【正文】 理論值。 Bausch amp。 Mann 刻劃?rùn)C(jī) Mann刻劃?rùn)C(jī)最初是由美國(guó)馬薩諸塞州的 Mann公司的 David 。在 1990 年，這套系統(tǒng)被一套基于激光干涉儀的數(shù)字計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)所取代。并連續(xù)生產(chǎn)了大量的高質(zhì)量的最大刻劃面積達(dá) 的光柵。這臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)最初是 由 Michelson于 1910 年代設(shè)計(jì)，后來(lái)被 Gale改造。 Michelson刻劃?rùn)C(jī) 1947 年， Bausch amp。 美國(guó)的光柵刻劃?rùn)C(jī)研究現(xiàn)狀 目前，美國(guó) Richardson 光柵實(shí)驗(yàn)室共有 3 臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)全日運(yùn)行，每年都會(huì)生產(chǎn)出大量的高質(zhì)量光柵。 光柵刻劃?rùn)C(jī)被稱為 “精密機(jī)械之王 ”，世界上除了美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、瑞士和俄羅斯等國(guó)家擁有光柵刻劃?rùn)C(jī)之外，中國(guó)是唯一一個(gè)擁有光 柵刻劃?rùn)C(jī)的發(fā)展中國(guó)家。因此，對(duì)刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃?rùn)C(jī)的研究，另一方面也可以促進(jìn)大行程納米級(jí)定位技術(shù)的研究，從而推動(dòng)微電子制造、光電測(cè)量?jī)x器、各種超精密加工等領(lǐng)域的發(fā)展，也從另一方面提升我國(guó)的綜合實(shí)力。 于此同時(shí)，由于光柵刻劃?rùn)C(jī)要求在幾百毫米的范圍內(nèi)刻劃超過(guò)幾千槽每毫米的刻槽，且定位精度在 10nm以內(nèi)。由此可見，我國(guó)的光柵刻劃技術(shù)與美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距。美國(guó)理查森光柵實(shí)驗(yàn)室 (Richardson Grating Laboratory)所研制的 MITB型光柵刻劃?rùn)C(jī)可以刻制出 衍射光柵的最大面積為 ，這是目前世界上利用刻劃?rùn)C(jī)所能刻制出的最大面積的刻劃光柵。 若想獲得大面積衍射光柵，最容易想到的方法就是利 用光柵刻劃?rùn)C(jī)來(lái)刻制，自哈里森 (Harrison)和斯楚克 (Stroke)將干涉光電技術(shù)成功地用于控制衍射光柵的刻劃過(guò)程后，由于近代高精度機(jī)械加工設(shè)備的出現(xiàn)及加工技術(shù)的發(fā)展，使得研制高精度、大行程衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)成為可能。能否獲取大面積的衍射光柵已經(jīng)成為這些項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵之一。我國(guó)已經(jīng)正式簽署了全面禁止核試驗(yàn)的國(guó)際公約，向全世界鄭重承諾不在野外進(jìn)行核彈實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于一個(gè)有核的國(guó)家，對(duì)于核技術(shù)的研究、掌握和控制是非常重要的。因其光路多為掠入射，因此要求較大面積的衍射光柵，并且衍射光柵的損耗特別大，衍射光柵需要定期更換。同步輻射光 源被認(rèn)為是性能最好的軟 X射線源之一，它廣泛地應(yīng)用于短波長(zhǎng)、準(zhǔn)連續(xù)、高劑量的實(shí)驗(yàn)中。 表 1大型天文望遠(yuǎn)鏡附屬光譜儀的衍射光柵尺寸 高分辨率的光譜儀同時(shí)觀測(cè) 4000個(gè)目標(biāo)，需要 64塊大面積衍射光柵。表 1 所示為世界上其它一些大型天文望遠(yuǎn)鏡附屬光 譜分析儀所需衍射光柵的尺寸。這個(gè)高分辨率光譜儀使用了由三塊 的階梯光柵。莫西 (Geoffrey Marcy)和澳大利亞的波爾 178。衍射光柵是天文望遠(yuǎn)鏡附屬光譜分析儀的核心元件，因此它的面積必須相應(yīng)地隨之增大 。