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(fā)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(tǒng)、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(tǒng)是哈勃的心臟，其采用卡塞格林式反射系統(tǒng)。雖然只有主次兩鏡，但哈勃在設計和制造上有著嚴格的規(guī)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(fā)射升空的數星期后，其發(fā)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，1993年12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(tǒng)。并且為給校正光學系統(tǒng)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(fā)射窗口從最初的2011年拖延至2019年春。今年3月NASA又將其發(fā)射期限定在2020年5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(fā)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(tài)，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(xù)測試遮光板的展開工藝。
其實哈勃也經歷過發(fā)射窗口推遲。空間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(fā)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(xù)建成8到10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9.7到12億美元之間，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(fā)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(yè)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(tǒng)計局《中華人民共和國2017年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(fā)直徑約80微米，是22納米的3600多倍。完全可以圍繞一根頭發(fā)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。
結語
光學不僅是基礎科學，也是技術科學。當光作為技術科學，應用于人類生產活動中時，能夠擴展人們的視覺、聽覺和觸覺等功能，這包含了人體感覺的90%之多。
王大珩院士在《論光學工程》中寫道，“光、機、電、算”已成為現代工程與技術的主要內涵。光的含義也已遠遠超出傳統(tǒng)意義上的望遠鏡、顯微鏡等光學儀器。當前的光學儀器（其中大部分指測試計量儀器）已進入光（光學）、機（精密機械）、電（電子）、算（計算機）相結合的光電子技術的新時代。它表現在多功能、高效率的光機電算一體化，技術手段的自動化、智能化、數字化、獲取數據從靜態(tài)轉向動態(tài)，從有感信息到無感信息。
王大珩先生曾為自己填詞抒懷：光學老又新，前程端似錦。搞這般專業(yè)很稱心！這也是光學界眾多研究者的心聲！
