【正文】 其良好的性能，在很多場合，特別是大長度和大位移的精密測量中得到廣泛的應用。而近年來，以壓電陶瓷為驅(qū)動器、結(jié)合各種新型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的微動工作臺一直是超精密定位研究的熱點之一；（2） 大行程納米傳感器：在工作臺定位時的位移檢測方面，盡管目前用于納米位移測量的方法很多，如各種掃描顯微鏡類儀器(掃描隧道顯微鏡STM、原子力顯微鏡AFM、掃描電子顯微鏡SEM、掃描電容顯微鏡SCM等)，電容、電感測微儀，X射線干涉儀以及激光干涉儀和精密光柵尺等，但受到測量范圍和測量速度的限制，只有最后兩種裝置在大行程納米定位系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。實際上，微定位的過程就是誤差補償或精度補償?shù)倪^程。因此在刻劃機的設計和研制中，要充分考慮以下和大行程納米定位技術(shù)有關(guān)的研究內(nèi)容：（1） 工作臺的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動：眾所周知，要實現(xiàn)超精密定位，首先要有能實現(xiàn)納米量級驅(qū)動分辨率的微位移機構(gòu)。其研制難度不僅在于要實現(xiàn)大行程，還要保證在行程內(nèi)的刻線周期誤差。當前，亞微米定位精度是精密定位的最低限度，而納米級的定位精度則代表著精密定位技術(shù)的最高水平。精密定位的概念在不同時期有著不同的理解和數(shù)量界定，但并沒有一致或權(quán)威的規(guī)定。從工作行程來說，精密定位的應用分為兩個領(lǐng)域。由于精密定位技術(shù)應用領(lǐng)域的廣泛性、對高科技發(fā)展影響的重要性，因而一直是各個發(fā)達國家的科研機構(gòu)、高等院校和大型企業(yè)研究的重點。精密定位技術(shù)更是光柵刻劃機中的關(guān)鍵技術(shù)之一，定位系統(tǒng)在各種光柵刻劃機中都到關(guān)鍵性的作用。光柵制造技術(shù)是當今最為精密的技術(shù)之一，光柵刻劃機則被稱為“精密機械之王”。三、 擬解決的關(guān)鍵科學問題和主要研究內(nèi)容詳細闡述圍繞國家重大需求所要解決的關(guān)鍵科學問題的內(nèi)涵。這臺刻劃機也是將工作臺分為內(nèi)外兩層臺結(jié)構(gòu)，內(nèi)臺通過四個彈簧鋼片懸掛在外臺內(nèi)部，待刻光柵毛坯則放置于內(nèi)臺上，并在內(nèi)外臺之間安裝兩個壓電陶瓷驅(qū)動器（分別置于內(nèi)臺兩側(cè)），實現(xiàn)內(nèi)臺相對于外臺的微位移驅(qū)動。刻劃機由動力系統(tǒng)、分度系統(tǒng)、刻劃系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及監(jiān)視系統(tǒng)等 5 個部分組成。長春光機所大光柵刻劃機整體結(jié)構(gòu)三維設計立體圖這臺光柵刻劃機總體設計方式采用羅蘭方式，即工作臺承載待刻光柵做單方向分度運動，光柵刻刀做往復運動，運動方向與分度方向垂直。長春光機所大光柵刻劃機（在研）長春光機所正在研制一臺要達到國際領(lǐng)先水平的大型高精度衍射光柵刻劃機及其運動系統(tǒng)，這臺刻劃機的研制目標是：刻劃面積為；最高刻劃密度達 ；周期誤差需要小于 ；連續(xù)無故障運行時間不小于 30 晝夜；光柵衍射波前誤差小于（范圍，）。外工作臺安裝在兩個平行滑動導軌上，通過一個絲桿螺母副帶動外工作臺和內(nèi)工作臺在分度方向?qū)崿F(xiàn)大行程的運動。由于對光柵刻劃精度和刻劃質(zhì)量要求的提高，長光所于 2009 年開始再次對 2 號光柵刻劃機進行了改造，圖？？？即為經(jīng)過改造后，2號光柵刻劃機的實物圖。 的實驗用透射光柵。 的天文光柵。當時的最大刻劃面積為：，在 1992 年進行擴程改造后，其刻劃面積達到。長春光機所目前共有自行研制的 5 臺機械式和光電控制式光柵刻劃機在正常運轉(zhuǎn)。日本Hitachi公司1992 年刻劃機主要部分實物日本Hitachi公司1992 年刻劃機工作臺設計原理圖日本Hitachi公司1992 年刻劃機工作臺位移原理圖？？