计量用高精度二维平面位相光栅的设计与制作

发布时间：2020-10-21 12:13

　　 现代测量系统无论是坐标测量机还是精密数控加工中心,都需要对系统工作台的二维方向进行精确测量与定位。对于应用最多的二维平面微位移测量系统,使用二维光栅进行测量,相较于在二维方向上分别装夹一维测量装置而言,不仅可同时对两个方向的平面微位移进行测量,而且具有精度高,结构紧凑,阿贝误差小等优点。而在二维光栅测量系统中,二维光栅是整个测量系统的核心光学元件,因此设计并制作高精度二维平面光栅具有重要意义。本文结合二维光栅的应用及光栅的相关衍射理论,开展了二维光栅的设计、制作,结合实际制作结果对设计进行了的优化,主要工作内容如下:(1)介绍了二维光栅在位移测量过程中的工作原理,建立了测量系统输出信号与表征光栅质量的技术参数之间的对应关系。(2)分析了二维光栅的衍射过程,建立了二维光栅的结构模型,开展了波长为780nm圆偏振光Littrow角入射条件下二维平面反射位相光栅的设计。针对TE、TM偏振入射光的-1级衍射光有较高的衍射效率以及良好的衍射效率均衡性这一设计目标,采用傅立叶模态法(FMM),对占空比范围为10%?50%,槽深为150nm?350nm的1200line/mm二维光栅的微结构参数进行了衍射效率计算,结果表明:当镀金光栅的占空比范围为42%?44%,槽深为210nm?220nm时,TE偏振光和TM偏振光的-1级衍射效率均在60%以上,衍射效率均衡性高于80%。(3)开展了全息法制作二维镀金光栅的研究,利用全息干涉技术、等离子刻蚀技术与真空镀膜技术制作了不同工艺条件下的二维镀金光栅,进行了衍射效率测试;将衍射效率的实测值与理论值进行对比,分析了产生误差的原因。结合实际制作的二维光栅微结构的AFM测量结果,改进了二维光栅的模型,在与实际制作工艺更相符的梯台形模型基础上对二维光栅的设计进行了优化,并给出了梯台模型下满足设计指标的工艺范围。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【文章目录】：
中文摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 精密测量技术简介
    1.2 计量光栅
    1.3 二维光栅国内外研究现状
    1.4 本论文的主要工作内容
第二章 基于二维光栅的测量系统原理
    2.1 莫尔条纹
        2.1.1 几何莫尔技术原理
        2.1.2 莫尔干涉术原理
    2.2 二维光栅测量系统的原理
    本章小结
第三章 二维光栅的设计
    3.1 二维光栅的衍射理论
        3.1.1 标量衍射理论
        3.1.2 矢量衍射理论
        3.1.3 基于严格耦合波理论的二维光栅衍射特性分析
    3.2 二维光栅的基本使用条件
    3.3 二维光栅的结构模型
    3.4 二维光栅的设计目标
    3.5 二维光栅的衍射效率
        3.5.1 铝作为表面反射层材料
        3.5.2 金作为表面反射层材料
    本章小结
第四章 二维光栅的制作与误差分析
    4.1 衍射光栅制备方法简介
    4.2 基于全息技术的二维镀金光栅的制作
    4.3 二维光栅掩模、刻蚀、镀膜槽型结果
    4.4 二维光栅衍射效率测试和误差分析
    4.5 二维光栅梯台模型的优化设计
    本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 本论文工作总结
    5.2 工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文
本论文的研究工作得到以下基金的资助
致谢

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 吴玲玲;王星;陈靖;武继安;陈靖;;基于Talbot-Moiré法的长焦透镜焦距测量的极限精度分析[J];应用光学;2011年04期

2 丁玉成;;纳米压印光刻工艺的研究进展和技术挑战[J];青岛理工大学学报;2010年01期

3 羡一民,王科峰;激光干涉仪技术及发展[J];工具技术;2003年11期

4 蒙文舜,杨运经,刘云鹏;电容传感器的原理及应用[J];现代电子技术;2003年07期

5 卢国纲;光栅测量系统的发展趋势及水平[J];机械工人.冷加工;2000年08期

6 程晓辉,赵洋,李达成;F-P干涉仪在长度测量领域的应用[J];激光技术;1999年03期

7 王林,曹芒,李达成;用于纳米测量的扫描X射线干涉技术[J];光学精密工程;1998年01期

相关博士学位论文 前4条

1 于明岩;微纳系统电子束光刻关键技术及相关机理研究[D];哈尔滨理工大学;2015年

2 李琳;基于光栅衍射光干涉的位移测量技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

3 夏豪杰;高精度二维平面光栅测量系统及关键技术研究[D];合肥工业大学;2006年

4 楚兴春;纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究[D];国防科学技术大学;2005年

相关硕士学位论文 前2条

1 关健;基于二维光栅的高精度三维位移测量系统[D];哈尔滨工业大学;2014年

2 蒋连凤;光栅数字信号采集技术研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

本文编号：2850103