“精密机械之王” 我国高精度光栅刻划机60余载追光之路

2020年7月06日 12:07:00 来源: 分析测试百科
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——长春光机所李晓天副研究员专访

  分析测试百科网讯 光谱技术已迈过百年历史长河,中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代,今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这背后,老中青科学家,克服了严峻的挑战、付出了辛勤的汗水。伴随着将在成都召开的第21届全国分子光谱学学术会议,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者,探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,展望光谱未来发展的新方向,希望对广大光谱爱好与从业者有更多的启发。

  光栅对于光谱的意义,就好比芯片对于手机的意义。在光谱分析中,光栅作为核心元器件,其研制及生产能力已经成为一个国家科技发展的重要标志之一。光栅刻划机是制作光栅的母机,因部件的加工装调精度要求之高,运行保障环境要求之苛刻,被誉为“精密机械之王”,同时也是发达国家对我国的禁运产品之一。

  作为我国刻划光栅领域的主要技术骨干和博士生导师,中科院长春光学精密机械与物理研究所李晓天副研究员在光栅刻划系统的研发工作中发挥了重要作用。他将为我们讲述这套系统研发背后的故事。

中科院长春光学精密机械与物理研究所 李晓天副研究员

光谱发展300年简史

  李晓天老师首先回顾了光谱300余年发展的简史。

  光谱诞生:棱镜分光时代

  1666年,英国物理学家牛顿采用棱镜做了一次光学色散实验,太阳光经过棱镜后,在接收屏上看到了红、橙、黄、绿、靛、蓝、紫七种不同的颜色,形成一条彩色的谱带,称之为光谱。该实验被认为是光谱技术的起源。

  1800年,英国物理学家威廉·赫歇尔在发现太阳光谱中温度最高的区域位于红光以外,他推测一定有一种肉眼看不见的辐射,称其为红外线。1801年,德国物理学家Ritte发现了化学光,后被称为“紫外线”。

  1859年,克希霍夫和本生研制出了世界上第一台实用的棱镜光谱仪。他们的研究结果引起了全球科学界的巨大震动:在地球上可检测出1.5亿千米之遥的太阳上的化学元素组成。

  现代光谱仪器:光栅时代

  1882年,罗兰研制出了平面光栅和凹面光栅,它解决了当时棱镜光谱仪所遇到的不可克服的困难。衍射光栅在光谱仪器中的使用,不仅简化了光谱仪器结构,而且还有效提高了仪器的光谱分辨率和波段测量范围。

  1928年,印度科学家C.V.Raman实验发现,当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化,这一现象产生的光谱称为拉曼散射光谱。

  在此之后,随着科技的不断发展,各类吸收光谱、散射光谱等技术分析逐渐成为各领域重要分析方法,使得光谱仪器得到迅速发展。其中,仪器核心光学元件-衍射光栅的性能不断提升,对光谱技术发展起到了至关重要的促进作用。衍射光栅种类的不断创新,也使得光谱仪器种类逐步增多,比如出现了中阶梯光栅光谱仪、浸没光栅光谱仪、凸面光栅光谱仪,超环面光栅光谱仪、体全息光栅光谱仪等。

光栅刻划机——精密机械之王

  “衍射光栅是最重要的一类光学色散元件,而光栅刻划机是制作光栅的母机,因部件的加工装调精度要求之高,运行保障环境要求极为苛刻,被誉为‘精密机械之王’”,李晓天说到。

  上世纪50年代,研制光栅刻划机、自主掌握光栅制造技术已成为我国光谱分析领域发展的迫切需求。随着我国逐渐意识到衍射光栅在光谱仪器发展中的重要作用,国家科技部和财政部等部门逐渐对衍射光栅制作技术加大支持力度,最终有效解决了国产光谱仪器“有器无芯”的被动局面。

  回顾我国光栅刻划机发展的历史,1959年中科院长春光机所梁浩明等学者克服重重困难,研制出了我国第一台光栅刻划机和第一块光栅,支持了我国第一颗原子弹爆炸试验等相关工作的顺利开展。随后,长春光机所又陆续研制出2号至5号光栅刻划机,但是光栅的最大刻划面积仍然无法满足我国重大科研领域迫切需求。例如,我国的大型天文望远镜光谱仪研制就在1979年左右受到过我国光栅制造水平的制约,该项目所需的大面积光栅国外处于禁运状态,而国内又无法制造出光栅技术指标和使用面积均符合要求的母版光栅,最后该项目组只能用小尺寸的拼接光栅代替,导致仪器的分辨本领大打折扣。

