光栅纳米测量的研究与进展

　　1　光栅纳米测量的发展状况

　　1·1　双光栅测量系统

　　双光栅是利用两块光栅迭合时所形成的莫尔条纹进行测量的。图1是高线数双光栅测量系统光路原理图[1-3],这种光栅结构主要包括光源、参考光栅、标尺光栅、角锥棱镜以及3个光电探测器,其工作原理如图2,其光路工作过程如下:

　　(1)光源发射出的光束A透射过参考光栅以后产生衍射光束,图2中只显示±1级衍射光B和B′。

　　(2)B和B′两束衍射光与角锥棱镜,标尺光栅采用Littrow自准直安装,每束光都首先入射标尺光栅,然后反射后的第1

　　级衍射光进入角锥棱镜。光束B和B′的经1级衍射光分别为C、C′.

　　(3)C、C′的反射光D、D′从角锥棱镜出射,并且再次入射标尺光栅,此时与原反射光C、C′发生了平行于光栅刻槽的侧向位移。

　　(4)D、D′的第1级衍射光E、E′重新入射参考光栅,分别产生出射序列,E、E′是对称入射到参考光栅的同一点,并且它们的出射序列也重合在一起。

　　(5)在实际使用中,光电探测器1、2、3接收3路出射光F、G、H.取3路光电转换信号的目的是为了移相,供后续计数细分电路鉴向使用。

　　此系统使用光栅常数比为2的两根高线数光栅,由独特的双光栅结构实现了光学4细分,使光学位移分辨率达到标尺光栅栅距的1/4,加上高倍电子细分,使最终的位移分辨率达到1nm,其测量范围等于标尺光栅的长度。

　　1·2　炫耀光栅[4-5]

　　光能量在光栅光谱不同次级上的分配取决于光栅刻槽的几何形状,只要改变光栅刻槽的剖面形状,使之成为如图3所示的锯齿状,就能使衍射的大部分光能量由零级主极大移到所需的级次上,从而克服了透射光栅的光强分布情况中入射光的大部分能量都集中在零级衍射(没有色散)的主极大上,而在其他次级,尤其是较高级次上光强很小的弱点。具有这种特性的光栅称为炫耀光栅。在图3所示的定向透射光栅中,锯齿的长边相当于“衍射缝”,短边为不透光的“缝间隙”,N为平均的光栅表面法线,N′为长边的法线。设入射光对光栅表面的入射角θi,对衍射缝的入射角为α,它的某一衍射光对光栅表面的衍射角为θk,而对衍射缝的衍射角为β,θb是平均的光栅表面法线N和长边的法线N′的夹角,这些角度之间有如下的关系式:

　　图4是一种炫耀光栅测量机构的原理图,此机构由指示光栅G1(炫耀光栅)和计量光栅G2组成。精确调整入射光束的入射角,使两条衍射线光线能量相等,且在两光栅的空隙间对称传播。在经过计量光栅第二次衍射后,出射光a、a′通过透镜,在四象限光电管D接收面上相干形成莫尔条纹。可以证明当两块光栅相对移动一个细光栅的栅距时,两束衍射光相位差变化2π,也就是说,干涉条纹明暗变化一个周期,而且这种变化与计量光栅的栅距无关。由于炫耀光栅的栅距比计量光栅小很多倍,所以系统分辨力大大提高。此测量机构与气浮导轨及红宝石探头可组成超精密测量仪,其测量范围可达0~100 mm,分辨力可达1 nm.