是Hitachi公司1992年刻劃機的控制系統(tǒng)框圖，該控制系統(tǒng)由一個計算機中編程實現(xiàn)的順序控制系統(tǒng)、兩個反饋控制環(huán)和作為驅(qū)動器的一個壓電陶瓷機一個伺服電機組成。在刻劃的過程中，下層臺以恒定速度進行分度，在落刀刻劃時，壓電陶瓷驅(qū)動上層臺以大小相等方向相反的速度移動，從而保持刻劃時，光柵毛坯相對于刀橋靜止，如圖？？ 所示。上層臺則是通過四個彈簧片支撐，安裝在下層臺的上方，上層臺可以在分度方向無摩擦地移動，光柵毛坯安裝在上層臺上，這樣的設計可以提高光柵毛坯在分度方向的動態(tài)特性，在幾十納米范圍內(nèi)準確快速地定位，并且不會因為不穩(wěn)定因素。日本Hitachi公司1992 年刻劃機原理布局圖在設計工作臺時，Hitachi 公司的研究人采用了一種比較新的設計概念，將工作臺分為上層臺和下層臺，如圖 ？？ 所示。刻劃機下面的地板是由 4 個空氣波紋管支撐，從而隔離外部的震動。圖為 Hitachi 公司 1992 年研制刻劃機的布局圖，圖 為該刻劃機的實拍照片。MITB刻劃機實物日本的光柵刻劃機研究現(xiàn)狀1992年，日本Hitachi公司成功研制了一臺可以刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃機，該光柵刻劃機采用一個閉環(huán)控制系統(tǒng)對實現(xiàn)工作臺微位移驅(qū)動和實現(xiàn)工作臺大行程運動的絲杠螺母機構(gòu)進行混合驅(qū)動，實現(xiàn)連續(xù)運動 間歇刻劃的刻劃方式。除此之外，這臺光柵刻劃機還能刻劃出非常好的中階梯光柵。MITB 刻劃機采用兩個頻率穩(wěn)定的激光干涉儀進行刻劃控制，不但可以對工作臺分度方向的位置進行正確控制，同時還可以矯正工作臺擺角誤差。MITB刻劃機MITB 刻劃機是由美國 Harrison 光柵實驗室建造，并于 1968 年搬到美國的羅契斯特市，在刻劃平面光柵時，MITB 刻劃機可獲得 Harrison 光柵實驗室中所有刻劃機的最高精度。在對每條刻槽進行刻劃的時候，該系統(tǒng)不斷地對光柵工作臺進行調(diào)整，使其保持在正確的位置。即使絲桿的加工精度達到可以達到的最高的精度，螺紋和軸承仍然會有殘留誤差。 Lomb采用Harrison光柵實驗室的 MIT9光柵刻劃機的技術(shù)為 Mann 刻劃機裝備了一套干涉伺服控制系統(tǒng)。從1953年開始，這臺光柵刻劃機就開始生產(chǎn)光柵了。Michelson 刻劃機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：，最高的刻劃密度可達。Michelson 刻劃機最初設計的時候采用了一個適當?shù)臋C械修正凸輪來導出絲桿的誤差，并通過一套干涉儀系統(tǒng)進行繪制。在經(jīng)過進一步的改良之后，這臺光柵刻劃機的性能得到了極大的提升。 Lomb從美國芝加哥大學獲得他們的第一臺光柵刻劃機。這 3 臺光柵刻劃機分別是：Michelson 刻劃機、Mann 刻劃機和MITB刻劃機。其中，美國 Richardson 光柵實驗室和日本 Hitachi 公司所研制的光柵刻劃機處于世界的領(lǐng)先水平。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢國際最新研究進展和發(fā)展趨勢，國內(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。所以光柵刻劃機在刻槽間隙方向的定位技術(shù)屬于大行程納米級的超精密定位技術(shù)。為了滿足空天地等大型項目對大面積高精度衍射光柵的需要，必須加大對刻劃大面積光柵、高刻線密度的光柵刻劃機的研究力度。而日本的日立公司也擁有光柵刻劃機，并有最高的刻劃技術(shù)，其可刻劃的最高密度超過10000g/mm，而定位精度可達5nm。目前，我國長春光機所研制的2號光柵刻劃機，能夠刻劃的衍射光柵的最大面積為，最高刻線密度為:2000g/mm,這是我國采用光柵刻劃機能夠刻劃的最大面積。 由此可見，能否制造大面積、高刻劃密度的衍射光柵，對于一個國家的科學技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，也是一個國家高科技實力的體現(xiàn)。 