GBT 43690-2024 成像衍射光学元件衍射效率的测量方法标准立项发展报告

成像衍射光学元件衍射效率的测量方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:MeasurementMethodsforDiffractionEfficiencyofImagingDiffractiveOpticalElements摘要关键词：衍射光学元件；衍射效率；测量方法；光学检测；国家标准；微纳光学；标准化Keywords:DiffractiveOpticalElements;DiffractionEfficiency;MeasurementMethods;OpticalTesting;NationalStandard;Micro/NanoOptics;Standardization一、引言1.1研究背景衍射光学元件是一类基于光的衍射原理，通过表面微纳结构的相位调制来实现光波前操控的光学器件。与传统折射光学元件相比，衍射光学元件具有体积小、重量轻、设计自由度高等显著优势，尤其适合于实现光束整形、分束、聚焦、偏振操控等复杂光学功能。近年来，随着微纳加工技术的快速进步，衍射光学元件的制造精度不断提高，其在高端光学系统中的应用也从实验室研究逐步走向工业化规模生产。衍射效率被定义为有用衍射级次的光能量与入射光总能量的比值，是衡量衍射光学元件光学性能的核心指标。对于成像衍射光学元件，衍射效率直接决定了成像系统的信噪比、对比度和能量利用率。在实际工程应用中，衍射效率不仅需要满足设计指标，还需要在测量层面具备可重复性和可对比性，以确保不同时间、不同地点、不同人员获得的测量结果具有一致性。1.2标准立项的必要性与紧迫性尽管衍射效率的测量在学术界和工业界已有大量研究和实践，但长期以来，国内外缺乏针对成像衍射光学元件衍射效率测量的统一国际标准或国家标准。不同实验室采用的测量光源、光路配置、探测器类型以及数据处理算法各异，导致同一元件在不同测试条件下的测量结果可能相差数个甚至十余个百分点。这种测量不一致性带来了如下突出问题：-产业层面：制造企业难以向用户提供具有公信力的产品性能指标，产品验收和质量管理缺乏统一标尺；-科研层面：不同课题组的测量数据缺乏可比性，阻碍了研究成果的有效交流和共享；-贸易层面：在国际贸易中缺乏权威的检测依据，形成技术性贸易壁垒，影响国产高端光学元器件的国际竞争力。因此，制定一项专门针对成像衍射光学元件衍射效率测量的国家标准，已成为我国光学行业发展的迫切需求。二、标准编制概况2.1标准基本信息本标准《成像衍射光学元件衍射效率的测量方法》于2024年3月15日由国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）批准发布，正式编号为GB/T43690-2024。该标准属于推荐性国家标准，分类号为有关光学和光学测量的其他标准，按照《中华人民共和国标准化法》的相关规定制定。标准自2024年10月1日起正式实施，标志着我国在衍射光学元件测量领域的标准化工作迈上新台阶。2.2编制原则标准的编制过程遵循以下基本原则：（1）科学性：测量方法的确定基于衍射光学理论和精确的光辐射测量原理，所有技术指标均有明确的理论依据或经实验验证。（2）适用性：标准充分考虑了不同类型成像衍射光学元件（包括振幅型、相位型、二元光学元件、谐波衍射元件等）的测量需求，兼顾不同应用场景的差异性。（3）可操作性：标准中对测量装置、实验步骤和数据处理均给出了明确而具体的规定，确保具备基本光学实验条件的实验室均可按标准实施测量。（4）兼容性：在方法框架设计上注重与国际上通行的测试实践接轨，为后续国际标准的制定或对接预留了接口。2.3编制过程本标准的编制历时两年余，主要经历了以下阶段：1.前期预研阶段：项目组系统梳理了国内外有关衍射效率测量的文献资料、学术论文和行业标准（如ISO9211系列光学薄膜标准中涉及效率测量的相关内容），调研了国内主要衍射光学元件生产企业、科研院所和检测机构的技术现状与需求，形成了标准草案框架。