发展计划(含重大科学研究计划)项目申请书编写提纲

国家重点基础研究发展计划（含重大科学研究计划）项目申请书编写提纲项目摘要（1,000字左右）简述项目所面向的国家重大需求、拟解决的关键科学问题、主要研究内容和目标、课题设置。申请书正文（30,000字左右）一、立项依据项目所面向的我国经济、社会、国家安全和科学技术自身发展的重大需求，项目研究的科学意义，对解决国家重大需求问题的预期贡献等。衍射光栅（diffractiongrating，通常简称为“光栅”）是一种核心的光学元件。衍射光栅通过有规律的结构，使入射光的振幅或相位（或两者同时）受到周期性空间调制。衍射光栅在光学上的最重要应用是作为分光器件，常被用于单色仪和光谱仪上。实际应用的衍射光栅通常是在表面上配置着密集、等间距的线、缝、槽或光学性质变化物质的平板。按照工作方式分类，可分为透射光栅和反射光栅两大类。起初衍射光栅的主要用于实现复色光的空间分离。近年来，随着微加工技术和计算机技术的不断发展，光栅的应用范围也越来越广泛。借助衍射光栅，人们分辨出肉眼无法鉴别的物质，在生产、通讯、科研等方面有着重要应用。如应用于单色仪、光谱仪、分析设备、颜色测定仪、生产工艺控制、质量控制、目标确定等方面。随着微加工技术在微光学领域的不断发展，出现了依托光栅的偏振器、光波导、窄带滤波器、分相位衍射元件等新的微光学器件，其应用范围也开始从光谱学领域扩展到计量科学、光通信、X射线天体物理学、实验力学、装饰、防伪等诸多领域。光栅通常是利用光栅刻划机在镀有铝膜的玻璃毛坯上每mm刻划出不同线数的槽来获取的，常用的光栅一般为300g/mm、600g/mm、1200g/mm、1800g/mm等。随着刻划技术的发展，对光栅刻划密度要求越来越高，具文献资料显示，目前世界上可刻划出的最高刻线密度的光栅为：10800g/mm，并且定位精度可达5nm。在刻划光栅时，一般要求刻划的偶然误差小于1/10光栅常数、周期误差小于1/100光栅常数，用干涉方法检验波面差必须小于1/3条纹。近些年来，随着科学技术的不断发展进步，特别是一些大型高技术工程项目的陆续开展，对衍射光栅的技术性能提出了更高的要求。而且，能否获取适用的大面积衍射光栅，已经成为影响某些大型高技术工程项目成败的关键。同时，由于这些大工程项目对大面积衍射光栅的迫切需要，使研制大面积衍射光栅成为国际光栅领域的重大课题之一。对大面积衍射光栅的需求主要体现在以下几个方面：1）天文物理学方面众所周知，为了更好地满足人类探索宇宙空间的需要，天文望远镜的口径正在不断增大。随着光学加工技术、自适应理论及微定位技术和拼接技术的发展，天文望远镜的口径己由原来的直径不到lm发展到现在的直径超过10m甚至更大。衍射光栅是天文望远镜附属光谱分析仪的核心元件，因此它的面积必须相应地随之增大。如美国旧金山州立大学(SanFranciscoStateUniversity)的乔夫瑞·莫西(GeoffreyMarcy)和澳大利亚的波尔·巴特勒(PaulButler)等人在1998年八月份宣布，他们利用一种新型高分辨率Echelle光谱仪，探测到太阳系以外未知行星的数目已达到12个。这个高分辨率光谱仪使用了由三块305405mmmm的阶梯光栅。美国德克萨斯大学计划研制300英寸的天文望远镜，其附属光谱仪需要衍射光栅的尺寸为600900mmmm。表1所示为世界上其它一些大型天文望远镜附属光谱分析仪所需衍射光栅的尺寸。这些需要大大加速了国际光栅界探索研制大面积衍射光栅技术的进程。表1大型天文望远镜附属光谱仪的衍射光栅尺寸望远镜名称及国家KECKU.S.ASUBARUJAPANESOEUROPEVLTCHILEHETU.S.ALAMOSTCHINA主镜口径（m）1088894光谱仪器直镜焦比F/13.7F/10F/15F/10F/8F/5光栅面积（mmmm）305820420650214840214840305820270270我过研制“大天区面积多目标天文望远镜”(LAMOST)，配置了多台低、中、高分辨率的光谱仪同时观测4000个目标，需要64块大面积衍射光栅。