  为了打破光栅产品受制于人的被动局面,2009年,长春光机所在我国财政部的资助下负责承担了国家重大科研装备研制项目“大型高精度衍射光栅刻划系统的研制”。

突破封锁,实现“有器有芯”

  自国家下发重大专项以来,在2010年至2016年期间,李晓天在导师唐玉国研究员的悉心指导下,在国内率先开展了光栅刻划系统对光栅刻线误差影响的研究,并据此进行光栅刻划系统改进设计、刻线误差提取、软/硬件结合的控制策略、光栅性能在线监测等技术突破,使得光栅性能得到了大幅度提升,光栅杂散光从10-3量级降低至可达10-5量级,并最终参与研制出大光栅刻划机1台。其主要性能指标为:最大刻划面积:400 mm×500 mm;刻槽密度:10 线/mm至6000 线/mm;工作台运行周期误差:≤3.0 nm(1σ);光栅衍射波前<λ/4。 

  该刻划机已成功制作出刻划面积为400 mm×500 mm的世界最大面积中阶梯光栅,刻划出的光栅产品已在北京博晖创新光电技术股份有限公司、浙江大学、加拿大多伦多大学、欧洲南方天文台、中科院西安光机所等单位研制的光谱仪器中得到了应用,受到了用户的一致好评。

  李晓天老师表示:“随着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,不仅打破了我国天文望远镜等大型光学系统、高精密光刻机等大科学装置以及国家战略高技术领域所需要的大面积高精度光栅受制于人的局面,而且能促进中国光谱仪器行业摆脱‘有器无芯’局面,帮助中国光谱仪器产业改变低端化现状、大幅度提升拓展国际市场的能力。”

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(a)改进前的光栅衍射光 (b)改进后的光栅衍射光
光栅刻划系统改进前后的光栅杂散光情况[1]

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大光栅刻划机整机图

厚积薄发,研制先进光谱仪

  在成功完成大光栅刻划机研制以后,李晓天的工作重心从光栅研制逐步转变为光栅光谱仪应用基础研究,并有幸成功申请到国内第一个空间外差拉曼光谱仪方面的自然科学基金青年基金项目和第一个面上项目,提出了光栅拼接型空间外差拉曼及LIPS光谱仪、中阶梯光栅型空间外差拉曼光谱仪和空间外差型太赫兹拉曼光谱仪等新型仪器结构及理论。空间外差拉曼光谱仪可以兼具高光通量、高分辨率、宽波段、无运动部件等性能,在弱信号探测、远距离探测、恶劣环境条件、有限载荷等使用需求下具有较好的应用前景。此外,团队还参与了中阶梯光栅光谱仪、傅立叶变换光谱仪、光栅杂散光测量仪、成像光谱仪等研究工作。李晓天作为硕士及博士生导师等,现已培养及协助培养硕士及博士研究生16人,其中全程亲自负责指导的学生邱俊连续两年获得博士生国家奖学金,并获得了中科院院长奖学金,在提前完成学业后公派留学于美国哈佛大学。

掌握光栅之“芯”,中国光谱大业可期

   李晓天老师表示:自19世纪第一个国产光栅诞生以来,作为光谱分析中最为重要的核心元器件,光栅成为影响光谱分析仪器性能提高的重要因素之一。我国可以自主研制高性能光栅,这是我国光谱领域的一个闪光点。虽然美国、日本等少数国家也可以制作光栅,但其定制成本很高,大约是国产光栅的2~6倍,而且有些特殊光栅仍处于对我国禁运状态。特别是在最近的新冠病毒疫情情况下,国外的光栅定制、生产几乎处于停滞状态。而我国因为可以进行光栅自主研发、生产,没有因为疫情原因影响国内光谱仪器研究工作。不少已习惯于在国外订购光栅的企事业单位,在新冠疫情期间已改为由长春光机所负责其光栅研制任务。

