为什么说光学工程是一门高大上的学科？

作者：光工彤 泰哥（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

你以为光学工程仅仅是光学在工程上的应用，光学的分支而已吗？naive！借着第一个国际光日的东风，大院er带你了解一下光学工程这个学科吧。

1997年，在我国“光学之父”王大珩院士的建议下，国务院学位委员会同意将“光学工程”列为工学一级学科。作为一门理工交叉的学科，光学工程光明正大地和信息科学、能源科学、材料科学、计算机科学……紧密交叉、互相渗透。

光通信与光存储、太阳能电池技术、稀土发光、光刻机、平板显示、轨道交通……这些高精尖的领域都有光学工程的参与！

哈勃望远镜

要说光学原理与其他学科的综合应用，最著名的例子当属哈勃望远镜。哈勃自1990年服役以来，已在轨摄影20余年。它成功弥补了地面观测的不足，是天文史上的重要仪器。

4000光年外的礁湖星云（哈勃摄影）

哈勃的建造是个庞大的光学工程，其建造计划一经批准，被拆分成多个子计划，由美国太空总署（NASA）的多个研究中心分摊光学系统、望远镜设计及建造、传感器的设计、地面控制等任务。

光学系统是哈勃的心脏，其采用卡塞格林式反射系统。虽然只有主次两镜，但哈勃在设计和制造上有着严格的规范，要求镜子在抛光后的面形误差应小于可看见光波长的1/20（约30纳米）。科研人员使用极端复杂的电脑控制抛光机研磨镜子，2.4米的主镜磨了3年，经费也一度超出NASA的预算。

卡塞格林式望远镜光路图

尽管研究人员严格控制精度，在哈勃发射升空的数星期后，其发回的图片还是产生了严重的球面像差。经分析显示，用来测量镜面质量的校正仪器存在偏差，导致实际镜面存在2微米的误差。为修正这仅仅2微米的误差，1993年12月，“奋进号”载着7名宇航员升空，为哈勃加装了拥有相同球差，但功效相反的光学系统。并且为给校正光学系统提供位置，舍弃了高速光度计。尽管代价巨大，哈勃戴上“眼镜”后，终于看到了无码的宇宙。

哈勃“戴眼镜”前、后拍摄到的图像

哈勃已工作28年，先后经历5次大修，早该退役，而其退休时间的不断延长都要怪“拖延癌”韦布空间望远镜。

韦布被认为是继哈勃望远镜后的太空探索者，其发射窗口从最初的2011年拖延至2019年春。今年3月NASA又将其发射期限定在2020年5月左右。

不知你在了解韦布的厉害以后，能否对这个“拖延癌晚期”选择原谅。哈勃主镜2.4米，望远镜总质量11吨，观测范围为可见光；而韦布在经费缩减后，拼接主镜的等效口径仍达6.5米，可观测红外波段，体重却比哈勃轻了一倍。哈勃运行高度570千米，而韦布的目的地是距地球150万千米的第二拉格朗日点。如此远的距离，使韦布不能像哈勃一样进行维修，这项光学工程的要求真的很严格。

韦布与哈勃的主镜比较

韦布可观测红外波段，而红外探测主要依据物体发出的热量，因此必须严格避免周围热源的干扰。韦布拥有一把“遮阳伞”，用以遮蔽来自太阳、地球，甚至月球的热量。遮光板共五层，每一层完全展开占地面积约300平方米，但厚度却不到50微米。在运载火箭中，韦布的遮阳板是收起状态，进入太空后展开，其展开机构共计100个。韦布的上一次延期就是为继续测试遮光板的展开工艺。

其实哈勃也经历过发射窗口推迟。空间望远镜工作条件苛刻，设计制造涉及学科广泛，是极其复杂的光学工程。期待有朝一日，韦布拍摄出比哈勃更为遥远的宇宙，给人类带来巨大的惊喜。

期待JWST带来的巨大惊喜

30米地基望远镜

接下来，我们来谈谈地基望远镜。

望远镜制造中，口径的大小非常的关键，大口径的望远镜是天文学家的 “武器”，没了它，再聪明的天文学家也只能巧妇难为无米之炊。根据瑞利判据最小分辨角的公式，，当波长不变的时候，口径D越大，则分辨角α越小，分辨率越高。故而，在过去的几百年，望远镜的发展就是一个越做越大的过程。

