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太陽X射線-極紫外成像儀

4米碳化硅反射鏡研制團隊。長春光機所供圖
“科技工作者要做建設大軍里真正的排頭兵。這個排頭兵不僅是要找一條路,還要披荊斬棘,讓后面的建設大軍能夠跟上來?!?/p>
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所(以下簡稱長春光機所)第一任所長王大珩對科技工作者創新責任的解釋,影響著一代又一代科研人員。
1400萬斤小米,是國家在20世紀50年代撥給王大珩創辦中國科學院儀器館(長春光機所前身)的首筆經費,新中國的光學事業由此起步。在王大珩的帶領下,長春光機所熔煉出中國第一爐光學玻璃,從而結束了中國沒有光學玻璃的歷史。
早年,王大珩提出從技術攻關到儀器研制“一竿子插到底”的精神。經過半個多世紀的沉淀和積累,長春光機所在新時期凝練出“博大精深、科學務實、團結奉獻、開放共贏”的“長光精神”,指引著年輕的科研人員延續前輩至精至專、做深做透的優良傳統,繼續腳踏實地、“追光”前行。
博大精深:10年“冷板凳”迎來“大項目”
趙文興1978年考入長春光機所,成為王大珩的研究生。他傳承了老師提出的“一竿子插到底”精神,并將其發揚光大,不局限于已有的研究成果,轉而投入博大精深的新材料研究。
趙文興最初的研究方向是玻璃材料。20世紀90年代,時任長春光機所奧普光學材料事業部主任的趙文興在國外訪問時看到碳化硅反射鏡,迅速意識到碳化硅作為反射鏡材料的巨大優勢,“這個材料跟玻璃比剛度更好、熱量傳播更快,我們也應該試試”。
當時,碳化硅反射鏡已在國外光電裝備實現應用,但國內該領域尚處空白狀態。趙文興認為,碳化硅比玻璃更適合研制大口徑反射鏡,也是未來光學材料發展繞不過去的一道坎兒。
此前,長春光機所曾試圖從國外購買碳化硅反射鏡材料,對方卻以涉及關鍵戰略領域為由,拒絕向中國出售。
考慮到從國外購買材料、引進技術均受到限制,趙文興回國后立即向所里申請開展碳化硅材料的研究。盡管他對碳化硅材料的了解不多,但他時常提起一句話:“我是王大珩的學生,不能丟了老師的名聲?!?/p>
1998年,年近50歲的趙文興帶領5個人的團隊開啟了碳化硅材料制備技術的攻關。在接下來的10年時間里,這個攻關團隊默默無聞地忙碌著,在外人眼中顯得有些沉寂。
2008年,趙文興所在的長春光機所光學中心研究團隊研制出我國首套具有自主知識產權的0.7米量級碳化硅反射鏡。當時,世界上應用于可見光望遠鏡的碳化硅反射鏡最大口徑為1.5米量級。雖然沒有做到世界最大,但研究團隊實現了我國碳化硅反射鏡從“0”到“1”的突破。
坐了10年“冷板凳”的趙文興團隊終于迎來了“大項目”——2009年9月,國家重大科研裝備研制項目啟動,宣布研發4米碳化硅反射鏡。
4米,趙文興等人很清楚,這是當時碳化硅反射鏡口徑的全球之最。用4米碳化硅反射鏡做成的望遠鏡,在地面上能看清太空中拳頭大小的碎片。
2010年至2016年,趙文興團隊先后5次開展4米碳化硅反射鏡坯制備試驗。前面4次均因鏡坯出現裂紋宣告失敗,但大家并沒有氣餒,因為裂紋的寬度在逐漸縮小。直到2016年第五次試驗,鏡坯終于研制成功。
在此基礎上,長春光機所陸續突破了一系列反射鏡制造關鍵技術,2米、2.4米、3米單體碳化硅反射鏡相繼研制成功;圍繞著大口徑反射鏡制造的工藝路線,一整套完整的、具有自主知識產權的加工、檢測裝備同步開發完成;研制的以4米量級磁流變高精度拋光設備、多姿態擺臂輪廓儀為代表的系列裝備更是國際上都沒有的精密制造設備。
2018年8月,經過近10年的艱苦攻關,直徑4.03米、重量僅1.6噸的碳化硅反射鏡研制成功,并順利通過驗收。這是世界上公開報道的最大口徑碳化硅單體反射鏡,意味著大口徑反射鏡制造的全部核心技術真正掌握在中國人自己手中。