2.方法试验验证阶段：组织多家参与单位选取不同类型的典型衍射光学元件样品（包括可见光波段和近红外波段元件），按照拟定草案方法进行了多轮比对试验，验证了方法的可行性、重复性和再现性。该阶段形成的实验数据为标准中关键技术参数的确定提供了有力支撑。3.征求意见阶段：标准草案在行业内广泛征求意见，共收到来自科研院所、高校、企业及检测机构的反馈意见100余条。项目组逐条研究、讨论并做出合理采纳或说明。4.专家审查与报批阶段：标准送审稿经全国光学和光子学标准化技术委员会组织专家审查会议审议通过后，修改完善形成报批稿，最终经国家标准化管理委员会批准发布。三、标准主要内容3.1范围本标准规定了成像衍射光学元件衍射效率测量的术语和定义、测量原理、测量条件、测量装置、测量步骤以及数据处理和测量结果报告的要求。标准适用于工作波段涵盖紫外、可见光及红外光谱区域的成像衍射光学元件的衍射效率测量。3.2术语和定义标准中统一规定了以下关键术语：-衍射光学元件：基于衍射原理，利用元件表面的微结构对入射光波的振幅或相位进行调制，实现特定光学功能的光学元件。-衍射效率：指定衍射级次（通常为有用级次）的衍射光能量与入射光总能量之比。-主级次：设计中用于成像或实现预期光学功能的主要衍射级次。-杂散级次：除主级次外的其他衍射级次和散射光成分。-测量不确定度：表征合理地赋予被测量之值的分散性、与测量结果相联系的参数。3.3测量原理与条件标准确定的测量原理基于光辐射能量的精确探测与比较。将准直的单色光束入射至被测衍射光学元件，通过光功率计或其他辐射探测器分别测量入射光束总功率和指定衍射级次的衍射光功率，二者的比值即定义为该级次的衍射效率。为保证测量结果的可靠性和可复现性，标准对测量条件提出了明确的规定，包括：环境温度应控制在（23±5）℃范围内，相对湿度应不大于75%；测量应在洁净度适当的环境中进行，以避免灰尘颗粒对光路的影响；激光光源的功率稳定性应在规定范围内等。3.4测量装置-光源系统：要求使用波长稳定性好、功率波动小的单色光源（如稳频激光器或单色仪分光后的光源），光源波长应经校准并溯源至国家计量标准。-样品定位系统：采用高精度旋转台或位移台实现被测元件的精确定位和多级次扫描测量，对角度定位精度提出量化要求。-探测器系统：要求探测器具有良好的线性响应、适当的动态范围和较低的噪声水平，且需经过计量校准以保证测量结果的溯源性。标准中明确了避免探测器饱和的非线性区操作要求，并建议使用积分球配合探测器以减小光束空间不均匀性引起的测量误差。3.5测量步骤标准给出了系统化的测量实施步骤：1.测量前准备：按要求对光学平台、光源和探测器进行预热和稳定性检查；记录环境条件；检查被测元件外观质量。2.入射光功率测量：在被测元件未放入光路时，将探测器置于元件位置处，测量入射光束的总功率P₀。3.样品安装与调整：将被测衍射光学元件安装至定位系统上，调整其方位使入射光满足设计的使用条件（包括入射角、偏振态等）。4.衍射光功率扫描与测量：在衍射光场的预期分布区域内，通过旋转台转动探测器或移动探测器的方式，逐点测量各衍射级次的光功率分布。对需要测量的指定级次，精确测量该级次的衍射光功率P₁。5.结果计算：按公式η=P₁/P₀×100%计算被测元件指定级次的衍射效率。3.6数据处理与结果报告标准规定了测量结果应给出多次独立测量的算术平均值及测量不确定度。测量不确定度的评定应符合JJF1059.1的有关规定，需综合考虑光源功率波动、探测器非线性、角度定位误差、环境因素变化等不确定度来源。标准同时规定了测量报告应包含的基本信息要素，如被测元件标识、测量条件、测量装置配置、测量结果及不确定度等，确保报告的完整性和可追溯性。四、主要参与单位介绍4.1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称“长春光机所”）成立于1952年，是中国科学院系统内规模最大、综合实力最强的光学精密机械与物理研究机构之一，也是新中国光学事业的摇篮。