JJF 1967-2022 激光衍射法反射光栅校准规范-(高清原版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 9 6 72 0 2 2激光衍射法反射光栅校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rR e f l e c t i o nG r a t i n g sb yL a s e rD i f f r a c t i o n 2 0 2 2-0 4-2 9发布2 0 2 2-1 0-2 9实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布市场监管总局市场监管总局激光衍射法反射光栅校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rR
2、 e f l e c t i o nG r a t i n g sb yL a s e rD i f f r a c t i o nJ J F1 9 6 72 0 2 2 归 口 单 位:全国新材料与纳米计量技术委员会 主要起草单位:中国计量科学研究院 参加起草单位:同济大学 本规范委托全国新材料与纳米计量技术委员会负责解释J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局本规范主要起草人:殷 聪(中国计量科学研究院)石春英(中国计量科学研究院)参加起草人:王建波(中国计量科学研究院)程鑫彬(同济大学)邓 晓(同济大学)J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局
3、目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语和计量单位(1)3.1 光栅(1)3.2 反射光栅(1)3.3 间距(1)3.4 平均间距(1)3.5 利特罗结构(1)3.6 利特罗角(1)3.7 二维光栅正交性(1)4 概述(2)5 计量特性(2)6 校准条件(2)6.1 环境条件(2)6.2 测量标准及其他设备(3)7 校准项目和校准方法(3)7.1 一维反射光栅平均间距(3)7.2 二维反射光栅平均间距(4)7.3 二维反射光栅正交性(4)8 校准结果表达(5)9 复校时间间隔(5)附录A 校准记录内容(6)附录B 校准证书内页内容(1 1)附录C 不确定度评定示例(1 3)附录D
4、 衍射法测量反射光栅间距的原理(2 2)J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局引 言本规范依据J J F1 0 0 1 通用计量术语及定义、J J F1 0 7 1 国家计量校准规范编写规则编制,参考了I E C/T S6 2 6 2 2:2 0 1 2 纳米技术 人造光栅的描述,测量和几何量的质量参数(N a n o t e c h n o l o g i e sD e s c r i p t i o n,m e a s u r e m e n ta n dd i m e n s i o n a lq u a l i t yp a r a m e t e r so f
5、 a r t i f i c i a l g r a t i n g s)、N a n o 4一维光栅比对(N a n o 4c o m p a r i s o no n1 Dg r a t-i n g s)、N a n o 5二维光栅比对(N a n o 5c o m p a r i s o no n2 Dg r a t i n g s),测量不确定度的评定按照J J F1 0 5 9.1 测量不确定度评定与表示进行。本规范为首次发布。J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局激光衍射法反射光栅校准规范1 范围本规范适用于平均间距为(1 4 020 0 0)n m、能观测
6、到衍射现象的一维或二维反射光栅的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:G B/T1 3 9 6 22 0 0 9 光学仪器术语凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语和计量单位3.1 光栅 g r a t i n g一种表面排列大量精细的、相互平行的、等距的、周期性的、相同的结构的光学器件。其周期性结构既可以是直线阵列,也可以是沿直线排列的点阵。注:此处光栅的定义与G B/T1 3 9 6 22 0 0 9 光学仪器术语6.1 3 9中光栅的定义不同。此处的定义仅针对被校准对象的特征。3.2 反射光栅 r
7、e f l e c t i o ng r a t i n g入射光与衍射光在光栅工作面同一侧的衍射光栅。3.3 间距 p i t c h光栅上相邻结构之间的距离。注1:单位为n m。注2:一般用结构的中心距确定间距,有些情况下也可以用结构的边界确定间距。3.4 平均间距 m e a np i t c h由光栅上多个间距确定的间距的平均值。注:单位为n m。3.5 利特罗结构 L i t t r o wc o n f i g u r a t i o n反射光栅衍射时,衍射光与入射光重合时的光路结构。3.6 利特罗角 L i t t r o wa n g l e当反射光栅的衍射光与入射光重合时的衍
8、射角。注:单位为r a d。3.7 二维光栅正交性 o r t h o g o n a l i t yo f t h e2 Dg r a t i n g二维光栅上沿横向排列的点阵与沿纵向排列的点阵之间的夹角。注:单位为r a d。1J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局4 概述光栅利用光的衍射使光色散,色散角度取决于反射光栅平均间距和入射光的入射角。在纳米几何量计量领域,光栅利用平均间距作为传递标准,被广泛应用于扫描电子显微镜、扫描探针显微镜或光学显微镜等微纳测量仪器的放大倍数的校准。光栅按结构可分为一维光栅和二维光栅。如图1所示,一维光栅结构是由大量等距排列的刻槽或线
