大型高精度衍射光栅刻划机获“中国好设计”金奖

文/本刊记者 李雪敏

由中科院长春光机所承担的国家重大科研装备研制项目——大型高精度衍射光栅刻划机荣获2018“中国好设计”金奖。中科院长春光机所是中国在光学领域建立的第一家研究所，上世纪50、60年代，该所研制出中国第一台红宝石激光器、第一台大型电影经纬仪等十几项“中国第一”的光学仪器设备，因此被誉为中国“光学的摇篮”。

人类借助光认识世界有两种方式，一种是光学成像，另一种是光谱分析。光谱信息就如同指纹，是标示出物质成分的“身份证”。光谱分析离不开光谱仪，而光栅就是光谱仪中最常用的核心色散元件。

长春光机所研究员、该项目技术负责人齐向东讲道：“可以说光栅应用的领域遍及农轻重、海陆空、吃穿用等各行各业。虽然我们在生活中很难直接看到光栅的身影，但它却实实在在地影响着人们的生活”。

光栅

大光栅刻划机系统

中阶梯光栅

光栅刻划机丝杠

早在1958年，中科院长春光机所就研制出了国内第一台光栅刻划机和第一块光栅，我国第一颗原子弹爆炸试验的光谱设备就曾经使用过这里研制的光栅。此后，这里从未间断对光栅研制技术、超精密加工技术等方面的研究，为我国大面积高精度中阶梯光栅的研制打下了坚实基础。随着科学技术的不断发展，大面积高精度光栅又成为了制约我国相关领域技术发展的“短板”。因此，2008年，在中国科学院和财政部的策划协调下，长春光机所再次承担起了研制“大型高精度衍射光栅刻划系统”的任务，该项目目标为研制一台刻划面积世界之最、技术水平达国际领先的大型高精度衍射光栅刻划机，并于2009年1月正式启动。项目全体研究人员郑重地承接起了实现中国“光栅梦”的光辉使命。

衍射光栅是一种具有纳米精度周期性微结构的精密光学元件，它在光谱学、天文学、激光器、光通讯、新能源等诸多领域中占有重要应用。光栅面积大可获得高集光率和分辨本领，精度高可获得更好的信噪比，而将光栅做大和做精是世界难题。我国战略高技术领域所需要的高精度大尺寸光栅长期受到国外严格限制，这成为制约我国相关领域技术发展的短板。光栅刻划机是制作光栅的母机，因部件加工装调精度之难，运行保障环境要求之高，被誉为“精密机械之王”。因此，研制出一台能满足国家需求的光栅制造仪器是中国几代“光栅人”的梦想。

大光栅刻划机由上千个元件、部件精妙配合而成，几乎大部分关键部件都冲击着机械加工的世界极限水平。研制一台面积达400mm×500mm中阶梯光栅的刻划机，要求其刻槽精度相当于在约20公里行程范围内刻槽间距误差小于头发丝直径的千分之一，这无疑称得上是精密机械“王中之王”。

承担这个艰巨任务的是一支年轻的团队，35岁以下年轻人占80%。团队成员在攻关过程中，不怕失败、大胆创新，在超精密机械设计和加工领域取得了一系列重大技术突破。项目研制期间，项目组突破了一系列核心高精度零件的加工制造技术。以刻划机的“心脏”——丝杠为例，研究人员经过误差分解发现，丝杠每旋转一周的周期误差应低于200nm。然而，这种精度的丝杠不仅国外对我国禁运，而且远远超出了国家标准的最高精度等级。国内更是没有一套机床能达到要求。面对难题，课题组决定采用传统机械加工方法——手工研磨。我国第一台光栅刻划机研制的参与人之一、80岁高龄的老专家张泰亲自上阵，提出多项创新性研磨、加工和监测思路，不分昼夜，带领团队历时近1年时间，终于加工出了这根丝杠。

项目组还创新性地提出“三基准合一、分体工装、组合加工”的小模数、大尺寸蜗轮蜗杆副研制新工艺，提出“几何误差五步排列消除法”研磨出超高精度、大行程三角螺纹丝杠，提出“纵后横、配对研磨、化V为平、光学抛光”方法研制出精密双V型滚柱导轨副等关键部件，这些技术突破在客观上也带动了我国精密机械领域的技术快速发展。这些年轻的博士、硕士，依靠双手打造出一件件纳米量级的机械零件，用青春的执着传承着几代光栅人的工匠精神。

2016年11月，历经八年刻苦攻关，大光栅团队突破了精密机械加工、高精度微位移控制等18项关键技术，研制出了大型高精度光栅刻划系统，并刻划出面积达400毫米×500毫米、精度为10纳米的光栅，这也是目前世界上面积最大的中阶梯光栅，标志着我国大面积高精度光栅制造达到国际先进水平，结束了我国在高精度大尺寸光栅制造领域受制于人的局面，实现了我国几代科研工作者的“光栅梦”。

“该成果是中国科研工作者工匠精神的集中体现。”国家科技部原副部长、项目验收专家组组长曹健林评价称，大型高精度光栅刻划系统以及大面积中阶梯光栅的研制成功，能促进我国光谱仪器行业摆脱“有器无心”局面，帮助光谱仪器产业改变低端化现状，提升了我国在该领域拓展国际市场的能力。

2016年12月，科研人员在长春光机所实验室大光栅刻划机前进行试验