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    為什么說光學工程是一門高大上的學科?
    2018-10-26
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      你以為光學工程僅僅是光學在工程上的應用,光學的分支而已嗎?naive!借著第一個國際光日的東風,大院er帶你了解一下光學工程這個學科吧。 

        

      1997年,在我國“光學之父”王大珩院士的建議下,國務院學位委員會同意將“光學工程”列為工學一級學科。作為一門理工交叉的學科,光學工程光明正大地和信息科學、能源科學、材料科學、計算機科學……緊密交叉、互相滲透。 

        

      光通信與光存儲、太陽能電池技術、稀土發光、光刻機、平板顯示、軌道交通……這些高精尖的領域都有光學工程的參與! 

        

        

      哈勃望遠鏡 

        

      要說光學原理與其他學科的綜合應用,最著名的例子當屬哈勃望遠鏡。哈勃自1990年服役以來,已在軌攝影20余年。它成功彌補了地面觀測的不足,是天文史上的重要儀器。 

        

      

      4000光年外的礁湖星云(哈勃攝影) 

        

      哈勃的建造是個龐大的光學工程,其建造計劃一經批準,被拆分成多個子計劃,由美國太空總署(NASA)的多個研究中心分攤光學系統、望遠鏡設計及建造、傳感器的設計、地面控制等任務。 

        

      光學系統是哈勃的心臟,其采用卡塞格林式反射系統。雖然只有主次兩鏡,但哈勃在設計和制造上有著嚴格的規范,要求鏡子在拋光后的面形誤差應小于可看見光波長的1/20(約30納米)??蒲腥藛T使用極端復雜的電腦控制拋光機研磨鏡子,2.4米的主鏡磨了3年,經費也一度超出NASA的預算。 

        

      

      卡塞格林式望遠鏡光路圖 

        

      盡管研究人員嚴格控制精度,在哈勃發射升空的數星期后,其發回的圖片還是產生了嚴重的球面像差。經分析顯示,用來測量鏡面質量的校正儀器存在偏差,導致實際鏡面存在2微米的誤差。為修正這僅僅2微米的誤差,199312月,“奮進號”載著7名宇航員升空,為哈勃加裝了擁有相同球差,但功效相反的光學系統。并且為給校正光學系統提供位置,舍棄了高速光度計。盡管代價巨大,哈勃戴上“眼鏡”后,終于看到了無碼的宇宙。 

        

     

      哈勃“戴眼鏡”前、后拍攝到的圖像 

        

      哈勃已工作28年,先后經歷5次大修,早該退役,而其退休時間的不斷延長都要怪“拖延癌”韋布空間望遠鏡。 

        

      韋布被認為是繼哈勃望遠鏡后的太空探索者,其發射窗口從最初的2011年拖延至2019年春。今年3NASA又將其發射期限定在20205月左右。 

        

      不知你在了解韋布的厲害以后,能否對這個“拖延癌晚期”選擇原諒。哈勃主鏡2.4米,望遠鏡總質量11噸,觀測范圍為可見光;而韋布在經費縮減后,拼接主鏡的等效口徑仍達6.5米,可觀測紅外波段,體重卻比哈勃輕了一倍。哈勃運行高度570千米,而韋布的目的地是距地球150萬千米的第二拉格朗日點。如此遠的距離,使韋布不能像哈勃一樣進行維修,這項光學工程的要求真的很嚴格。 

        

      

      韋布與哈勃的主鏡比較 

        

      韋布可觀測紅外波段,而紅外探測主要依據物體發出的熱量,因此必須嚴格避免周圍熱源的干擾。韋布擁有一把“遮陽傘”,用以遮蔽來自太陽、地球,甚至月球的熱量。遮光板共五層,每一層完全展開占地面積約300平方米,但厚度卻不到50微米。在運載火箭中,韋布的遮陽板是收起狀態,進入太空后展開,其展開機構共計100個。韋布的上一次延期就是為繼續測試遮光板的展開工藝。 

        

      其實哈勃也經歷過發射窗口推遲??臻g望遠鏡工作條件苛刻,設計制造涉及學科廣泛,是極其復雜的光學工程。期待有朝一日,韋布拍攝出比哈勃更為遙遠的宇宙,給人類帶來巨大的驚喜。 

