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【导语】从黑胶唱片到DVD光盘，再到现代科学中的大型光栅，人类为何对在物体表面刻制细密条纹情有独钟？这些条纹不仅承载着音乐与数据，更隐藏着分光、衍射等神奇的光学效应。中国科学家长春光学精密机械与物理研究所的科学家们在光栅制造领域取得了重大突破，制造出了长达1.5米的高精度光栅。本文将带您探索光栅的奥秘，揭示它在高能激光产生、超精密加工等领域的广泛应用，以及它如何成为现代科学研究中不可或缺的重要工具。

出品：

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制：中国科普博览

从黑胶唱片到光盘，人类为何着迷于在物体表面刻细密的条纹？因为细密的条纹用处实在太多了！较为古早的黑胶唱片，它用于录制与复现音乐。记录音乐时，声音导致气压波动，气压的波动驱动刻针在唱片的表面划出深浅不一的刻痕，刻痕在唱片表面形成了环形条纹，刻痕宽度大约是0.1-0.16mm（毫米）。

黑胶唱片

（图片来源：veer图库）

之后出现了DVD光盘，能够存贮各类数字化的文档。光盘的条纹更加密集，相比于黑胶唱片，光盘的刻录工具从刻针变为激光，生活中用到的光盘刻痕宽度是300-700nm（纳米）。观察光盘发现，光照到光盘表面时，产生了彩虹光晕，这反映了细密条纹除记录信息外的另一大本领：分光！

泛着彩光的DVD光盘

（图片来源：veer图库）

具备这种本领的结构，人们称为光栅。光栅是一种具有规则结构的光学元件，它能够将光根据颜色分为向不同方向传播的光束，光盘上分布规律的条纹便是如此。自然界中也存在着天然的光栅。例如，蝴蝶翅膀上分布着许多微小鳞片，它们组成的光栅造成光的衍射，将光线分开，呈现出绚丽的颜色。

闪蝶翅膀呈现绚丽的蓝色

（图片来源：veer图库）

举个更好“吃”的例子，如果发现切开的卤牛肉泛着绿光，先别急着扔，不是牛肉坏了，而是切面的牛肉纤维分布规律，起到了光栅的效果，所以看起来泛着绿光。

我国科学家制造出大型光栅

在一些特定领域，人们需要条纹更密集、规模更大的光栅。当前，人工刻划的光栅发展到什么程度了呢？近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所巴音贺希格和李文昊团队在大口径光栅的高精度制作方法上取得了突破，制造出了长达1.5m的高精度光栅。

长达1.5m的大型光栅

（图片来源：参考文献[1]）

如此长的光栅，它的每一条刻痕宽300nm，在整个光栅区域内，刻痕之(zhī)间(jiān)的(de)位(wèi)置(zhì)差(chà)异(yì)不(bù)超(chāo)过(guò)10nm。相(xiāng)当(dāng)于(yú)在(zài)长(zhǎng)1.5千(qiān)米(mǐ)的(de)平(píng)面(miàn)上(shàng)刻(kè)画(huà)线(xiàn)条(tiáo)，线(xiàn)条(tiáo)之(zhī)间(jiān)的(de)距(jù)离(lí)偏(piān)差(chà)不(bù)能(néng)超(chāo)过(guò)头(tóu)发(fā)丝(sī)的(de)四(sì)分(fēn)之(zhī)一(yī)。

大(dà)费(fèi)周(zhōu)章(zhāng)地(de)制(zhì)造(zào)出(chū)这(zhè)样(yàng)的(de)大(dà)型(xíng)光(guāng)栅(zhà)，它(tā)到(dào)底(dǐ)有(yǒu)哪(nǎ)些(xiē)用(yòng)处(chù)呢(ne)？

用(yòng)处(chù)一(yī)：大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)光(guāng)栅(zhà)助(zhù)力(lì)产(chǎn)生(shēng)高(gāo)能(néng)激(jī)光(guāng)

大(dà)口(kǒu)径的(de)光(guāng)栅(zhà)是(shì)激(jī)光(guāng)核(hé)聚变（是指利用高能激光加热物质，使得物质的(de)原(yuán)子(zi)核(hé)碰(pèng)撞(zhuàng)到(dào)一(yī)起(qǐ)，发(fā)生(shēng)聚(jù)合(hé)作(zuò)用(yòng)，并(bìng)释(shì)放(fàng)出(chū)大(dà)量(liàng)能(néng)量(liàng)。人(rén)类(lèi)已(yǐ)经(jīng)实(shí)现(xiàn)不(bù)受(shòu)控(kòng)制(zhì)的(de)核(hé)聚(jù)变(biàn)，即(jí)氢(qīng)弹(dàn)的(de)爆(bào)炸(zhà)。激(jī)光(guāng)核(hé)聚(jù)变(biàn)属于可控的核聚变，它可能成为人类未来的能量来源。）中提升激光功率的的核心元件，光栅能将同一个方向入射的不同颜色光分开，同样地，光栅也能将不同方向入射的不同颜色光汇聚在一起。在激光核聚变装置中，利用激光照射物质使其产生聚变需要极高功率的激光，小尺寸的光栅很容易被激光破坏，只有长度在一米量级的光栅能够承担如此重任，将不同颜色的高功率激光组合在一起，进一步提高激光功率。