中国光谱 任重道远

  与国外光谱产品的差距

  谈到国内商用光谱仪器的现状,李晓天指出:尽管目前国内已经能够承担光栅自主研发,但国外的光谱仪器仍占据绝大多数市场份额。以拉曼光谱仪为例,仍是Horiba、Ranishaw、必达泰克等国外厂商的产品更受欢迎。虽然国内光谱仪器已经越做越好,但是在市场份额方面仍有待提高,一个新产品被国际认可仍然需要走较长的路。

  除了产品本身外,在售前和售后服务方面,国外公司仍具有一定优势。例如,国外厂商愿意为潜在用户做现场测试,以展示其产品性能,而国产光谱仪厂商因为规模小或节约成本等原因,很少有样机专门用于全国各地的现场展示或测试。简言之,国外厂商在售前投资方面的做法,也值得国内企业借鉴。

  硬核技术仍有待继续突破

  光栅作为光谱之“芯”,在我国已经有了长足的突破,那么中国光谱还需要继续突破哪些“硬核”技术?李晓天也谈了自己的几点看法。首先在光栅研制方面,我国虽然已经在平面光栅研制方面取得了较大突破,但是在浸没光栅、凸面光栅、超环面光栅、大尺寸拼接光栅研制方面与发达国家相比,仍存在较多不足之处。

  其次,激光器作为拉曼光谱等仪器的光源器件,其国产化技术水平仍有待提升。例如,拉曼光谱的激发波长可为紫外、可见光或者是红外波长。对于某种给定的应用,如何选择最佳波长成为科研学者面临的主要问题之一。其次,拉曼信号非常微弱,它取决于样品材料中光子和分子间的相互作用,一般概率只有激发光能量的百万分之一。因此,如何进一步提高拉曼信号强度,也是迫切需要解决的技术难题。

  除了波长,选择激光器时还要考虑诸多其它重要参数:光谱线宽、频率稳定性、光谱纯度、光束质量、输出功率等等。“经过团队长期的测试分析,发现长春新产业光电技术有限公司的532nm拉曼激光器性能较为突出。虽然如此,我国仍然需要更多的高性能国产化激光器,这样才能有形成良性的竞争,最终推动我国光谱仪器的发展。”李晓天说到。

  对光谱事业发展的建议

  谈到光谱事业的产学研发展问题,李晓天提出如下建议:

  1.我国光谱仪器厂商应加大与科研院所的合作力度,这样可以在新产品研发上充分利用科研院所在理论研究和关键技术突破等方面的优势,从而加快产品化过程。

  2.在地域上讲,我国南方企业与科研院所合作比较密切,当然这与我国对南方地区的支持力度也密切相关。因此希望国家进一步加大投入力度,促进全国企业与科研院所的联系与合作,进而在全国范围内推动光谱产品的发展。

  3.要进一步加大产学研合作,仍然需要国家层面的宏观调控。例如应该给予偏远地区或者不发达城市更多的资金投入,促进其产学研发展。

寄语“2020年光谱年会”

  光谱年会历史悠久,从分子光谱开始,已扩展到众多光谱领域,是国内光谱界的盛会,同时也见证了我国光谱技术的发展。希望有机会可以向国内的光谱专家多学习请教,同时也希望光谱会议越办越好。

  参考文献:

  [1] 李晓天,巴音贺希格,齐向东等. 机械刻划光栅的刻线弯曲与位置误差对平面光栅性能影响及其修正方法,中国激光,2013,40(3):0308009

  [2] 李晓天, 巴音贺希格,齐向东,于海利,唐玉国. 刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法,光学学报,2012,32(11):1105001

  [3] 李晓天,齐向东,于海利,高键翔,冯树龙,巴音贺希格. 基于单压电执行器的光栅刻线摆角修正,光学精密工程,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(通讯作者), 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(通讯作者), 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

  征稿启事

  自光谱技术出现以来,已迈过百年历史长河。中国的光谱分析技术自上个世纪50年代起,已经从跟跑发展到部分领域领跑。在这背后,老中青科学家三代科技工作者克服了严峻的挑战,付出了辛勤的汗水。

  第21届全国分子光谱学学术会议即将在2020年10月在成都的召开,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者,探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,展望光谱未来发展的新方向。

  活动时间:2020年光谱年会召开之前。

  展现形式:专访——图文展示,所有采访稿件最终汇聚成专题集中展示。

  采访对象:光谱界一线工作者。

  详情咨询:news@antpedia.net