出品：科普中國(guó)
作者：海里的咸魚(yú)（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
從黑膠唱片到光盤(pán)，人類(lèi)為何著迷于在物體表面刻細(xì)密的條紋？因?yàn)榧?xì)密的條紋用處實(shí)在太多了！較為古早的黑膠唱片，它用于錄制與復(fù)現(xiàn)音樂(lè)。記錄音樂(lè)時(shí)，聲音導(dǎo)致氣壓波動(dòng)，氣壓的波動(dòng)驅(qū)動(dòng)刻針在唱片的表面劃出深淺不一的刻痕，刻痕在唱片表面形成了環(huán)形條紋，刻痕寬度大約是0.1-0.16mm（毫米）。
黑膠唱片
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
之后出現(xiàn)了DVD光盤(pán)，能夠存貯各類(lèi)數(shù)字化的文檔。光盤(pán)的條紋更加密集，相比于黑膠唱片，光盤(pán)的刻錄工具從刻針變?yōu)榧す?，生活中用到的光盤(pán)刻痕寬度是300-700nm（納米）。觀察光盤(pán)發(fā)現(xiàn)，光照到光盤(pán)表面時(shí)，產(chǎn)生了彩虹光暈，這反映了細(xì)密條紋除記錄信息外的另一大本領(lǐng)：分光！
泛著彩光的DVD光盤(pán)
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
具備這種本領(lǐng)的結(jié)構(gòu)，人們稱(chēng)為光柵。光柵是一種具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，它能夠?qū)⒐飧鶕?jù)顏色分為向不同方向傳播的光束，光盤(pán)上分布規(guī)律的條紋便是如此。自然界中也存在著天然的光柵。例如，蝴蝶翅膀上分布著許多微小鱗片，它們組成的光柵造成光的衍射，將光線(xiàn)分開(kāi)，呈現(xiàn)出絢麗的顏色。
閃蝶翅膀呈現(xiàn)絢麗的藍(lán)色
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
舉個(gè)更好“吃”的例子，如果發(fā)現(xiàn)切開(kāi)的鹵牛肉泛著綠光，先別急著扔，不是牛肉壞了，而是切面的牛肉纖維分布規(guī)律，起到了光柵的效果，所以看起來(lái)泛著綠光。
我國(guó)科學(xué)家制造出大型光柵
在一些特定領(lǐng)域，人們需要條紋更密集、規(guī)模更大的光柵。當(dāng)前，人工刻劃的光柵發(fā)展到什么程度了呢？近期，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所巴音賀希格和李文昊團(tuán)隊(duì)在大口徑光柵的高精度制作方法上取得了突破，制造出了長(zhǎng)達(dá)1.5m的高精度光柵。
長(zhǎng)達(dá)1.5m的大型光柵
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）
如此長(zhǎng)的光柵，它的每一條刻痕寬300nm，在整個(gè)光柵區(qū)域內(nèi)，刻痕之間的位置差異不超過(guò)10nm。相當(dāng)于在長(zhǎng)1.5千米的平面上刻畫(huà)線(xiàn)條，線(xiàn)條之間的距離偏差不能超過(guò)頭發(fā)絲的四分之一。
大費(fèi)周章地制造出這樣的大型光柵，它到底有哪些用處呢？
用處一：大尺寸光柵助力產(chǎn)生高能激光
大口徑的光柵是激光核聚變（是指利用高能激光加熱物質(zhì)，使得物質(zhì)的原子核碰撞到一起，發(fā)生聚合作用，并釋放出大量能量。人類(lèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，即氫彈的爆炸。激光核聚變屬于可控的核聚變，它可能成為人類(lèi)未來(lái)的能量來(lái)源。）中提升激光功率的的核心元件，光柵能將同一個(gè)方向入射的不同顏色光分開(kāi)，同樣地，光柵也能將不同方向入射的不同顏色光匯聚在一起。在激光核聚變裝置中，利用激光照射物質(zhì)使其產(chǎn)生聚變需要極高功率的激光，小尺寸的光柵很容易被激光破壞，只有長(zhǎng)度在一米量級(jí)的光柵能夠承擔(dān)如此重任，將不同顏色的高功率激光組合在一起，進(jìn)一步提高激光功率。