2)同步辐射光束线工程的需要同步辐射是当电子或离子在磁场中加速到接近光速时，沿轨道切线方向产生的一种电磁辐射，其光谱是连续的，且可延伸到很宽的波长范围。同步辐射光源被认为是性能最好的软X射线源之一，它广泛地应用于短波长、准连续、高剂量的实验中。同步加速器辐射光源的问世，给高分辨率光谱分析带来了巨大的变化。因其光路多为掠入射，因此要求较大面积的衍射光栅，并且衍射光栅的损耗特别大，衍射光栅需要定期更换。3)激光核聚变项目的需要当今国际上，能否充分利用被誉为取之不尽的新型能源—核能源，己经成为一个国家综合实力尤其是高科技实力的体现。我国已经正式签署了全面禁止核试验的国际公约，向全世界郑重承诺不在野外进行核弹实验，但对于一个有核的国家，对于核技术的研究、掌握和控制是非常重要的。世界上几个发达国家己经将核技术的研究实验转入室内进行，如美国的LLNL(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)国家实验室，在激光核聚变项目上，使用了大面积衍射光栅来对激光脉冲进行时间和空间上压缩，利用压缩后获得的高能激光束轰击靶心来产生核聚变，他们所用衍射光栅的面积己经达到940750mmmm之大，取得了满意的效果。能否获取大面积的衍射光栅已经成为这些项目成败的关键之一。由此可见，能否制造大面积、高刻划密度的衍射光栅，对于一个国家的科学技术的发展起着至关重要的作用，也是一个国家高科技实力的体现。若想获得大面积衍射光栅，最容易想到的方法就是利用光栅刻划机来刻制，自哈里森(Harrison)和斯楚克(Stroke)将干涉光电技术成功地用于控制衍射光栅的刻划过程后，由于近代高精度机械加工设备的出现及加工技术的发展，使得研制高精度、大行程衍射光栅刻划机成为可能。目前，我国长春光机所研制的2号光栅刻划机，能够刻划的衍射光栅的最大面积为300300mmmm，最高刻线密度为:2000g/mm,这是我国采用光栅刻划机能够刻划的最大面积。美国理查森光栅实验室(RichardsonGratingLaboratory)所研制的MIT-B型光栅刻划机可以刻制出衍射光栅的最大面积为400600mmmm，这是目前世界上利用刻划机所能刻制出的最大面积的刻划光栅。而日本的日立公司也拥有光栅刻划机，并有最高的刻划技术，其可刻划的最高密度超过10000g/mm，而定位精度可达5nm。由此可见，我国的光栅刻划技术与美国、日本等发达国家相比还有很大差距。为了满足空天地等大型项目对大面积高精度衍射光栅的需要，必须加大对刻划大面积光栅、高刻线密度的光栅刻划机的研究力度。于此同时，由于光栅刻划机要求在几百毫米的范围内刻划超过几千槽每毫米的刻槽，且定位精度在10nm以内。所以光栅刻划机在刻槽间隙方向的定位技术属于大行程纳米级的超精密定位技术。因此，对刻划大面积、高刻划密度的光栅刻划机的研究，另一方面也可以促进大行程纳米级定位技术的研究，从而推动微电子制造、光电测量仪器、各种超精密加工等领域的发展，也从另一方面提升我国的综合实力。二、国内外研究现状和发展趋势国际最新研究进展和发展趋势，国内研究现状和水平，相关研究领域取得突破的可能性等。光栅刻划机被称为“精密机械之王”，世界上除了美国、日本、法国、德国、英国、瑞士和俄罗斯等国家拥有光栅刻划机之外，中国是唯一一个拥有光栅刻划机的发展中国家。其中，美国Richardson光栅实验室和日本Hitachi公司所研制的光栅刻划机处于世界的领先水平。美国的光栅刻划机研究现状目前，美国Richardson光栅实验室共有3台光栅刻划机全日运行，每年都会生产出大量的高质量光栅。这3台光栅刻划机分别是：Michelson刻划机、Mann刻划机和MIT-B刻划机。Michelson刻划机1947年，Bausch&Lomb从美国芝加哥大学获得他们的第一台光栅刻划机。