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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。