世界上幾個發(fā)達國家己經(jīng)將核技術(shù)的研究實驗轉(zhuǎn)入室內(nèi)進行，如美國的LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)國家實驗室，在激光核聚變項目上，使用了大面積衍射光柵來對激光脈沖進行時間和空間上壓縮，利用壓縮后獲得的高能激光束轟擊靶心來產(chǎn)生核聚變，他們所用衍射光柵的面積己經(jīng)達到之大，取得了滿意的效果。 3)激光核聚變項目的需要 當今國際上，能否充分利用被譽為取之不盡的新型能源—核能源，己經(jīng)成為一個國家綜合實力尤其是高科技實力的體現(xiàn)。同步加速器輻射光源的問世，給高分辨率光譜分析帶來了巨大的變化。 2)同步輻射光束線工程的需要 同步輻射是當電子或離子在磁場中加速到接近光速時，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范圍。這些需要大大加速了國際光柵界探索研制大面積衍射光柵技術(shù)的進程。美國德克薩斯大學計劃研制300英寸的天文望遠鏡，其附屬光譜儀需要衍射光柵的尺寸為。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，探測到太陽系以外未知行星的數(shù)目已達到12個。如美國舊金山州立大學(San Francisco State University)的喬夫瑞隨著光學加工技術(shù)、自適應理論及微定位技術(shù)和拼接技術(shù)的發(fā)展，天文望遠鏡的口徑己由原來的直徑不到lm發(fā)展到現(xiàn)在的直徑超過10m甚至更大。同時，由于這些大工程項目對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際光柵領(lǐng)域的重大課題之一。 近些年來，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展進步，特別是一些大型高技術(shù)工程項目的陸續(xù)開展，對衍射光柵的技術(shù)性能提出了更高的要求。隨著刻劃技術(shù)的發(fā)展，對光柵刻劃密度要求越來越高，具文獻資料顯示，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5nm。隨著微加工技術(shù)在微光學領(lǐng)域的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了依托光柵的偏振器、光波導、窄帶濾波器、分相位衍射元件等新的微光學器件，其應用范圍也開始從光譜學領(lǐng)域擴展到計量科學、光通信、X射線天體物理學、實驗力學、裝飾、防偽等諸多領(lǐng)域。借助衍射光柵，人們分辨出肉眼無法鑒別的物質(zhì)，在生產(chǎn)、通訊、科研等方面有著重要應用。起初衍射光柵的主要用于實現(xiàn)復色光的空間分離。實際應用的衍射光柵通常是在表面上配置著密集、等間距的線、縫、槽或光學性質(zhì)變化物質(zhì)的平板。衍射光柵通過有規(guī)律的結(jié)構(gòu)，使入射光的振幅或相位（或兩者同時）受到周期性空間調(diào)制。申請書正文（30,000字左右）一、 立項依據(jù)項目所面向的我國經(jīng)濟、社會、國家安全和科學技術(shù)自身發(fā)展的重大需求，項目研究的科學意義，對解決國家重大需求問題的預期貢獻等。國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（含重大科學研究計劃）項目申請書編寫提綱項目摘要（1,000字左右） 簡述項目所面向的國家重大需求、擬解決的關(guān)鍵科學問題、主要研究內(nèi)容和目標、課題設置。衍射光柵（diffraction grating，通常簡稱為“光柵”）是一種核心的光學元件。衍射光柵在光學上的最重要應用是作為分光器件，常被用于單色儀和光譜儀上。按照工作方式分類，可分為透射光柵和反射光柵兩大類。近年來，隨著微加工技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，光柵的應用范圍也越來越廣泛。