對(duì)大面積衍射光柵的需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）天文物理學(xué)方面 眾所周知，為了更好地滿足人類探索宇宙空間的需要，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑 正在不斷增大。而且，能否獲取適用 的大面積衍射光柵， 已經(jīng)成為影響某些大型高技術(shù)工程項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。在刻劃光柵時(shí)，一般要求刻劃的偶然誤差小于 1/10光柵常數(shù)、周期誤差小于 1/100光柵常數(shù)，用干涉方法檢驗(yàn)波面差必須小于 1/3條紋。 光柵通常是利用光柵刻劃?rùn)C(jī)在鍍有鋁膜的玻璃毛坯上每 mm刻劃出不同線數(shù)的槽來(lái)獲取的，常用的光柵一般為 300g/mm、 600g/mm、 1200g/mm、 1800g/mm等。如應(yīng)用于單色儀、光譜儀、分析設(shè)備、顏色測(cè)定儀、生產(chǎn)工藝控制、質(zhì)量控制、目標(biāo)確定等方面。近年來(lái)，隨著微加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，光 柵的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。按照工作方式分類，可分為透射光柵和反射光柵兩大類。衍射光柵在光學(xué)上的最重要應(yīng)用是作為分光器件，常被用于單色儀和光譜儀上。 衍射光柵（ diffraction grating，通常簡(jiǎn)稱為 “光柵 ”）是一種核心的光學(xué)元件。（含重大科學(xué)研究計(jì)劃）項(xiàng)目申請(qǐng)書編寫提綱 項(xiàng)目摘要（ 1,000字左右） 簡(jiǎn)述項(xiàng)目所面向的國(guó)家重大需求、擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、主要研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)、課題設(shè)置。 申請(qǐng)書正文（ 30,000字左右） 一、 立項(xiàng)依據(jù) 項(xiàng)目所面向的我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國(guó)家安全和科學(xué)技術(shù)自身發(fā)展的重大需求，項(xiàng)目研究的科學(xué)意義，對(duì)解 決國(guó)家重大需求問(wèn)題的預(yù)期貢獻(xiàn)等。衍射光柵通過(guò)有規(guī)律的結(jié)構(gòu)，使入射光的振幅或相位（或兩者同時(shí)）受到周期性空間調(diào)制。實(shí)際應(yīng)用的衍射光柵通常是在表面上配置著密集、等間距的線、縫、槽或光學(xué)性質(zhì)變化物質(zhì)的平板。 起初衍射光柵的主要用于實(shí)現(xiàn)復(fù)色光的空間分離。借助衍射光柵，人們分辨出肉眼無(wú)法鑒別的物質(zhì)，在生產(chǎn)、通訊、科研等方面有著重要應(yīng)用。隨著微加工技術(shù)在微光學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了依托光柵的偏振器、光波導(dǎo)、窄帶濾波器、分相位衍射元件等新的微光學(xué)器件，其應(yīng)用范圍也開始從光譜學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到計(jì)量科學(xué)、光通信、 X射線天體物理學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)、裝飾、防偽等諸多領(lǐng)域。隨著刻劃技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光柵刻劃密度要求越來(lái)越高，具文獻(xiàn)資料顯示，目前世界上可刻劃出的最高刻線密度的光柵為： 10800g/mm，并且定位精度可達(dá) 5nm。 近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，特別是一些大型高技術(shù)工程項(xiàng)目的陸續(xù)開展，對(duì)衍射光柵的技術(shù)性能提出了更高的要求。同時(shí)，由于這些大工程項(xiàng)目對(duì)大面積衍射光柵的迫切需要，使研制大面積衍射光柵成為國(guó)際光柵領(lǐng)域的重大課題之一。