從黑膠唱片到光盤，人類為何著迷于在物體表面刻細(xì)密的條紋？因為細(xì)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(fù)現(xiàn)音樂。記錄音樂時，聲音導(dǎo)致氣壓波動，氣壓的波動驅(qū)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(huán)形條紋，刻痕寬度大約是0.1-0.16mm（毫米）。

黑膠唱片

（圖片來源：veer圖庫）

之后出現(xiàn)了DVD光盤，能夠存貯各類數(shù)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?yōu)榧す?，生活中用到的光盤刻痕寬度是300-700nm（納米）。觀察光盤發(fā)現(xiàn)，光照到光盤表面時，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

（圖片來源：veer圖庫）

具備這種本領(lǐng)的結(jié)構(gòu)，人們稱為光柵。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，將光線分開，呈現(xiàn)出絢麗的顏色。

閃蝶翅膀呈現(xiàn)絢麗的藍色

（圖片來源：veer圖庫）

舉個更好“吃”的例子，如果發(fā)現(xiàn)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(guī)律，起到了光柵的效果，所以看起來泛著綠光。

我國科學(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，中國科學(xué)院長春光學(xué)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1.5m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300nm，在整個光柵區(qū)域內(nèi)，刻痕之間的位置差異不超過10nm。相當(dāng)于在長1.5千米的平面上刻畫線條，線條之間的距離偏差不能超過頭發(fā)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(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。人類已經(jīng)實現(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，它可能成為人類未來的能量來源。）中提升激光功率的的核心元件，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(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，只有長度在一米量級的光柵能夠承擔(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)時間是1s（秒），則激光的平均功率是“能量÷持續(xù)時間=1W（瓦）”。脈沖通過光柵后，被光柵展寬了，也就是脈沖的持續(xù)時間變長，能量還是1J，持續(xù)時間變成10s，平均功率為0.1W；經(jīng)過放大裝置，脈沖能量增加到10J，平均功率就變成了1W。這時候，經(jīng)過另一個光柵，這個光柵發(fā)揮的是壓縮脈沖的作用，脈沖持續(xù)時間被壓縮到了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。利用這一技術(shù)，我國當(dāng)前的高能激光功率已經(jīng)提升到了拍瓦量級，也就是1億億瓦。

啁啾脈沖放大技術(shù)示意圖

（圖片來源：NobelPrize.org）

用處二：制作光柵尺，實現(xiàn)超精密加工

現(xiàn)代工業(yè)對測量技術(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)υM行高精度測量的尺子。測量器具有兩個重要指標(biāo)：可以量多遠(yuǎn)，稱為量程；可以量多精，稱為精度。卷尺能夠量數(shù)米長的物體，最小刻度為1mm；20分度游標(biāo)卡尺的最小刻度為0.05mm,最長能夠測量的物體則不超過20cm。

卷尺（上）和游標(biāo)卡尺（下）

（圖片來源：veer圖庫）

精度與量程似乎不可兼得，一些應(yīng)用卻要求測量精度高，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題，很好地滿足了工業(yè)界的要求。

目前，絕大多數(shù)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(biāo)尺光柵與指示光柵組成，標(biāo)尺光柵往往長度在米級，指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多。兩個光柵的條紋方向稍有不同，當(dāng)兩個光柵之間相對發(fā)生移動時，微小的移動會被兩個光柵疊加產(chǎn)生“莫爾條紋”。兩個光柵之間的細(xì)微移動，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(shù)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(chǎn)生“莫爾條紋”示意圖

（圖片來源：作者自制）

正如光柵設(shè)計、制造領(lǐng)域的著名科學(xué)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(xué)研究的絕大多數(shù)領(lǐng)域都帶來了精密的實驗數(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。如果沒有它，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)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(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.

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所）

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