如應用于單色儀、光譜儀、分析設備、顏色測定儀、生產(chǎn)工藝控制、質(zhì)量控制、目標確定等方面。光柵通常是利用光柵刻劃機在鍍有鋁膜的玻璃毛坯上每mm刻劃出不同線數(shù)的槽來獲取的，常用的光柵一般為300g/mm、600g/mm、1200g/mm、1800g/mm等。在刻劃光柵時，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)，用干涉方法檢驗波面差必須小于1/3條紋。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)工程項目成敗的關(guān)鍵。對大面積衍射光柵的需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1）天文物理學方面 眾所周知，為了更好地滿足人類探索宇宙空間的需要，天文望遠鏡的口徑正在不斷增大。衍射光柵是天文望遠鏡附屬光譜分析儀的核心元件，因此它的面積必須相應地隨之增大。莫西(Geoffrey Marcy)和澳大利亞的波爾這個高分辨率光譜儀使用了由三塊的階梯光柵。表1所示為世界上其它一些大型天文望遠鏡附屬光譜分析儀所需衍射光柵的尺寸。表1大型天文望遠鏡附屬光譜儀的衍射光柵尺寸望遠鏡名稱及國家KECKSUBARUJAPANESOEUROPEVLTCHILEHETLAMOSTCHINA主鏡口徑（m）1088894光譜儀器直鏡焦比F/F/10F/15F/10F/8F/5光柵面積（） 我過研制“大天區(qū)面積多目標天文望遠鏡”(LAMOST)，配置了多臺低、中、高分辨率的光譜儀同時觀測4000個目標，需要64塊大面積衍射光柵。同步輻射光源被認為是性能最好的軟X射線源之一，它廣泛地應用于短波長、準連續(xù)、高劑量的實驗中。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。我國已經(jīng)正式簽署了全面禁止核試驗的國際公約，向全世界鄭重承諾不在野外進行核彈實驗，但對于一個有核的國家，對于核技術(shù)的研究、掌握和控制是非常重要的。能否獲取大面積的衍射光柵已經(jīng)成為這些項目成敗的關(guān)鍵之一。 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機來刻制，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程后，由于近代高精度機械加工設備的出現(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機成為可能。美國理查森光柵實驗室(Richardson Grating Laboratory)所研制的MITB型光柵刻劃機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機所能刻制出的最大面積的刻劃光柵。由此可見，我國的光柵刻劃技術(shù)與美國、日本等發(fā)達國家相比還有很大差距。 于此同時，由于光柵刻劃機要求在幾百毫米的范圍內(nèi)刻劃超過幾千槽每毫米的刻槽，且定位精度在10nm以內(nèi)。因此，對刻劃大面積、高刻劃密度的光柵刻劃機的研究，另一方面也可以促進大行程納米級定位技術(shù)的研究，從而推動微電子制造、光電測量儀器、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的綜合實力。光柵刻劃機被稱為“精密機械之王”，世界上除了美國、日本、法國、德國、英國、瑞士和俄羅斯等國家擁有光柵刻劃機之外，中國是唯一一個擁有光柵刻劃機的發(fā)展中國家。美國的光柵刻劃機研究現(xiàn)狀目前，美國 Richardson 光柵實驗室共有 3 臺光柵刻劃機全日運行，每年都會生產(chǎn)出大量的高質(zhì)量光柵。 Michelson刻劃機1947年，Bausch amp。這臺光柵刻劃機最初是由 Michelson于 1910 年代設計，后來被 Gale改造。并連續(xù)生產(chǎn)了大量的高質(zhì)量的最大刻劃面積達 的光柵。在 1990 年，這套系統(tǒng)被一套基于激光干涉儀的數(shù)字計算機伺服控制系統(tǒng)所取代。Mann 刻劃機Mann刻劃機最初是由美國馬薩諸塞州的Mann公司