如今,在長春光機所中央的小花園里還保留著趙文興團隊在2015年研制的第四塊碳化硅反射鏡坯。它的外觀呈圓餅狀,中間有一孔,鏡面還有當年試驗出現的裂紋。這里已經成為研究所一處地標性景觀。
趙文興也將接力棒傳遞到以長春光機所研究員張舸為首的年輕人手中。關于光學材料的故事還在續寫。
科學務實:將光柵“做大”“做精”
長春光機所是中國光柵的發源地。1958年,這里開始研制我國第一臺光柵刻劃機,誕生了我國第一塊光柵。1964年,我國第一顆原子彈爆炸試驗的光譜設備,就使用了這里自主研制的光柵。
李文昊,國家光柵制造與應用工程技術研究中心主任,2002年本科畢業后來到長春光機所工作并讀博,一直從事光柵的研制工作。
如今,李文昊正帶領一個年輕的大光柵團隊追隨老一輩科學家的足跡,繼續“追光”前行。在這個團隊中,35歲以下的年輕人占比70%??茖W務實、敢闖敢拼是他們的科研寫照。
2025年5月,李文昊團隊在大口徑光柵衍射波前控制方面取得進展,相關研究成果發表于《光:科學與應用》。該研究提出了一種光柵-激光互補式的工作臺位移測量技術,可以補償工作臺運動誤差引起的光柵刻線誤差,實現大口徑光柵的高精度制作。
李文昊告訴《中國科學報》,光柵是一種具有周期性微結構的精密光學元件,在光譜學、天文學、激光器、高端儀器裝備等諸多領域都有重要應用。光柵面積大,可獲得高集光率和量程;光柵精度高,可獲得更好的信噪比和分辨率。
但是,同時將光柵“做大”和“做精”,屬于世界性難題,也成為制約我國相關領域技術發展的短板。盡快攻克此類光柵制備技術,是各光柵強國之間競爭的焦點。
國家光柵制造與應用工程技術研究中心科研團隊先后于2016年研制成功大型高精度衍射光柵刻劃系統、2019年研制成功1.5米掃描干涉場曝光系統等大面積高精度光柵制造裝備,并于2024年制造出面積為1500毫米×420毫米的“既大又精”的全息光柵,使我國光柵制造水平達到國際一流水平。
談及如何帶領年輕團隊承擔重要任務,李文昊有自己的一套經驗。他告訴《中國科學報》,首先,通過分階段驗證降低不確定性,將高風險課題拆解為多個階段性目標,通過小規模實驗驗證核心假設的可行性,再逐步推進;其次,通過系統化風險評估與管理,列出技術難度、資源限制等潛在風險,評估其發生概率和影響程度,優先解決高概率、高影響的問題;最后,通過合理分配資源,將大部分資源投入中低風險的主流方向,預留小部分探索高風險、高回報課題。
今年,李文昊團隊的主要攻關項目集中在光柵制造和光柵位移傳感應用兩方面。在光柵制造方面,團隊將創立米級尺寸原子精度測量光柵制造理論體系,破解同時實現“米級尺寸”和“原子精度”光柵制造的世界性難題;在光柵位移傳感應用方面,團隊正在打通高精度光柵尺核心器件-部件集成-檢測標定全鏈條,全面突破光柵測量技術“卡點”,形成高精度光柵尺完整技術體系。
團結奉獻:30多年追趕打破封鎖
在這群“追光人”中,長春光機所研究員陳波用30多年時間,刻苦鉆研空間X射線、極紫外相機、遠紫外波段光學技術,并將其應用于空間領域。
1984年,陳波從吉林大學物理系畢業后,進入長春光機所工作。當時,我國剛剛開始研究X射線、極紫外等波長較短的電磁輻射,國外相關技術產品又面向國內禁售。在王大珩“一竿子插到底”精神的感召和引領下,陳波帶領科研人員奮起直追。
20世紀90年代,陳波作為項目負責人,開始承擔我國航天工程中極紫外波段成像載荷研制任務。
極紫外光的波長約為可見光的1/20,輻射亮度極其微弱,對光學儀器的研制要求非常高。比如,為了在該波段具有更高的反射率,陳波團隊需要鍍制三明治結構膜層,膜層厚度只有頭發絲直徑的萬分之一,鍍制層數高達上百層。
