴隨著將在成都召開的第21屆全國分子光譜學學術會議,中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動?;顒訉⒉稍L業內的光譜界的一線工作者,探討光譜近年來的發展、最新技術與應用,展望光譜未來發展的新方向,希望對廣大光譜愛好與從業者有更多的啟發。

      光柵對于光譜的意義,就好比芯片對于手機的意義。在光譜分析中,光柵作為核心元器件,其研制及生產能力已經成為一個國家科技發展的重要標志之一。光柵刻劃機是制作光柵的母機,因部件的加工裝調精度要求之高,運行保障環境要求之苛刻,被譽為“精密機械之王”,同時也是發達國家對我國的禁運產品之一。

      作為我國刻劃光柵領域的主要技術骨干和博士生導師,中科院長春光學精密機械與物理研究所李曉天副研究員在光柵刻劃系統的研發工作中發揮了重要作用。他將為我們講述這套系統研發背后的故事。

    中科院長春光學精密機械與物理研究所 李曉天副研究員

    光譜發展300年簡史

      李曉天老師首先回顧了光譜300余年發展的簡史。

      光譜誕生:棱鏡分光時代

      1666年,英國物理學家牛頓采用棱鏡做了一次光學色散實驗,太陽光經過棱鏡后,在接收屏上看到了紅、橙、黃、綠、靛、藍、紫七種不同的顏色,形成一條彩色的譜帶,稱之為光譜。該實驗被認為是光譜技術的起源。

      1800年,英國物理學家威廉·赫歇爾在發現太陽光譜中溫度最高的區域位于紅光以外,他推測一定有一種肉眼看不見的輻射,稱其為紅外線。1801年,德國物理學家Ritte發現了化學光,后被稱為“紫外線”。

      1859年,克?;舴蚝捅旧兄瞥隽耸澜缟系谝慌_實用的棱鏡光譜儀。他們的研究結果引起了全球科學界的巨大震動:在地球上可檢測出1.5億千米之遙的太陽上的化學元素組成。

      現代光譜儀器:光柵時代

      1882年,羅蘭研制出了平面光柵和凹面光柵,它解決了當時棱鏡光譜儀所遇到的不可克服的困難。衍射光柵在光譜儀器中的使用,不僅簡化了光譜儀器結構,而且還有效提高了儀器的光譜分辨率和波段測量范圍。

      1928年,印度科學家C.V.Raman實驗發現,當光穿過透明介質被分子散射的光發生頻率變化,這一現象產生的光譜稱為拉曼散射光譜。

      在此之后,隨著科技的不斷發展,各類吸收光譜、散射光譜等技術分析逐漸成為各領域重要分析方法,使得光譜儀器得到迅速發展。其中,儀器核心光學元件-衍射光柵的性能不斷提升,對光譜技術發展起到了至關重要的促進作用。衍射光柵種類的不斷創新,也使得光譜儀器種類逐步增多,比如出現了中階梯光柵光譜儀、浸沒光柵光譜儀、凸面光柵光譜儀,超環面光柵光譜儀、體全息光柵光譜儀等。

    光柵刻劃機——精密機械之王

      “衍射光柵是最重要的一類光學色散元件,而光柵刻劃機是制作光柵的母機,因部件的加工裝調精度要求之高,運行保障環境要求極為苛刻,被譽為‘精密機械之王’”,李曉天說到。

      上世紀50年代,研制光柵刻劃機、自主掌握光柵制造技術已成為我國光譜分析領域發展的迫切需求。隨著我國逐漸意識到衍射光柵在光譜儀器發展中的重要作用,國家科技部和財政部等部門逐漸對衍射光柵制作技術加大支持力度,最終有效解決了國產光譜儀器“有器無芯”的被動局面。

      回顧我國光柵刻劃機發展的歷史,1959年中科院長春光機所梁浩明等學者克服重重困難,研制出了我國第一臺光柵刻劃機和第一塊光柵,支持了我國第一顆原子彈爆炸試驗等相關工作的順利開展。隨后,長春光機所又陸續研制出2號至5號光柵刻劃機,但是光柵的最大刻劃面積仍然無法滿足我國重大科研領域迫切需求。例如,我國的大型天文望遠鏡光譜儀研制就在1979年左右受到過我國光柵制造水平的制約,該項目所需的大面積光柵國外處于禁運狀態,而國內又無法制造出光柵技術指標和使用面積均符合要求的母版光柵,最后該項目組只能用小尺寸的拼接光柵代替,導致儀器的分辨本領大打折扣。