隨著光學(xué)加工技術(shù)、自適應(yīng)理論及微定位技術(shù)和拼接技術(shù)的發(fā)展，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑己由原來(lái)的直徑不到 lm發(fā)展到現(xiàn)在的直徑超過(guò) 10m甚至更大。如美國(guó)舊金山州立大學(xué) (San Francisco State University)的喬夫瑞 178。巴特勒 (Paul Butler)等人在 1998年八月份宣布，他們利用一種新型高分辨率 Echelle 光譜儀，探測(cè)到太陽(yáng)系以外未知行星的數(shù)目已達(dá)到 12 個(gè)。美國(guó)德克薩斯大學(xué)計(jì)劃研制 300英寸的天文望遠(yuǎn)鏡，其附屬光譜儀需要衍射光柵的尺寸為 。這些需要大大加速了國(guó)際光柵界探索研制大面積衍射光柵技術(shù)的進(jìn)程。 2)同步輻射光束線工程的需要 同步輻射是當(dāng)電子或離子在磁場(chǎng)中加速到接近光速時(shí)，沿軌道切線方向產(chǎn) 生的一種電磁輻射，其光譜是連續(xù)的，且可延伸到很寬的波長(zhǎng)范圍。同步加速器輻射光源的問(wèn) 世，給高分辨率光譜分析帶來(lái)了巨大的變化。 3)激光核聚變項(xiàng)目的需要 當(dāng)今國(guó)際上，能否充分利用被譽(yù)為取之不盡的新型能源 —核能源，己經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力尤其是高科技實(shí)力的體現(xiàn)。 世界上幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)將核技術(shù)的研究實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)入室內(nèi)進(jìn)行，如美國(guó)的LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，在激光核聚變項(xiàng)目上，使用了大面積衍射光柵來(lái)對(duì)激光脈沖進(jìn)行時(shí)間和空間上壓縮，利用壓縮后獲得的高能激光束轟擊靶心來(lái)產(chǎn)生核聚變，他們所用衍射光柵的面積己經(jīng)達(dá)到之大，取得了滿意的效果。 由此可見，能否制造大面積、高刻劃密度的衍射光柵，對(duì)于一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，也是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力的體現(xiàn)。目前，我國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所研制的 2號(hào)光柵刻劃?rùn)C(jī)，能夠刻劃的衍射光柵的最大面積為 ，最高刻線密度為 :2022g/mm,這是我國(guó)采用光柵刻劃?rùn)C(jī)能夠刻劃的最大面積。而日本的日立公司也擁有光柵刻劃?rùn)C(jī)，并有最高的刻劃技術(shù)，其可刻劃的最高密度超過(guò) 10000g/mm，而定位精度可達(dá) 5nm。為了滿足空天地等大型項(xiàng)目對(duì)大面積高精度衍射光柵的需要，必須加大對(duì)刻劃大面積光柵、高刻線密度的光柵刻劃?rùn)C(jī)的研究力度。所以 光柵刻劃?rùn)C(jī)在刻槽間隙方向的定位技術(shù)屬于大行程納米級(jí)的超精密定位技術(shù)。 二、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)際最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀和水平，相關(guān)研究領(lǐng)域取得突破的可能性等。其中，美國(guó) Richardson 光柵實(shí)驗(yàn)室和日本 Hitachi 公司所研制的光柵刻劃?rùn)C(jī)處于世界的領(lǐng)先水平。這 3 臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)分別是： Michelson 刻劃?rùn)C(jī)、 Mann 刻劃?rùn)C(jī)和 MITB刻劃?rùn)C(jī)。 Lomb 從美國(guó)芝加哥大學(xué)獲得他們的第一臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)。在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改良之后，這臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)的性能得到了極大的提升。 