9、条组成的,二维光栅结构是由按等距直线排列的点阵组成的。二维光栅的间距是两条沿平行直线排列的点阵之间的距离。二维光栅的正交性是指沿横向排列的点阵与沿纵向排列的点阵之间的夹角。a)一维光栅b)二维光栅图1 光栅典型结构示意图d一维光栅的间距;dx二维光栅行方向间距;dy二维光栅列方向间距;dx y对角线方向间距;二维光栅正交性5 计量特性5.1 平均间距测量范围:(1 4 020 0 0)n m。5.2 二维光栅正交性反射光栅行方向结构阵列与列方向结构阵列之间的夹角。6 校准条件6.1 环境条件温度:(1 82 8),每小时温度变化不超过1,被校光栅样板应在测量环境中稳定不小于2h。相对湿度:(1
10、 09 0)%。无明显振动。2J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局6.2 测量标准及其他设备校准用标准器见表1。表1 标准器及技术要求标准器具技术要求激光器0.3 1d1.8 8d,d为光栅间距 频率标准不确定度Ur e l11 0-4,k=2转台测量范围1 8 0 角位置MP E:5 7 校准项目和校准方法7.1 一维反射光栅平均间距选定测量区域。测量区域为光栅中心区域,或根据客户需求选定。测量时,如果激光光斑能够覆盖校准所要求的区域,则仅对该区域进行测量。如果激光光斑不能覆盖校准所要求的区域,可选择多个位置进行测量。每个位置至少重复测量3次,得到各个位置的间距平均
11、值。再将所有测量位置的间距平均值取平均值,得到被校光栅的平均间距。测量位置的选取需根据校准的具体需求而定,应具有代表性,且分布均匀。调整标准装置和被校光栅。令激光束轴线穿过转台轴线。将反射光栅固定在转台上,光栅表面被测区域的中心与转台的转轴重合。在转台转轴和光栅法线组成的平面内,入射光与光栅法线的夹角3.5m r a d,如图2所示。绕光栅法线方向转动光栅,调整光栅姿态,使转台转动时,衍射光斑的轨迹与转台的转轴垂直。当-1级衍射光位于转台转轴和光栅法线组成的平面内时,接收器上的光斑位置为预设的零点。接收器到光栅的光程应大于1m。图2 光栅安装示意图调整转台的转角,使入射光位于光栅法线的一侧,当
12、-1级衍射光斑与预设零点重合时,记录此时的转台角位置L 1。再次调整转台转角,使入射光位于光栅法线的另一侧,当-1级衍射光斑与预设零点重合时,记录此时的转台角位置L 2。计算两个角位置差的绝对值,得到2倍利特罗衍射角,见公式(1):=L 2-L 1(1)单次测量标准温度(2 0)下的光栅间距计算公式见公式(2):3J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局ds=d1-(T-t0)=02nt p fs i n2c o s1-(T-t0)(2)式中:ds 标准温度(2 0)下的光栅平均间距,n m;d 光栅间距的校准结果,n m;0 激光的真空波长,n m;nt p f 空气折
13、射率;2倍衍射角,()或r a d;入射光与衍射光在转台转轴和光栅法线组成的平面内的夹角的一半,()或r a d;光栅材料的热膨胀系数,-1;T 测量时的环境温度,;t0 标准环境温度,一般为2 0。对光栅上同一位置光栅间距的校准应以多次光栅间距测量结果的平均值来报告,其计算公式见公式(3):d=1NNi=1di(3)式中:N 重复测量次数,N3。7.2 二维反射光栅平均间距二维反射光栅的平均间距测量方法与7.1所述一维反射光栅平均间距的测量方法相同。但是,需分别测量行方向间距dx和列方向间距dy。按照7.1所述方法安装反射光栅,并调整其姿态,令反射光栅上点阵或线阵的行方向与转台转轴垂直,即当
14、转台转动时,所形成的衍射光斑的轨迹与转台转轴垂直。按照7.1所述方法测量反射光栅行方向间距dx。然后,将反射光栅绕其法线方向转动,使反射光栅上点阵或线阵的列方向与转台转轴垂直,即当转台转动时,所形成的衍射光斑的轨迹与转台转轴垂直。按照7.1所述方法测量反射光栅列方向间距dy。7.3 二维反射光栅正交性测量二维反射光栅正交性时,需分别测量二维反射光栅行方向间距dx、列方向间距dy和对角线方向间距dx y。dx和dy的测量方法与7.2所述方法相同。测量对角线方向间距dx y时,需将反射光栅绕其法线方向转动,直至对角线方向与转台转轴垂直,即转动转台时,由对角线方向反射光栅产生的衍射光斑的轨迹与转台转
15、轴垂直。按照7.1所述方法测量反射光栅对角线方向间距dx y。二维反射光栅正交性可通过如图1b)所示的行、列方向间距dx和dy,以及对角线方向间距dx y计算得到,见公式(4):=a r c c o sdxdy21d2x+1d2y-1d2x y (4)4J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局8 校准结果表达校准结果在校准证书上反映。校准证书至少包含以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,
16、如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性和有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明;q)对光栅被测区域所在位置的说明;r)如果对光栅表面上的多个位置进行测量,则需列出各被测位置的测量结果。必要时应给被测位置的出示意图。9 复校时间间隔由于复校