自上个世纪九十年代以来，各国陆续建成8到10米地基望远镜，组成了最强望远镜阵容。最近十年以来，国际上又提出了30-40米的大口径望远镜计划，未来十年，光学望远镜很有可能会走向下一个纪元。

TMT正面图

比如著名的TMT红外天文望远镜计划，30米望远镜（Thirty Meter Telescope，TMT）是由美国加州大学和加州理工学院负责研制的，新一代的巨型光学天文观测设备。这项计划的预算大概是在9.7到12亿美元之间，建造地址计划在莫纳克亚山上，这是全世界最佳观测宇宙的地点之一。

TMT概念图

它的目标将定位于暗能量、暗物质、星系在过去130亿年的聚合和发展、超质量黑洞和星系之间的联系、在太阳系外的星球上搜寻生命等科研任务。

TMT效果渲染图

整个项目由多个国家共同参与建设，包括美国、日本、加拿大等等。其中，我国主要以“实物贡献”的方式参与其中。在TMT建成以后，中国作为主要合作伙伴之一，将获得与实物贡献成比例的观测时长来获得相应的科学回报。国家天文台天体物理学教授毛淑德认为，对于中国来说，这将是一次巨大飞跃。

光刻机

芯片的重要性已经有目共睹，为了维持互联网产业的繁荣，我国每年要花两千亿美元在芯片上，超过总进口的百分之十。（数据来源：国家统计局《中华人民共和国2017年国民经济和社会发展统计公报》）而要制造一颗芯片，需要经过5000多道工序，其中光刻机，便是最重要的一环之一。不夸张地说，光刻机代表着精密仪器的最高水平之一。

和传统的人手、机床等原始工具不同，光刻机是使用光作为自己的“刀”来对结构进行加工的。光刻机的这把刀，可谓是既锋利又精密。就量产精度而言，第四代光刻机可以达到22纳米，第五代光刻机可以达到5纳米，而实验室里甚至可以实现1纳米！我们以22纳米为例，普通人的头发直径约80微米，是22纳米的3600多倍。完全可以围绕一根头发刻一副北京地图出来。

光刻过程的示意图

实际上，光刻的原理不难，难还是主要难在光刻机的制造上。光刻机的镜头、光源生产、机械结构，几万个小元件的调整与制造，任何一点拿出来都是某个领域最强者的独门绝技。ASML（高端光刻机的垄断者）的总裁温彼得曾经说过，如果说，光刻机镜头有整个德国那么大，那么形变最大的地方，不能高过一公分。可见对于机器制造来说，这种要求是多么的苛刻。

光刻机的原理图

全世界最高端的光刻机产自荷兰的ASML公司，它是世界最高端的光刻机生产者，也是唯一的生产者。它所生产的极紫外光刻机（EUV光刻机），可以前所未有地突破22纳米制程限制，被称为第五代光刻机。

AMSL生产的光刻机

我国在芯片领域落后国际良多，需要加速追赶。国内量产精度最高的光刻机也不过90纳米，实验室里也只能实现22纳米。不过，中国科学院长春光机所在极紫外光刻方面首次完成了32nm光刻机的研制，在该方面迈出国内第一步，为未来的研究打下了良好的基础。

结语

光学不仅是基础科学，也是技术科学。当光作为技术科学，应用于人类生产活动中时，能够扩展人们的视觉、听觉和触觉等功能，这包含了人体感觉的90%之多。

王大珩院士在《论光学工程》中写道，“光、机、电、算”已成为现代工程与技术的主要内涵。光的含义也已远远超出传统意义上的望远镜、显微镜等光学仪器。当前的光学仪器（其中大部分指测试计量仪器）已进入光（光学）、机（精密机械）、电（电子）、算（计算机）相结合的光电子技术的新时代。它表现在多功能、高效率的光机电算一体化，技术手段的自动化、智能化、数字化、获取数据从静态转向动态，从有感信息到无感信息。

王大珩先生曾为自己填词抒怀：光学老又新，前程端似锦。搞这般专业很称心！这也是光学界众多研究者的心声！