Michelson 刻劃?rùn)C(jī)最初設(shè)計(jì)的時(shí)候采用了一個(gè)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械修正凸輪來(lái)導(dǎo)出絲桿的誤差，并通過(guò)一套干涉儀系統(tǒng)進(jìn)行繪制。 Michelson 刻劃?rùn)C(jī)能夠刻劃的光柵的刻劃密度范圍非常大，最低的刻劃密度為： 20 槽 ，最高的刻劃 密度可達(dá)。從 1953年開始，這臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)就開始生產(chǎn)光柵了。 Lomb采用 Harrison 光柵實(shí)驗(yàn)室的 MIT9 光柵刻劃?rùn)C(jī)的技術(shù)為 Mann 刻劃?rùn)C(jī)裝備了一套干涉伺服控制系統(tǒng)。 即使絲桿的加工精度達(dá)到可以達(dá)到的最高的精度，螺紋和軸承仍然會(huì)有殘留誤差。在對(duì)每條刻槽進(jìn)行刻劃的時(shí)候，該系統(tǒng)不斷地對(duì)光柵工作臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，使其保持在正確的位置。 MITB刻劃?rùn)C(jī) MITB 刻劃?rùn)C(jī)是由美國(guó) Harrison 光柵實(shí)驗(yàn)室建造，并于 1968 年搬到美國(guó)的羅契斯特市，在刻劃平面光柵時(shí)， MITB 刻劃?rùn)C(jī)可獲得 Harrison 光柵實(shí)驗(yàn)室中所有刻劃?rùn)C(jī)的最高精度。 MITB 刻劃?rùn)C(jī)采用兩個(gè)頻率穩(wěn)定的激光干涉儀進(jìn)行刻劃控制，不但可以對(duì)工作臺(tái)分度方向的位置進(jìn)行正確控制，同時(shí)還可以矯正工作臺(tái)擺角誤差。除此之外，這臺(tái)光柵刻劃?rùn)C(jī)還能刻劃出非常好的中階梯光柵。 MITB刻劃?rùn)C(jī)實(shí)物 日本的光柵刻劃?rùn)C(jī)研究現(xiàn)狀 1992 年，日本 Hitachi 公司成功研制了一臺(tái)可以刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃?rùn)C(jī)，該光柵刻劃?rùn)C(jī)采用一 個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)微位移驅(qū)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)大行程運(yùn)動(dòng)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng) 間歇刻劃的 （寬度） （刻槽長(zhǎng)度） mm，刻劃方式。 圖為 Hitachi 公司 1992 年研制刻劃?rùn)C(jī)的布局圖，圖 為該刻劃?rùn)C(jī)的實(shí)拍照片。刻劃?rùn)C(jī)下面的地板是由 4 個(gè)空氣波紋管支撐，從而隔離外部的震動(dòng)。 日本 Hitachi公司 1992 年刻劃?rùn)C(jī)原理布局圖 在設(shè)計(jì)工作臺(tái)時(shí)， Hitachi 公司的研究人采用了一種比較新的設(shè)計(jì)概念，將工作臺(tái)分為上層臺(tái)和下層臺(tái)，如圖 ？？ 所示。上層臺(tái)則是通過(guò)四個(gè)彈簧片支撐，安裝在下層臺(tái)的上方，上層臺(tái)可以在分度方向無(wú)摩擦地移動(dòng)，光柵毛坯安裝在上層臺(tái)上，這樣的設(shè)計(jì)可以提高光柵毛坯在 分度方向的動(dòng)態(tài)特性，在幾十納米范圍內(nèi)準(zhǔn)確快速地定位，并且不會(huì)因?yàn)椴环€(wěn)定因素。在刻劃的過(guò)程中，下層臺(tái)以恒定速度進(jìn)行分度，在落刀刻劃時(shí)，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)上層臺(tái)以大小相等方向相反的速度移動(dòng)，從而保持刻劃時(shí)，光柵毛坯相對(duì)于刀橋靜止，如圖？？ 所示。 日本 Hitachi公司 1992 年刻劃?rùn)C(jī)主要部分實(shí)物 日本 Hitachi公司 1992 年刻劃?rùn)C(jī)工作臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖 日本 Hitachi公司 1