      為了打破光柵產品受制于人的被動局面,2009年,長春光機所在我國財政部的資助下負責承擔了國家重大科研裝備研制項目“大型高精度衍射光柵刻劃系統的研制”。

    突破封鎖,實現“有器有芯”

      自國家下發重大專項以來,在2010年至2016年期間,李曉天在導師唐玉國研究員的悉心指導下,在國內率先開展了光柵刻劃系統對光柵刻線誤差影響的研究,并據此進行光柵刻劃系統改進設計、刻線誤差提取、軟/硬件結合的控制策略、光柵性能在線監測等技術突破,使得光柵性能得到了大幅度提升,光柵雜散光從10-3量級降低至可達10-5量級,并最終參與研制出大光柵刻劃機1臺。其主要性能指標為:最大刻劃面積:400 mm×500 mm;刻槽密度:10 線/mm至6000 線/mm;工作臺運行周期誤差:≤3.0 nm(1σ);光柵衍射波前<λ/4。 

      該刻劃機已成功制作出刻劃面積為400 mm×500 mm的世界最大面積中階梯光柵,刻劃出的光柵產品已在北京博暉創新光電技術股份有限公司、浙江大學、加拿大多倫多大學、歐洲南方天文臺、中科院西安光機所等單位研制的光譜儀器中得到了應用,受到了用戶的一致好評。

      李曉天老師表示:“隨著大型高精度光柵刻劃系統以及大面積中階梯光柵的研制成功,不僅打破了我國天文望遠鏡等大型光學系統、高精密光刻機等大科學裝置以及國家戰略高技術領域所需要的大面積高精度光柵受制于人的局面,而且能促進中國光譜儀器行業擺脫‘有器無芯’局面,幫助中國光譜儀器產業改變低端化現狀、大幅度提升拓展國際市場的能力?!?/p>

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    (a)改進前的光柵衍射光(b)改進后的光柵衍射光
    光柵刻劃系統改進前后的光柵雜散光情況[1]

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    大光柵刻劃機整機圖

    厚積薄發,研制先進光譜儀

      在成功完成大光柵刻劃機研制以后,李曉天的工作重心從光柵研制逐步轉變為光柵光譜儀應用基礎研究,并有幸成功申請到國內第一個空間外差拉曼光譜儀方面的自然科學基金青年基金項目和第一個面上項目,提出了光柵拼接型空間外差拉曼及LIPS光譜儀、中階梯光柵型空間外差拉曼光譜儀和空間外差型太赫茲拉曼光譜儀等新型儀器結構及理論??臻g外差拉曼光譜儀可以兼具高光通量、高分辨率、寬波段、無運動部件等性能,在弱信號探測、遠距離探測、惡劣環境條件、有限載荷等使用需求下具有較好的應用前景。此外,團隊還參與了中階梯光柵光譜儀、傅立葉變換光譜儀、光柵雜散光測量儀、成像光譜儀等研究工作。李曉天作為碩士及博士生導師等,現已培養及協助培養碩士及博士研究生16人,其中全程親自負責指導的學生邱俊連續兩年獲得博士生國家獎學金,并獲得了中科院院長獎學金,在提前完成學業后公派留學于美國哈佛大學。

    掌握光柵之“芯”,中國光譜大業可期

       李曉天老師表示:自19世紀第一個國產光柵誕生以來,作為光譜分析中最為重要的核心元器件,光柵成為影響光譜分析儀器性能提高的重要因素之一。我國可以自主研制高性能光柵,這是我國光譜領域的一個閃光點。雖然美國、日本等少數國家也可以制作光柵,但其定制成本很高,大約是國產光柵的2~6倍,而且有些特殊光柵仍處于對我國禁運狀態。特別是在最近的新冠病毒疫情情況下,國外的光柵定制、生產幾乎處于停滯狀態。而我國因為可以進行光柵自主研發、生產,沒有因為疫情原因影響國內光譜儀器研究工作。不少已習慣于在國外訂購光柵的企事業單位,在新冠疫情期間已改為由長春光機所負責其光柵研制任務。

    中國光譜 任重道遠

      與國外光譜產品的差距

      談到國內商用光譜儀器的現狀,李曉天指出:盡管目前國內已經能夠承擔光柵自主研發,但國外的光譜儀器仍占據絕大多數市場份額。以拉曼光譜儀為例,仍是Horiba、Ranishaw、必達泰克等國外廠商的產品更受歡迎。雖然國內光譜儀器已經越做越好,但是在市場份額方面仍有待提高,一個新產品被國際認可仍然需要走較長的路。