17、时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议复校时间间隔不超过1年。5J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局附录A校准记录内容反射光栅间距校准原始记录证书编号:送校单位:送校时间:年月日联系地址:光栅名称:光栅型号:光栅编号:制造商:外观检查:校准地点:环境温度:环境相对湿度:%气压:P a激光真空波长:=n m校准所依据的技术规范(名称、代号)校准使用的计量基(标)准装置(含标准物质)/主要仪器名 称测量范围不确定度/准确度等级证书编号证书有效期至(YYYY-MM-D D)第页 共页6
18、J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局一维反射光栅间距校准原始记录测量序号角位置1()或r a d角位置2()或r a d2倍利特罗角()或r a d标准温度下的光栅间距/n m1234567891 0平 均 值相对标准不确定度:不确定度:n m校准时间:年月日测试员:核验员:第页 共页7J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局二维反射光栅间距校准原始记录测量序号角位置1()或r a d角位置2()或r a d2倍利特罗角()或r a d标准温度下的行方向间距dxn m1234567891 0平 均 值相对标准不确定度:不确定度:n m第页 共页8
19、J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局测量序号角位置1()或r a d角位置2()或r a d2倍利特罗角()或r a d标准温度下的列方向间距dyn m1234567891 0平 均 值相对标准不确定度:不确定度:n m第页 共页9J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局测量序号角位置1()或r a d角位置2()或r a d2倍利特罗角()或r a d标准温度下对角线方向间距dx yn m1234567891 0平 均 值相对标准不确定度:不确定度:n m二维光栅正交性:(k=2)校准时间:年月日测试员:核验员:第页 共页01J J F1 9
20、6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局附录B校准证书内页内容校 准 结 果一维反射光栅:1.仅测量反射光栅上一个位置的情况:标准温度(2 0)时的平均间距:d=n m备注:测量时激光光斑位于光栅中心,覆盖了反射光栅的全部表面。2.测量反射光栅上多个位置的情况:选取反射光栅上M个位置,每个位置进行N次重复测量,标准温度(2 0)时光栅间距测量结果:序号测量值/n m测量不确定度/n m位置1位置2位置M标准温度(2 0)时的平均值及不确定度:p=n m(k=2)11J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局二维反射光栅:1.标准温度(2 0)时的行方向间距:dx=n m
21、(k=2)2.标准温度(2 0)时的列方向间距:dy=n m(k=2)3.二维反射光栅正交性=(k=2)备注:测量时激光光斑位于光栅中心,覆盖了光栅的全部表面。说明:根据客户要求和校准文件的规定,通常情况下个月校准一次。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。声明:本证书的校准结果仅对本次所校准的计量器具有效。校 准 员:核 验 员:第页 共页21J J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局附录C不确定度评定示例附录C给出了反射光栅上单一位置间距的不确定度评定方法,以及二维反射光栅正交
22、性不确定度评定方法。C.1 一维光栅平均间距的不确定度评定C.1.1 测量模型在非标准温度下测量反射光栅平均间距时,得到其在标准温度(t0=2 0)下的测得值表示为:ds=d1-(T-t0)=02nt p fs i n2c o s1-(T-t0)式中:ds 标准温度下光栅平均间距的校准结果,n m;d 光栅间距的校准结果,n m;0 激光的真空波长,n m;nt p f 空气折射率;2倍衍射角,()或r a d;入射光与衍射光在与转台垂直平面内的夹角的一半,()或r a d;光栅间距样板的热膨胀系数,-1;T 测量时的环境温度,;t0 标准环境温度,2 0。C.1.2 各输入量的灵敏系数cic
23、1=ds0=d01-(T-t0)c2=dsnt d f=-dnt d f1-(T-t0)c3=ds=-d2 t a n21-(T-t0)c4=ds=dt a n1-(T-t0)c5=ds=-d(T-t0)c6=dst=-dC.1.3 输入量的标准不确定度u(xi)xi代表各输入量。各输入量的标准不确定度分别为:a)激光的真空波长的标准不确定度u(0)。b)空气折射率的标准不确定度u(nt p f)。1)空气折射率的测量模型空气折射率nt p f用修正的埃德林公式表示为:(n-1)s=83 4 2.5 4+2 4 0 61 4 71 3 0-2+1 59 9 83 8.9-2 1 0-831J
24、J F1 9 6 72 0 2 2市场监管总局市场监管总局(n-1)t p=p(n-1)s9 60 9 5.4 31+p(0.6 0 1-0.0 0 97 2t)1 0-81+0.0 0 36 6 1tnt p f=nt p-f(3.7 3 45-0.0 4 012)1 0-1 0式中:(n-1)s 标准状态下的空气折射率;真空中的波数,m-1;t 空气温度,;p 大气压力,P a;f 空气湿度(绝对湿度),P a;nt p 标准干燥空气在温度t、气压p时的折射率;nt p f 实际的空气折射率。2)空气折射率中各输入量的不确定度 空气温度的标准不确定度u(t);大气压力的标准不确定度u(p)
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