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    光刻機、碳監測衛星、引力波探測都跟這里有關系!--走進實驗室
    2018-10-26
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      光,不只是照亮世界。從第一臺天文望遠鏡誕生到遍及全球的光纖通訊,光對科學、社會和人類都產生了重要而廣泛的影響。 

        

      

       1 人類觀測宇宙(圖片來源:網絡) 

        

      

      今天小編帶你走進的應用光學國家重點實驗室,就是一個專注于用“光”改變世界的地方。 

        

      應用光學國家重點實驗室是我國設立最早的國家重點實驗室之一,依托單位為中科院長春光機所。實驗室的主要創建者是新中國光學事業的奠基人、兩院院士王大珩先生。 

        

      上世紀80年代,為進一步加強光學應用基礎研究,大珩先生組織應用光學國家重點實驗室啟動建設,經過30多年的發展沉淀,實驗室發展并形成了短波光學、空間光學、前沿光學技術與應用三個研究方向。 

        

      說了半天,應用“光學”到底可以做哪些改變世界的事情呢? 

        

      短波光學——精細至極 

        

      沸沸揚揚的“中興事件”把國人的目光都匯聚到了“芯片”關鍵器件上,它看似不起眼卻牽一發而動全身。芯片制備所涉及到的一系列高端設備也就愈發顯得舉足輕重,而這其中最為重要的就是光刻機。光刻投影物鏡則是光刻機中最核心的部件之一,它的設計與制造代表著當代精密光學與精密機械的最高水平。 

        

      

      2 光刻機 (圖片來源:網絡) 

        

      

      光刻物鏡的難度就集中在兩個字——“精度”。 

        

      以極紫外光刻物鏡為例,其光學系統由6片鍋蓋大小的非球面反射鏡組成,這些反射鏡的面形精度要求、鍍膜要求以及支撐要求都極為苛刻。舉幾例子,看看精度到底達到什么樣的極致吧! 

        

      l   反射鏡的面形要求表面的起伏程度要遠小于一個納米,相當于在吉林省這么大的面積上高低起伏不能超過0.5mm; 

        

      l   此外,還要在如此平整的表面上鍍上數十層甚至上百層超薄的薄膜,鍍膜后的面形誤差同樣要優于1納米,相當于在吉林省這么大的面積上均勻的攤上一張千層餅,餅的厚度偏差還要小于0.5mm; 

        

      l   各個鏡子間的傾斜調整控制則要到亞納弧度級,相當于控制一束指向380000000米外月球上的一束光,將光束在月球上精確定位到10厘米范圍內。 

        

      所以,光刻投影物鏡的設計制造代表著裝備制造中精密光學和精密機械的最高水平,是目前人類所能研制的最為精密、最為復雜的光學系統。 

        

      20176月,應用光學國家重點實驗室承擔的“極紫外光刻關鍵技術研究”順利通過初步驗收,在國內首次獲得EUV投影光刻32nm曝光圖形,為我國真正自主掌握高端微電子制造技術奠定了基礎。 

        

      

      3 EUV光刻物鏡(圖片來源:課題組)  4 投影物鏡系統波像差分布圖(圖片來源:課題組) 

        

      當然,實驗室在短波光學的成果遠不止光刻物鏡一項,下面這些高精儀器也是出自這里! 

        

      l   嫦娥三號月基極紫外相機,隨嫦娥三號著陸器降落在月球表面,成為人類首臺在月球上對地球周圍等離子體層進行實時、全局遙感成像觀測的光學儀器; 

        

      

      5 CE-3極紫外相機(圖片來源:課題組) 

        

      l   天宮二號紫外臨邊成像探測儀,采用了該實驗室首創的紫外前向光譜儀和紫外環形成像儀組合探測模式,在國際上首次實現了多方位和寬譜段的地球臨邊大氣探測; 

        

      

      6 環形成像儀(左邊)、前向光譜儀(右邊)(圖片來源:課題組) 

        

      l   風云三號廣角極光成像儀,是我國首臺140 nm~180 nm波段地球極光和電離層空間成像觀測儀器。 

        

      

      7  FY-304)星廣角極光成像儀探測頭部(圖片來源:課題組) 

        

      空間光學——拓展無限視野 

        

      衛星等空間飛行器賦予光學儀器以無限的視野,對地可以觀測地球每個角落,對天可以深及宇宙邊緣:例如剛才提到的嫦娥三號極紫外相機,它觀測的對象是地球等離子體層;天宮二號紫外臨邊成像探測儀的觀測目標是地球大氣層。 

        

      應用光學國家重點實驗室研發的各類空間光學遙感儀器始終處于國內領先水平。其中最具有代表性的當屬離軸三反光學技術。 

        

      

      離軸三反光學系統(圖片來源:課題組) 

        

      離軸三反光學系統與同軸反射式光學系統相比,具有視場大、無中心遮攔等特點。其視場角是同軸系統的10倍以上,在同樣軌道高度下觀測的范圍也是同軸系統的10倍以上,而且成像質量更好??梢源蠓嵘l星對地成像觀測的效率和質量。如今這一光學系統已成功應用于六個航天型號任務、十余臺空間光學載荷。 

