纳米计量光栅传感器的应用

计量光栅就是在玻璃、金属等基体上刻有密集规则线条的计量元件。我们将刻线准确度达到纳米量级的计量光栅称为纳米计量光栅．简称纳米光栅。它与传统的计量光栅相比。具有超精和超细两个特征。我国从上世纪50年代开始刻线技术的研究，其中，计量光栅技术是研究的重点。近20年来，计量光栅技术提高到了纳米量级和亚纳米量级，形成了一整套纳米光栅测量技术，并且以这套技术为依托在北京郊区建立了基地。进行大范围推广应用。     

光栅纳米测量中的系统误差修正技术研究

详细研究了光栅纳米测量系统的误差特性 ,以及利用激光干涉仪对高精度光栅测量系统的系统误差进行检测、并在信号处理中予以补偿和修正的方法。实验表明 ,通过这种系统误差修正方法对周期累计误差和细分误差同时进行修正 ,能够大幅度地将计量光栅系统的测量准确度从微米或亚微米量级提高到纳米级水平 ,以实现光栅纳米测量。     

论纳米光栅测量技术

作者及其同事们经过20多年努力将计量光栅技术提高到了纳米量级和亚纳米量级，并进行了大面积推广应用，形成了一整套纳米光栅测量技术，该文为对这套技术的综合论述．首先回顾了刻线技术的发展历史，指出中国古代曾作出杰出贡献．归纳了发展计量光栅技术的5个阶段和4项内容．给出纳米光栅的定义和两个特点，并通过作者和同事们的光栅制造过程说明，纳米光栅实质上是一种刻录、固化到光栅基体上的光波波长．它为纳米测量领域提供了一种新途径、新方法，与激光干涉仪等现有纳米测量方法相比，具有自己独特的优点．文中讨论了纳米光栅的读取技术与信号处理技术，提出了纳米光栅细分误差的错位测量法．还讨论了与纳米光栅相关的纳米机械，介绍了作者和同事们的科研成果，圆柱、导轨等的机械精度已经进入了纳米量级．最后讨论了纳米光栅与激光干涉仪以及高等级量块的比对结果．     

毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置多自由度激光干涉计量系统

准确的纳米几何结构测量是提高集成电路、微纳机电系统和微纳技术产品的质量和性能的关键技术支撑,为了得到准确一致的测量结果,必须实现纳米尺度的量值溯源并建立量值的传递体系。为满足纳米几何结构计量从纳米尺度到毫米尺度的跨尺度计量需求,实验室研制了毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置,集成于该装置中的多自由度激光干涉计量系统,实现了测量结果向米定义SI单位的直接溯源。实验结果表明该系统能够在毫米级的测量范围内,实现纳米级的测量准确度,分辨力达到了亚纳米量级。     

光栅内插值细分及补偿

本主要给出光栅输出原始信号的正弦分量中提取与光栅刻线间距的有关数字信息以及将其间的正弦模拟量采样量化经分后进行内插值补偿运算。可提高光栅传感器测量准确度和分辨力。     

大量程高性能光栅位移测量技术

高精度光栅位移测量系统具有纳米级重复精度、环境适应性强、维度易于扩展等优点,可以满足精密制造行业对米级测量量程、亚微米级精度与多维测量能力融合的测量技术要求,在高端制造、精密仪器等领域有重要应用。通过对测量光栅的各项参数进行研究,提升了测量光栅的尺寸与制作精度;提出高精度锥面衍射光栅位移测量、高倍细分转向干涉光栅位移测量、“品”字形拼接大量程光栅位移测量等技术,实现了数百毫米测量量程亚微米级测量精度。从光栅制作到测量系统研制对提升精度、分辨力及量程提供了理论分析与技术验证。     

非接触高准确度表面粗糙度测量仪

本文介绍一种具有纳米级测量准确度的非接触光探针扫描轮郭仪，其分辨力为１ｎｍ，量程１０μｍ。     

大量程光栅位移测量累积误差的修正

提出了一种自动测量光栅栅距修正累积误差的方法。栅距测量是基于高阶累积量估计光栅传感器输出的两路莫尔条纹信号的时间延迟而得到的,该方法能够实现每个栅距的测量,通过对每个光栅栅距的误差进行修正来减少累积误差,为大量程高精度测量奠定了基础。实验采用长为500 mm的50线/mm的光栅传感器,该传感器包含栅线25 000条,实现栅距测量分辨力为3 nm,达到了纳米级测量。该方法抗干扰能力强,适合在生产现场应用。     

激光干涉仪在纳米测量中的典型应用

激光干涉仪具有测量分辨力高、测量结果可溯源等优点,在纳米测量中的应用日益广泛。介绍纳米测量机和低膨胀材料线膨胀系数测量装置中应用的迈克尔逊型激光干涉仪以及在高准确度位移测量装置中应用的法布里-珀罗型激光干涉仪,并结合这些实例对激光干涉仪光学系统设计、测量环境控制、迈克尔逊干涉仪非线性误差补偿以及法布里-珀罗干涉仪量程扩展等方面的关键问题进行分析和总结。所述原则和方法对实现纳米级测量准确度具有重要意义,可为高准确度激光干涉仪的研制及其在纳米测量中的更广泛应用提供技术参考。     

