自溯源光栅衍射效率的分析与研究.pdfVIP

第52卷第11期红外与激光工程2023年11月

Vol.52No.11InfraredandLaserEngineeringNoV.2023

自溯源光栅衍射效率的分析与研究

梁利杰1.2.3，刘丽琴23，管钰晴2.3，孙佳媛23，邹文哲23，郭创为2.3，

张玉杰23，褚小要1,2.3，郭

郭斌，雷李华2.3*

(1.中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州310018;

2.上海市计量测试技术研究院，上海201203；

3.上海在线检测与控制技术重点实验室，上海201203)

摘要：基于矢量衍射理论并采用严格耦合波方法建立了一种新型的自溯源光栅正弦结构及入射条

件与衍射效率的理论模型；通过控制变量法分析了自溯源光栅结构参数、激光入射条件对衍射效率的

影响规律；搭建了光栅衍射效率测量系统；结合光栅方程，计算了不同Littrow角对应的衍射效率。仿

真结果表明：入射波为TM偏振态、入射波长为420nm、入射角为80°时，自溯源光栅-1级衍射效率处

于峰值状态，为4.3%；在Littrow结构中，入射波为TM偏振态、入射波长为415.51nm、Littrow角为

77.5°时，自溯源光栅-1级衍射效率达到最大，且接近非Littrow角对应的自溯源光栅的峰值衍射效

率。实验结果表明：入射波为TM偏振态、入射波长为405nm、入射角从65~85°改变时，自溯源光栅

的衍射效率呈上升到平稳再下降的趋势，67°~80°改变时，其衍射效率达到平稳最大值，其结果为

0.6%左右，其衍射效率变化趋势与理论计算结果一致。

衍射效率；Littrow角；测量

关键词：自溯源光栅；严格耦合波方法；行

中图分类号：TH741文献标志码：ADOI:10.3788/IRL

0引言溯源光栅的衍射效率会通过影响干涉信号强度、信号

纯度以及信噪比等参数进而影响测量结果的准确性

衍射光栅广泛应用于超高精密位移测量系统!

和精度。获得理想的衍射效率，要有理论指导，并能

仪器校准[2]等领域，但普通的衍射光栅不具备可溯源

精确计算。光栅衍射效率计算方法分为标量波理论[6]

性，而溯源链的缺失会导致纳米测量仪器的测量准确

和矢量波理论[7-8]两大类。标量波理论是一种近似求

性、一致性和可比性降低。利用原子光刻技术制备的

自溯源型光栅[3-5],与普通衍射光栅不同的是其特征解的方法，无法保证衍射场求解结果的准确性[9]。自

参数(如周期)可以通过自然常数直接溯源到“米，故1960年以来，国内外光学、电磁学领域的专家和学者

光栅具备无需测量定值即可作为标尺使用的天然优对电磁衍射理论进行了大量的研究[0-12],得出了许多

势。同济大学纳米计量课题组研制的一维212.8nm能够精确计算衍射场的矢量衍射理论，包括严格耦合

自溯源光栅在2021年成功获批了国家一级标准物波分析[7]、边界元法[13]和有限元法[14]等。其中，严格

质，其样品被送到德国联邦物理技术研究院(PTB)进耦合波理论由于计算速度快、精确度高、通用性好被

行测量定值，结果表明，该自溯源光栅的周期准确性、广泛使用。目前，许多专家学者研究了各种参数对各

均匀性以及一致性都极好[3]。类光栅衍射效率的影响。2004年,DELaGEA等人14]

衍射效率是衡量光栅