长春光机所在衍射光学理论、微纳加工技术、光学检测与评价等方向具有深厚的积累，先后承担了多项国家重大科技基础设施和国防科研项目中的衍射光学元件研制与检测任务。长春光机所拥有国家光学机械质量检验检测中心等权威检测平台，建有完善的光学元件衍射效率测量实验系统，具备从紫外到红外波段的多波长测量能力。近年来，长春光机所在衍射光学元件测量方向完成了一系列基础性、前瞻性研究工作，为本标准的制定提供了关键的理论支撑和实验验证条件。在本标准的编制过程中，长春光机所作为核心起草单位主要贡献如下：一是牵头搭建了用于标准验证的多套衍射效率测量装置，并在国内多家实验室间组织了比对测试；二是基于丰富的工程实践经验，主导编写了标准中关于数据处理方法和测量不确定度评定的关键技术内容；三是组织承办了多次标准研讨会和实验比对活动，为各参与单位之间的技术协调发挥了桥梁和纽带作用。4.2其他主要参与单位除长春光机所外，本标准还汇聚了国内衍射光学研究和产业领域的多家核心单位和行业组织，包括：中国科学院光电技术研究所（在微纳衍射光学元件设计与制造方面具有长期积累）、苏州大学、北京理工大学（在衍射光学设计理论和测量方法方面开展了大量基础研究）、中国计量科学研究院（为测量结果的计量溯源性提供保障）、以及国内多家衍射光学元件骨干生产企业（为标准的验证提供了具有代表性的实际产品样品）。此外，全国光学和光子学标准化技术委员会在标准的立项协调、技术审查和组织管理方面发挥了不可替代的作用。各参与单位的通力协作确保了标准在学术前沿性和产业适用性之间的良好平衡。五、标准实施意义与应用前景5.1产业意义本标准的发布实施对衍射光学元件产业链具有深远影响。对于上游制造企业而言，统一的标准测试方法有助于建立内部质量控制体系，降低质量纠纷发生率；对于下游用户而言，依据标准检测报告可以客观比较不同供应商产品的性能差异，为采购决策提供技术依据；对于第三方检测机构而言，标准为开展衍射效率检测服务提供了有效的依据，促进了检测市场的规范化和服务能力的提升。5.2科研价值5.3国际化意义当前，国际标准化组织（ISO）尚未发布专门针对衍射光学元件衍射效率测量的国际标准。本标准的出台使我国在该细分领域的标准化工作中走在了世界前列，为未来主导制定相关国际标准奠定了坚实基础，对提升我国在全球光学标准制定中的话语权具有重要战略意义。六、结论与展望展望未来，随着增强现实（AR/VR）显示、激光雷达、量子光学、深空探测等新兴应用领域的持续拓展，衍射光学元件的应用场景将更加多元、性能指标将更加严苛，对标准化工作也将提出更高的要求。建议后续在以下方向持续推动标准体系建设：1.扩展波段覆盖面：结合太赫兹、X射线等新型波段应用需求，适时开展相应波段的测量标准预研与制定工作；2.完善在线检测标准：面向工业生产中的在线、快速、非接触检测需求，研制衍射效率快速检测方法标准；3.推进国际标准制定：以国内标准为基础，联合相关国家积极推动在国际标准化组织（ISO/TC172）框架下立项衍射光学元件测量方法的国际标准，实现中国标准“走出去”；4.健全配套标准体系：同步制定衍射光学元件术语、外观质量、环境适应性、可靠性试验等配套标准，形成完整的衍射光学元件标准族，为行业提供全链条的标准化支撑；5.建立标准实施反馈机制：加强标准宣贯培训和实施效果评估，根据技术进步和产业需求适时开展标准复审与修订，确保标准的持续适用性和先进性。我们有理由相信，以本标准的发布为契机，我国衍射光学元件的科学研究、技术开发和产业化将迈入更加规范化、高效化的新阶段，为实现高水平科技自立自强贡献标准化力量。参考文献[1]GB/T43690-2024,成像衍射光学元件衍射效率的测量方法[S].北京:中国标准出版社,2024.[2]全国光学和光子学标准化技术委员会.标准编制说明（送审稿）[Z].2023.[3]JJF1059.1-2012,测量不确定度评定与表示[S].北京:中国质检出版社,2012.[4]ISO9211-1:20