激光器發(fā)出的是脈沖激光，假設(shè)激光的能量是1J（焦耳），脈沖持續(xù)時(shí)間是1s（秒），則激光的平均功率是“能量÷持續(xù)時(shí)間=1W（瓦）”。脈沖通過(guò)光柵后，被光柵展寬了，也就是脈沖的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，能量還是1J，持續(xù)時(shí)間變成10s，平均功率為0.1W；經(jīng)過(guò)放大裝置，脈沖能量增加到10J，平均功率就變成了1W。這時(shí)候，經(jīng)過(guò)另一個(gè)光柵，這個(gè)光柵發(fā)揮的是壓縮脈沖的作用，脈沖持續(xù)時(shí)間被壓縮到了0.1s，脈沖能量10J，平均功率提高到了100W。這一技術(shù)就叫做啁啾脈沖放大技術(shù)，該技術(shù)在2018年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。利用這一技術(shù)，我國(guó)當(dāng)前的高能激光功率已經(jīng)提升到了拍瓦量級(jí)，也就是1億億瓦。
啁啾脈沖放大技術(shù)示意圖
（圖片來(lái)源：NobelPrize.org）
用處二：制作光柵尺，實(shí)現(xiàn)超精密加工
現(xiàn)代工業(yè)對(duì)測(cè)量技術(shù)有極高的要求。要想加工出精度極高的元器件，首先需要有能夠?qū)υM(jìn)行高精度測(cè)量的尺子。測(cè)量器具有兩個(gè)重要指標(biāo)：可以量多遠(yuǎn)，稱(chēng)為量程；可以量多精，稱(chēng)為精度。卷尺能夠量數(shù)米長(zhǎng)的物體，最小刻度為1mm；20分度游標(biāo)卡尺的最小刻度為0.05mm,最長(zhǎng)能夠測(cè)量的物體則不超過(guò)20cm。
卷尺（左）和游標(biāo)卡尺（右）
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
精度與量程似乎不可兼得，一些應(yīng)用卻要求測(cè)量精度高，量程還必須大，這就構(gòu)成了尖銳的矛盾。而由大尺寸光柵作為主要零部件制作而成的光柵尺就能解決這一問(wèn)題，很好地滿(mǎn)足了工業(yè)界的要求。
目前，絕大多數(shù)的超精密加工機(jī)床都配備了光柵尺，從而能夠高精度地加工大型零部件。典型的光柵尺由標(biāo)尺光柵與指示光柵組成，標(biāo)尺光柵往往長(zhǎng)度在米級(jí)，指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多。兩個(gè)光柵的條紋方向稍有不同，當(dāng)兩個(gè)光柵之間相對(duì)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，微小的移動(dòng)會(huì)被兩個(gè)光柵疊加產(chǎn)生“莫爾條紋”。兩個(gè)光柵之間的細(xì)微移動(dòng)，表現(xiàn)為莫爾條紋更加明顯的變化，細(xì)微的變化被放大了，也就更加容易測(cè)量。傳感器探測(cè)到莫爾條紋的變化，能夠反推出兩個(gè)光柵的相對(duì)移動(dòng)距離。利用該技術(shù)制作而成的光刪尺，量程可達(dá)到一米甚至更長(zhǎng)，測(cè)量精度能達(dá)到微米或納米量級(jí)。
兩個(gè)光柵疊加產(chǎn)生“莫爾條紋”示意圖
（圖片來(lái)源：作者自制）
正如光柵設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域的著名科學(xué)家G.R.Harrision 評(píng)價(jià)的那樣，很難再找到一個(gè)像光柵這樣的器件，它為科學(xué)研究的絕大多數(shù)領(lǐng)域都帶來(lái)了精密的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從物理學(xué)家、天文學(xué)家、生物學(xué)家、到冶金學(xué)家，他們都將光柵作為非常精確的工具。如果沒(méi)有它，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展將受到極大的阻礙。
參考文獻(xiàn)：
[1] Li W , Wang X ,Bayanheshig,et al.Controlling the wavefront aberration of a large-aperture and high-precision holographic diffraction grating[J].Light: Science & Applications, 2025, 14(1).DOI:10.1038/s41377-025-01785-2.
[2]吳宏圣,曾琪峰,喬棟,等.提高光柵莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量的濾波方法[J].光學(xué)精密工程, 2011, 19(008):1944-1949.DOI:10.3788/OPE.20111908.1944.
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