激光器发出的是脉冲激光，假设激光的能量是1J（焦耳），脉冲持续时间是1s（秒），则激光的平均功率是“能量÷持续时间=1W（瓦）”。脉冲通过光栅后，被光栅展宽了，也就是脉冲的持续时间变长，能量还是1J，持续时间变成10s，平均功率为0.1W；经过放大装置，脉冲能量增加到10J，平均功率就变成了1W。这时候，经过另一个光栅，这个光栅发挥的是压缩脉冲的作用，脉冲持续时间被压缩到了0.1s，脉冲能量10J，平均功率提高到了100W。这一技术就叫做啁啾脉冲放大技术，该技术在2018年获得了诺贝尔物理学奖。利用这一技术，我国当前的高能激光功率已经提升到了拍瓦量级，也就是1亿亿瓦。

啁啾脉冲放大技术示意图

（图片来源：NobelPrize.org）

用处二：制作光栅尺，实现超精密加工

现代工业对测量技术有极高的要求。要想加工出精度极高的元器件，首先需要有能够对元件进行高精度测量的尺子。测量器具有两个重要指标：可以量多远，称为量程；可以量多精，称为精度。卷尺能够量数米长的物体，最小刻度为1mm；20分度游标卡尺的最小刻度为0.05mm,最长能够测量的物体则不超过20cm。

卷尺（左）和游标卡尺（右）

（图片来源：veer图(tú)库(kù)）

精(jīng)度(dù)与(yǔ)量(liàng)程(chéng)似(shì)乎(hu)不(bù)可(kě)兼(jiān)得(de)，一(yī)些(xiē)应(yīng)用(yòng)却(què)要(yào)求(qiú)测(cè)量(liàng)精(jīng)度(dù)高(gāo)，量(liàng)程(chéng)还(hái)必(bì)须(xū)大(dà)，这(zhè)就构成了尖锐的矛盾。而由大尺寸光栅作为主要零部件制作而成的光栅尺就能解决这一问题，很好地满足了工业界的要求。

目前，绝大多数的超精密加工机床都配备了光栅尺，从而能够高精度地加工大型零部件。典型的光栅尺由标尺光栅与指示光栅组成，标尺光栅往往长度在米级，指示光栅比标尺光栅短得多。两个光栅的条纹方向(xiàng)稍有不同，当两个光栅之间相对发生移动时，微小的移动会被两个光栅叠加产生“莫尔条纹”。两个光栅之间的细微移动，表现为莫尔条纹更加明显的变化，细微的变化被放大了，也就更加容易测量。传感器探测到莫尔条纹的变化，能够反推出两个光栅的相对移动距离。利用该技术制作而成的光删尺，量程可达到一米甚至更长，测量精度能达到微米或纳米量级。

两个光栅叠加产生“莫尔条纹”示意图

（图片来源：作者自制）

正如光栅设计、制造领域的著名科学家G.R.Harrision 评价的那样，很难再找到一个像光栅这样的器件，它为科学研究的绝大多数(shù)领(lǐng)域都(dōu)带(dài)来(lái)了(le)精(jīng)密(mì)的(de)实(shí)验(yàn)数(shù)据(jù)，从(cóng)物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)、天(tiān)文学(xué)家(jiā)、生(shēng)物(wù)学(xué)家(jiā)、到(dào)冶(yě)金(jīn)学(xué)家(jiā)，他(tā)们(men)都(dōu)将(jiāng)光(guāng)栅(zhà)作(zuò)为(wèi)非(fēi)常(cháng)精(jīng)确(què)的(de)工(gōng)具(jù)。如(rú)果(guǒ)没(méi)有(yǒu)它(tā)，现(xiàn)代(dài)科(kē)学(xué)的(de)发(fā)展(zhǎn)将(jiāng)受(shòu)到(dào)极(jí)大(dà)的(de)阻(zǔ)碍。

参考文献：

[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]吴(wú)宏(hóng)圣(shèng),曾(céng)琪(qí)峰(fēng),乔栋,等.提高光栅莫尔条纹信号质量的滤波方法[J].光学精密工程, 2011, 19(008):1944-1949.DOI:10.3788/OPE.20111908.1944.