        

      

      期待JWST帶來的巨大驚喜 

        

        

      30米地基望遠鏡 

        

      接下來,我們來談談地基望遠鏡。 

        

      望遠鏡制造中,口徑的大小非常的關鍵,大口徑的望遠鏡是天文學家的 “武器”,沒了它,再聰明的天文學家也只能巧婦難為無米之炊。根據瑞利判據最小分辨角的公式,,當波長不變的時候,口徑D越大,則分辨角α越小,分辨率越高。故而,在過去的幾百年,望遠鏡的發展就是一個越做越大的過程。 

        

      自上個世紀九十年代以來,各國陸續建成810米地基望遠鏡,組成了最強望遠鏡陣容。最近十年以來,國際上又提出了30-40米的大口徑望遠鏡計劃,未來十年,光學望遠鏡很有可能會走向下一個紀元。 

        

      

      TMT正面圖 

        

      比如著名的TMT紅外天文望遠鏡計劃,30米望遠鏡(Thirty Meter Telescope,TMT)是由美國加州大學和加州理工學院負責研制的,新一代的巨型光學天文觀測設備。這項計劃的預算大概是在9.712億美元之間,建造地址計劃在莫納克亞山上,這是全世界最佳觀測宇宙的地點之一。 

        

      

      TMT概念圖 

        

      它的目標將定位于暗能量、暗物質、星系在過去130億年的聚合和發展、超質量黑洞和星系之間的聯系、在太陽系外的星球上搜尋生命等科研任務。 

        

      

      TMT效果渲染圖 

        

      整個項目由多個國家共同參與建設,包括美國、日本、加拿大等等。其中,我國主要以“實物貢獻”的方式參與其中。在TMT建成以后,中國作為主要合作伙伴之一,將獲得與實物貢獻成比例的觀測時長來獲得相應的科學回報。國家天文臺天體物理學教授毛淑德認為,對于中國來說,這將是一次巨大飛躍。 

        

        

      光刻機 

        

      芯片的重要性已經有目共睹,為了維持互聯網產業的繁榮,我國每年要花兩千億美元在芯片上,超過總進口的百分之十。(數據來源:國家統計局《中華人民共和國2017年國民經濟和社會發展統計公報》)而要制造一顆芯片,需要經過5000多道工序,其中光刻機,便是最重要的一環之一。不夸張地說,光刻機代表著精密儀器的最高水平之一。 

        

      

        

      和傳統的人手、機床等原始工具不同,光刻機是使用光作為自己的“刀”來對結構進行加工的。光刻機的這把刀,可謂是既鋒利又精密。就量產精度而言,第四代光刻機可以達到22納米,第五代光刻機可以達到5納米,而實驗室里甚至可以實現1納米!我們以22納米為例,普通人的頭發直徑約80微米,是22納米的3600多倍。完全可以圍繞一根頭發刻一副北京地圖出來。 

     

      光刻過程的示意圖 

        

      實際上,光刻的原理不難,難還是主要難在光刻機的制造上。光刻機的鏡頭、光源生產、機械結構,幾萬個小元件的調整與制造,任何一點拿出來都是某個領域最強者的獨門絕技。ASML(高端光刻機的壟斷者)的總裁溫彼得曾經說過,如果說,光刻機鏡頭有整個德國那么大,那么形變最大的地方,不能高過一公分??梢妼τ跈C器制造來說,這種要求是多么的苛刻。 

        

      

      光刻機的原理圖 

        

      全世界最高端的光刻機產自荷蘭的ASML公司,它是世界最高端的光刻機生產者,也是唯一的生產者。它所生產的極紫外光刻機(EUV光刻機),可以前所未有地突破22納米制程限制,被稱為第五代光刻機。 

        

      

      AMSL生產的光刻機 

        

      我國在芯片領域落后國際良多,需要加速追趕。國內量產精度最高的光刻機也不過90納米,實驗室里也只能實現22納米。不過,中國科學院長春光機所在極紫外光刻方面首次完成了32nm光刻機的研制,在該方面邁出國內第一步,為未來的研究打下了良好的基礎。 

        

      

     
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