        

      除了離軸三反光學系統和紫外空間載荷,實驗室近來在空間光學領域還有許多引人注目的成果。 

        

      天宮二號與神舟飛船的多次交匯對接任務中,使用實驗室研發的TV電視攝像機和光學成像敏感器兩套關鍵設備,分別用于人控和自動對接過程,確保了太空握手的穩定與可靠。 

        

      尤其是光學成像敏感器,它由光學成像勻化器和光學成像敏感器光學系統兩部分組成,分別相當于一把特殊的“手電筒”和一雙銳利的“眼睛”。神舟十一號飛船用“手電”照射天宮二號飛船上的幾個標志物,然后“眼睛”通過標志物的分布就可以知道兩個飛船的相對位置,從而引導二者自動完成猶如“穿針引線”般的太空對接。如果沒有這把“手電”,“眼睛”就會“晃眼睛”和“看不清”。 

        

      

      神州TV攝像機(圖片來源:課題組) 

        

      中國碳衛星兩大核心載荷--高光譜CO2探測儀、多譜段云與氣溶膠探測儀也是由該室科研團隊研制,其中CO2探測儀最高光譜分辨率達到0.04nm,使我國在高光譜大氣痕量氣體探測方面達到國際先進水平。這不僅是我國在應對全球氣候變化方面采取的積極行動之一,同時,擁有自主的全球氣候變化一手數據,也可以讓我國在全球氣候談判中掌握主動權。 

        

      

      10  高光譜CO2探測儀(圖片來源:課題組) 

        

      前沿光學技術與應用——蓄積創新動力 

        

      前沿探索是提升創新能力的關鍵,多年來應用光學國家重點實驗室持續關注國內外光學領域發展動向,布局新的應用光學方向。 

        

      微納光學與系統領域,實驗室面向便攜式生化分析技術與無標超高靈敏度生物傳感開展前沿基礎與應用研究。所研制的CD-Like全血生化分析儀,可以僅用一滴血、在短短的幾分鐘內就實現對人體血液中十余項生理指標的自動檢測,未來有望廣泛應用于基層醫院甚至家庭。 

        

      

      11 離心式全血生化分析芯片及系統(圖片來源:課題組) 

        

      針對當前心肌梗塞、癌癥等嚴重影響人類生命的疾病,實驗室長期致力于研究早期診斷的先進技術,并成功開發了基于光纖耦合器的無標超高靈敏度生物傳感器,實現了目前國際相關領域取得的最高檢測靈敏度,具有良好的特異性和重復性,這對于后期生物傳感器的實用化具有重要的意義。 

        

      

      12 光纖耦合器傳感器示意圖(圖片來源:課題組) 

        

      液晶光學調控技術領域,實驗室研制出了響應速度可達0.6ms的高速液晶光學波前校正器件,達到國內領先、國際先進水平。利用該器件所研制的自適應光學系統,可以以每秒鐘上千次的速度實時對大氣湍流等引起的光學畸變進行補償。它可以用于地基的大口徑望遠鏡上,相當于給望遠鏡戴上了一副智能眼鏡,讓我們在地面上獲得可以和在太空相媲美的宇宙圖景。此外,該項技術還可以幫助地基望遠鏡對在軌衛星和空間碎片等進行高分辨率的清晰成像觀測,為人造衛星在軌的監測與空間安全提供技術保障,是擁有“火眼金睛”的地面衛兵。 

        

      

      13 高速液晶光學波前校正器 (圖片來源:課題組) 

        

      

      14 液晶自適應光學系統(圖片來源:課題組) 

        

      此外,實驗室還在研制“全景雙譜段紅外成像光譜干涉測量及反演儀器”,其中的核心技術就是靜態傅里葉變換光譜儀。它可以廣泛應用于突發性環境災害事件快速、高效、高可靠性的監測,避免“天津港”的悲劇重演。 

        

      

      15 全景雙譜段紅外成像光譜干涉測量儀器光路與三維結構圖(圖片來源:課題組) 

        

      “引力波”探測是近年來廣受關注的科學熱點,實驗室目前也在積極參與中國引力波探測的“太極計劃”,并負責其中核心載荷望遠鏡和慣性傳感器模塊的研發,以及干涉儀系統的工程化工作。該空間引力波探測設備通過對百萬公里級空間尺度進行皮米級精度測量,從而獲得引力波信號。其中望遠鏡系統用來實現星間捕獲和對準,干涉儀系統實現空間干涉測量,慣性傳感器作為星間測量基準,其主要作用是盡可能的降低外界擾動所引入的測量噪聲。 

        

      

      16 太極計劃工作軌道圖(圖片來源:網絡) 

        

      結語 

        

      30多年的發展,應用光學國家重點實驗室堅持“十年磨一劍”,在應用光學領域深耕細作,為我國精密光電儀器的發展做出了突出貢獻。這樣的成績值得大家為它點贊,大家一起為應用光學國家重點實驗室打Call,希望他們再接再厲,創造奇跡! 

        

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