时间相移显微干涉术用于微机电系统的尺寸表征

提出了将时间相移显微干涉测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上．该方法速度快、无损、非接触、易在晶片级进行,具有亚微米级的水平分辨力,垂直分辨力在纳米量级．测量系统采用Mirau显微干涉物镜,利用高性能压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向的相移,并通过健壮的5帧Hariharan算法获取表面的相位信息．通过测量美国国家标准研究院（NIST）认证的标准台阶对系统进行了精度标定,并通过测量微谐振器和压力传感器微薄膜的几何尺寸说明了该方法作为测量和过程表征工具的功能．     

MEMS显微干涉测量系统中相位提取算法的选择与分析

描述了一种基于相移显微干涉术的MEMS测试方法,达到了纳米级分辨力．从理论上分析了4种常用相移算法对测量过程主要噪声（相移器的移相误差和探测器的非线性响应误差）的抑制作用,并选定了适合本系统的Hariharan算法．通过对经过美国国家标准研究院（NIST）认证的一个台阶高度的测量,验证了各种算法的测量精度,说明Hariharan算法对噪声有更强的抑制作用,其测量重复性在亚纳米量级．     

纳米光栅栅距的精确测量与nano4国际比对

对Littrow衍射方法测量纳米光栅的基本原理、构造及其安装误差进行了分析研究,并利用所建立的测量装置参加了国际计量技术委员会长度咨询委员会组织的一维纳米光栅国际比对.比对结果证明了该测量系统具有优良的计量性能,能够用于纳米光栅栅距的检定校准.     

Agilent VEE光纤布拉格光栅波长测试系统

为准确测量光纤布拉格光栅的中心波长,基于Agilent VEE开发环境研制一套自动测试系统,利用可调谐激光器输出光波长精度和信噪比高的特点,通过在光功率计的不同量程档上分别进行波长扫描,并对扫描数据进行融合,系统的测量准确度达到了皮米量级,动态范围达到70 d B以上。在得到光纤布拉格光栅反射光谱曲线的基础上,应用三次样条插值和四次多项式拟合的方法来计算中心波长。测试结果表明:系统的测量重复性优于0.5 pm,测量不确定度为6 pm(k=2),能够满足传感用光纤布拉格光栅的测试需求。     

Mirau干涉型微纳台阶高度测量系统的研究

为了实现纳米量级到微米量级的微观三维台阶样板高度的快速测量,在普通光学显微镜的基础上改造完成了一台微纳台阶高度测量装置,设计了整体硬件结构,编写了测量控制软件和数据处理软件,并结合Hilbert变换和小波变换实现三维表面形貌测量。使用不同高度的台阶样品进行测试,测试结果表明:系统测量准确度较高,测量重复性较好,垂直测量范围大于50 μm。     

二元光栅照明研究

采用部分相干成象理论对二元光机照明进行了较为详细的研究。分析了二元光栅照明对分辨力，焦，照明能量和照明均匀性的影响，并通过实验研究验证了二元光栅对分辨力和焦深有较大程度的提高，同时能量损失不大。     

光纤光栅传感器实用化的关键性技术研究

光纤光栅是一种新型的无源光子器件，可用来精确感测纳米量级的微小应变和温度等多种物理量，在光传感领域发挥着重要作用，简要说明了光纤光栅传感器的基本原理，详细介绍了笔者近年来在信号解调、传感头的封装和光纤光栅的复用等关键技术研究上的进展，讨论了光纤光栅传感器在进一步实用化和商品化过程中需要解决的技术问题，并对其应用前景做了展望。     

采用DBR LD的正弦相位调制激光干涉仪

分析影响正弦相位调制半导体激光干涉仪测量精度和系统分辨力的因素,提出了用分布布拉格反射半导体激光器DBR LD实现高分辨力亚纳米精度测量的方案。理论计算表明,DBR LD的波长连续调制深度比F-P腔LD高一个量级。指出邮于DBR LD的特殊结构可通过简单的反馈回路稳定输出光功率,有效地避免了光强波动对测量精度提高的限制。     

基于飞秒激光器光学频率梳的绝对距离测量

提出使用飞秒激光器的光学频率梳测量绝对距离的方法.将一个飞秒激光器作为绝对距离测量的光源,搭建迈克尔逊干涉结构,利用色散干涉原理进行相应的光谱分析,得到干涉光路的光学路径差引起的相位差,最终计算出干涉光路的光学路径差.实验结果表明我们的长度测量方法精确度高,分辨力达到纳米量级.最小测量距离达到9 μm,非模糊范围达到5...     

修正万工显光栅数显的示值误差

在万能工具显微镜上运用回归分析法，建立修正光栅数显示值误差的数学模型，并编程补偿测量结果，方法简便易行，有效地保证了测量系统的准确度。     

光栅衍射法实时测量脉冲激光波长和方向

为了在恶劣环境下实时测量宽波段脉冲激光波长和方向,提出了使用光栅衍射测量脉冲激光波长和方向的方法。该方法利用激光的相干特性,不同波长的激光干涉后零级光谱和一级光谱之间的距离不同,入射方向不同其零级光谱位置不同,从而由探测器上读出的光谱位置可以求出激光波长和入射方向。根据测量原理设计了实验光路,主要由光栅、柱面镜以及探测器CCD构成。实验结果表明,该方法测量激光波长的最大偏差为6.2nm,入射方向最大误差为0.6°,可以实现激光波长分辨力10nm,入射方向分辨力1°的实时测量。