從黑膠唱片到光盤，人類為何著迷于在物體表面刻細密的條紋？因為細密的條紋用處實在太多了！

較為古早的黑膠唱片，它用于錄制與復現音樂。記錄音樂時，聲音導致氣壓波動，氣壓的波動驅動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形條紋，刻痕寬度大約是 0.1~0.16 mm。

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之后出現了 DVD 光盤，能夠存貯各類數字化的文檔。光盤的條紋更加密集，相比于黑膠唱片，光盤的刻錄工具從刻針變為激光，生活中用到的光盤刻痕寬度是 300~700 nm。觀察光盤發現，光照到光盤表面時，產生了彩虹光暈，這反映了細密條紋除記錄信息外的另一大本領：分光！

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具備這種本領的結構，人們稱為光柵。光柵是一種具有規則結構的光學元件，它能夠將光根據顏色分為向不同方向傳播的光束，光盤上分布規律的條紋便是如此。

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，將光線分開，呈現出絢麗的顏色。

舉個更好“吃”的例子，如果發現切開的鹵牛肉泛著綠光，先別急著扔，不是牛肉壞了，而是切面的牛肉纖維分布規律，起到了光柵的效果，所以看起來泛著綠光。

我國科學家制造出大型光柵

在一些特定領域，人們需要條紋更密集、規模更大的光柵。當前，人工刻劃的光柵發展到什么程度了呢？

近期，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所巴音賀希格和李文昊團隊在大口徑光柵的高精度制作方法上取得了突破，制造出了長達 1.5 m 的高精度光柵。

長達 1.5m 的大型光柵。圖片來源：參考文獻[1]

如此長的光柵，它的每一條刻痕寬 300 nm，在整個光柵區域內，刻痕之間的位置差異不超過 10 nm。相當于在長 1.5 km 的平面上刻畫線條，線條之間的距離偏差不能超過頭發絲的四分之一。

大費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

助力產生高能激光

大口徑的光柵是激光核聚變中提升激光功率的的核心元件。

激光核聚變是指利用高能激光加熱物質，使得物質的原子核碰撞到一起，發生聚合作用，并釋放出大量能量。人類已經實現不受控制的核聚變，即氫彈的爆炸。激光核聚變屬于可控的核聚變，它可能成為人類未來的能量來源。

光柵能將同一個方向入射的不同顏色光分開，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，利用激光照射物質使其產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，只有長度在一米量級的光柵能夠承擔如此重任，將不同顏色的高功率激光組合在一起，進一步提高激光功率。

激光器發出的是脈沖激光，假設激光的能量是 1 J，脈沖持續時間是1 s，則激光的平均功率是“能量÷持續時間=1 W”。

脈沖通過光柵后，被光柵展寬了，也就是脈沖的持續時間變長，能量還是 1 J，持續時間變成 10 s，平均功率為 0.1 W；經過放大裝置，脈沖能量增加到 10 J，平均功率就變成了 1 W。這時候，經過另一個光柵，這個光柵發揮的是壓縮脈沖的作用，脈沖持續時間被壓縮到了 0.1 s，脈沖能量 10 J，平均功率提高到了 100 W。

這一技術就叫做“啁啾脈沖放大技術”，該技術在 2018 年獲得了諾貝爾物理學獎。利用這一技術，我國當前的高能激光功率已經提升到了拍瓦量級，也就是 1 億億 W。

啁啾脈沖放大技術示意圖。圖片來源：NobelPrize.org

用處二：制作光柵尺，

實現超精密加工

現代工業對測量技術有極高的要求。要想加工出精度極高的元器件，首先需要有能夠對元件進行高精度測量的尺子。

測量器具有兩個重要指標：可以量多遠，稱為量程；可以量多精，稱為精度。卷尺能夠量數米長的物體，最小刻度為 1 mm；20 分度游標卡尺的最小刻度為 0.05 mm,最長能夠測量的物體則不超過 20 cm。

精度與量程似乎不可兼得，一些應用卻要求測量精度高，量程還必須大，這就構成了尖銳的矛盾。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題，很好地滿足了工業界的要求。

目前，絕大多數的超精密加工機床都配備了光柵尺，從而能夠高精度地加工大型零部件。典型的光柵尺由標尺光柵與指示光柵組成，標尺光柵往往長度在米級，指示光柵比標尺光柵短得多。兩個光柵的條紋方向稍有不同，當兩個光柵之間發生相對移動時，微小的移動會被兩個光柵疊加產生“莫爾條紋”。兩個光柵之間的細微移動，表現為莫爾條紋更加明顯的變化，細微的變化被放大了，也就更加容易測量。

傳感器探測到莫爾條紋的變化，能夠反推出兩個光柵的相對移動距離。利用該技術制作而成的光刪尺，量程可達到一米甚至更長，測量精度能達到微米或納米量級。

兩個光柵疊加產生“莫爾條紋”示意圖。圖片來源：作者自制

正如光柵設計、制造領域的著名科學家 G.R.Harrision 評價的那樣，很難再找到一個像光柵這樣的器件，它為科學研究的絕大多數領域都帶來了精密的實驗數據，從物理學家、天文學家、生物學家、到冶金學家，他們都將光柵作為非常精確的工具。

如果沒有它，現代科學的發展將受到極大的阻礙。

參考文獻

[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質量的濾波方法[J].光學精密工程, 2011, 19(008):1944-1949.DOI:10.3788/OPE.20111908.1944.

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨海里的咸魚 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

監制丨中國科普博覽

責編丨董娜娜

審校丨徐來 林林