“太陽是地球空間天氣的源頭,它‘打噴嚏’,地球就得‘發燒’‘感冒’,我們就像太陽和地球的攝影師,在更短波段范圍給太陽和地球拍照?!标惒ǜ嬖V《中國科學報》,“X射線-極紫外-遠紫外波段是一個全新波段,其波長很短,但通過這個波段我們可以看到肉眼看不到的現象,可以更早知道太陽的變化,以預報空間天氣情況?!?/p>
雖然我國空間X射線-極紫外-遠紫外波段成像技術領域起步較晚,但陳波經常鼓勵團隊成員上下一心、團結一致、勇往直前。他們最終破解了材料反射率低、目標信號微弱等一系列難題,成功研制出具有國際先進水平的成像載荷,空間X射線-極紫外-遠紫外波段成像技術及應用2024年獲國家科學技術進步獎二等獎。
在長春光機所的展廳里,有一臺穿著亮閃閃衣服的特別望遠鏡?!斑@是太陽X射線-極紫外成像儀的一比一模型,真機搭載在2021年7月5日成功發射的風云三號E星上,是國際上首臺具有X射線和極紫外兩個波段的太陽成像儀?!标惒ㄕf。
以往對X射線和極紫外兩個波段進行成像監測,需要搭載兩臺載荷,而陳波團隊研制的太陽X射線-極紫外成像儀集成了掠入射和正入射兩種成像方式,首次用一臺載荷完成了兩個波段的成像監測,既節省了空間,又減輕了載荷重量。
2024年3月,“鵲橋二號”中繼衛星成功發射,該衛星搭載了陳波團隊研發的極紫外相機。“這臺相機可以給地球拍攝特殊的照片,科學家利用這些圖像數據研究太陽活動如何影響地球空間環境,以及地球空間環境的演化過程,幫助預測可能造成危害的空間天氣事件?!标惒ㄕf。
當年的“小陳”已經變成現在的“老陳”。陳波團隊傳承了長春光機所的優良傳統,從應用基礎研究做起,幾十年如一日,團結奉獻、厚積薄發,不僅打破了國外封鎖,還滿足了國家重大工程任務需求。
開放共贏:“追光”青年登上國際舞臺
2020年底,31歲的李煒結束了在美國近10年的學習和工作,回國擔任長春光機所微納光子學與材料國際實驗室主任。
談及為什么選擇長春光機所,李煒告訴《中國科學報》,長春光機所是新中國在光學領域建立的第一個研究所,誕生了很多“第一”的成果——我國第一臺高精度經緯儀、第一臺電子顯微鏡、第一臺高溫金相顯微鏡、第一臺多臂投影儀、第一爐光學玻璃等。這里是中國光學的搖籃,更是從事光學研究的青年們的向往之地。
回國后不久,李煒團隊在國際上首次利用單個器件、單次測量,獲得了高維度光場的光譜、偏振、光強等信息。2024年5月,相關研究成果發表于《自然》,這是長春光機所作為第一完成單位,首次在《自然》發表論文,實現了零的突破。
時隔半年,李煒團隊的又一項重大成果發表于《科學》,這也是長春光機所作為第一完成單位,首次在《科學》發表論文。文章稱,研究人員發現了一種無需消耗能源即可完成制冷的新策略,可大幅節約能源并減少溫室氣體排放。
擔任微納光子學與材料國際實驗室主任以來,李煒從美國、日本、法國等引進了多位高水平科研人員,并推動實驗室與國內外頂尖高校研究機構開展學術交流與合作。
李煒介紹,如今微納光子學與材料國際實驗室會聚了世界各地的科研學者,外籍科研人員約占1/5?!安煌瑖?、不同學術背景的科研人員可以優勢互補、形成合力,在科學領域做出有重要影響力的成果?!崩顭樥f。
日前,李煒榮獲2025年度中國青年五四獎章。這位“追光”青年正帶領團隊在光電信息領域持續深耕,一邊探索前沿技術,一邊嘗試破解應用難題,力爭產出更多優秀成果。
“‘一竿子插到底’的精神是長春光機所一直以來的原動力?!遍L春光機所黨委書記、副所長金宏說,“國家需要什么,我們就做什么。能否成功并非第一選項,抱著執著的態度‘死磕’,一定能攻克‘卡脖子’難題?!?/p>
新時期,長春光機所的“追光人”正用實際行動讓“博大精深、科學務實、團結奉獻、開放共贏”的“長光精神”薪火相傳、發揚光大。
(原載于《中國科學報》?2025-06-10?第1版?要聞)
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