      除了產品本身外,在售前和售后服務方面,國外公司仍具有一定優勢。例如,國外廠商愿意為潛在用戶做現場測試,以展示其產品性能,而國產光譜儀廠商因為規模小或節約成本等原因,很少有樣機專門用于全國各地的現場展示或測試。簡言之,國外廠商在售前投資方面的做法,也值得國內企業借鑒。

      硬核技術仍有待繼續突破

      光柵作為光譜之“芯”,在我國已經有了長足的突破,那么中國光譜還需要繼續突破哪些“硬核”技術?李曉天也談了自己的幾點看法。首先在光柵研制方面,我國雖然已經在平面光柵研制方面取得了較大突破,但是在浸沒光柵、凸面光柵、超環面光柵、大尺寸拼接光柵研制方面與發達國家相比,仍存在較多不足之處。

      其次,激光器作為拉曼光譜等儀器的光源器件,其國產化技術水平仍有待提升。例如,拉曼光譜的激發波長可為紫外、可見光或者是紅外波長。對于某種給定的應用,如何選擇最佳波長成為科研學者面臨的主要問題之一。其次,拉曼信號非常微弱,它取決于樣品材料中光子和分子間的相互作用,一般概率只有激發光能量的百萬分之一。因此,如何進一步提高拉曼信號強度,也是迫切需要解決的技術難題。

      除了波長,選擇激光器時還要考慮諸多其它重要參數:光譜線寬、頻率穩定性、光譜純度、光束質量、輸出功率等等?!敖涍^團隊長期的測試分析,發現長春新產業光電技術有限公司的532nm拉曼激光器性能較為突出。雖然如此,我國仍然需要更多的高性能國產化激光器,這樣才能有形成良性的競爭,最終推動我國光譜儀器的發展?!崩顣蕴煺f到。

      對光譜事業發展的建議

      談到光譜事業的產學研發展問題,李曉天提出如下建議:

      1.我國光譜儀器廠商應加大與科研院所的合作力度,這樣可以在新產品研發上充分利用科研院所在理論研究和關鍵技術突破等方面的優勢,從而加快產品化過程。

      2.在地域上講,我國南方企業與科研院所合作比較密切,當然這與我國對南方地區的支持力度也密切相關。因此希望國家進一步加大投入力度,促進全國企業與科研院所的聯系與合作,進而在全國范圍內推動光譜產品的發展。

      3.要進一步加大產學研合作,仍然需要國家層面的宏觀調控。例如應該給予偏遠地區或者不發達城市更多的資金投入,促進其產學研發展。

    寄語“2020年光譜年會”

      光譜年會歷史悠久,從分子光譜開始,已擴展到眾多光譜領域,是國內光譜界的盛會,同時也見證了我國光譜技術的發展。希望有機會可以向國內的光譜專家多學習請教,同時也希望光譜會議越辦越好。

      參考文獻:

      [1] 李曉天,巴音賀希格,齊向東等. 機械刻劃光柵的刻線彎曲與位置誤差對平面光柵性能影響及其修正方法,中國激光,2013,40(3):0308009

      [2] 李曉天, 巴音賀希格,齊向東,于海利,唐玉國. 刻線誤差與面型誤差對平面光柵光譜性能影響的二維快速傅里葉變換分析方法,光學學報,2012,32(11):1105001

      [3] 李曉天,齊向東,于海利,高鍵翔,馮樹龍,巴音賀希格. 基于單壓電執行器的光柵刻線擺角修正,光學精密工程,2014,22(8):2040-2046

      [4] Xiaotian Li, Haili Yu, Xiangdong Qi, Shulong Feng, Jicheng Cui, Shanwen Zhang, Jirigalantu, and Yuguo Tang.300 mm ruling engine producing gratings and echelles under interferometric control in China, APPLIED OPTICS,2015,54(7):1819-1826

      [5] Jun Qiu, Xiangdong Qi, Xiaotian Li(通訊作者), Yuguo Tang, Jirigalantu, Broadband transmission Raman measurements using a field-widened spatial heterodyne Raman spectrometer with mosaic grating structure, Optics Express, 2018, 26: 26106~26119

      [6] Jun Qiu, Xiangdogn Qi, Xiaotian Li(通訊作者), Wenhui Xu, Yuguo Tang, Zhenyu Ma, Bayanheshig, Broadband, high-resolution Raman observations from a double-echelle spatial heterodyne Raman spectrometer, Applied Optics, 2018, 57: 8936~8941


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