这台光栅刻划机最初是由Michelson于1910年代设计，后来被Gale改造。在经过进一步的改良之后，这台光栅刻划机的性能得到了极大的提升。并连续生产了大量的高质量的最大刻划面积达200250mm的光栅。Michelson刻划机最初设计的时候采用了一个适当的机械修正凸轮来导出丝杆的误差，并通过一套干涉仪系统进行绘制。在1990年，这套系统被一套基于激光干涉仪的数字计算机伺服控制系统所取代。Michelson刻划机能够刻划的光栅的刻划密度范围非常大，最低的刻划密度为：/gmm20槽/mm，最高的刻划密度可达10800/gmm。Mann刻划机Mann刻划机最初是由美国马萨诸塞州的Mann公司的DavidW.建造的。从1953年开始，这台光栅刻划机就开始生产光栅了。Bausch&Lomb采用Harrison光栅实验室的MIT9光栅刻划机的技术为Mann刻划机装备了一套干涉伺服控制系统。Mann刻划机可以刻划最大面积为110110mm的光栅，几乎无法检测到鬼线，而且分辨率接近理论值。即使丝杆的加工精度达到可以达到的最高的精度，螺纹和轴承仍然会有残留误差。在生产高质量的光栅的时候，必须对这些误差进行补偿，所以Mann刻划机采用了一套自动干涉仪伺服系统。在对每条刻槽进行刻划的时候，该系统不断地对光栅工作台进行调整，使其保持在正确的位置。事实上，这个伺服系统相当于一根完美的丝杆。MIT-B刻划机MIT-B刻划机是由美国Harrison光栅实验室建造，并于1968年搬到美国的罗契斯特市，在刻划平面光栅时，MIT-B刻划机可获得Harrison光栅实验室中所有刻划机的最高精度。最大刻划面积达420320mm，刻划密度的范围是：20~1500/gmm。MIT-B刻划机采用两个频率稳定的激光干涉仪进行刻划控制，不但可以对工作台分度方向的位置进行正确控制，同时还可以矫正工作台摆角误差。这台刻划机所刻划的光栅分辨率接近理论值，几乎消除了罗兰鬼线，同时杂散光也非常弱。除此之外，这台光栅刻划机还能刻划出非常好的中阶梯光栅。MIT-B刻划机实物如图所示。MIT-B刻划机实物日本的光栅刻划机研究现状1992年，日本Hitachi公司成功研制了一台可以刻划大面积、高刻划密度的光栅刻划机，该光栅刻划机采用一个闭环控制系统对实现工作台微位移驱动和实现工作台大行程运动的丝杠螺母机构进行混合驱动，实现连续运动-间歇刻划的刻划方式。最大刻划面积为：300200mm（宽度）（刻槽长度），最高刻划密度为：10000/gmm。图为Hitachi公司1992年研制刻划机的布局图，图为该刻划机的实拍照片。因为在刻划光栅时需要对温度进行严格的控制，所以，刻划机的主要部分被安放在一个温度被稳定控制在0.01C范围内的房间内。刻划机下面的地板是由4个空气波纹管支撑，从而隔离外部的震动。一些会产生热量或者震动的设备：计算机、控制系统和主直流电机等都被放在了房间的外面。日本Hitachi公司1992年刻划机原理布局图在设计工作台时，Hitachi公司的研究人采用了一种比较新的设计概念，将工作台分为上层台和下层台，如图？？所示。下层台和传统的工作台相似，通过丝杆螺母机构驱动在导轨上移动，从而实现分度方向上大行程的移动。上层台则是通过四个弹簧片支撑，安装在下层台的上方，上层台可以在分度方向无摩擦地移动，光栅毛坯安装在上层台上，这样的设计可以提高光栅毛坯在分度方向的动态特性，在几十纳米范围内准确快速地定位，并且不会因为不稳定因素。在上层台和下层台之间安装一个压电陶瓷，驱动上层台相对于下层台在分度方向微位移移动。在刻划的过程中，下层台以恒定速度进行分度，在落刀刻划时，压电陶瓷驱动上层台以大小相等方向相反的速度移动，从而保持刻划时，光栅毛坯相对于刀桥静止，如图？？所示。图？？是Hitachi公司1992年刻划机的控制系统框图，该控制系统由一个计算机中编程实现的顺序控制系统、两个反馈控制环和作为驱动器的一个压电陶瓷机一个伺服电机组成。日本Hitachi公司1992年刻划机