近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授李星輝團(tuán)隊(duì)在多維原子級(jí)測(cè)量技術(shù)研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出了一種新型零死區(qū)集成式外差光柵干涉儀，可實(shí)現(xiàn)三自由度的亞納米級(jí)位移測(cè)量，并顯著提升了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和抗干擾能力。該成果為面向光刻系統(tǒng)、原子尺度制造和航空航天超精密測(cè)量等應(yīng)用的高集成度、多維度測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐。

圖1.新型零死區(qū)外差光柵干涉儀的整體框架

隨著集成電路制造、精密機(jī)械加工及原子制造等高端產(chǎn)業(yè)不斷邁向納米乃至皮米級(jí)精度，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)在多自由度同步測(cè)量、環(huán)境魯棒性和系統(tǒng)集成度方面提出了更高要求。當(dāng)前主流的激光干涉儀和電容傳感器難以在測(cè)量精度、維度耦合、系統(tǒng)體積和抗干擾能力之間取得平衡。尤其在復(fù)雜環(huán)境下，非線性誤差、串?dāng)_誤差和“死區(qū)效應(yīng)”成為高精度測(cè)量的關(guān)鍵瓶頸。

圖2.系統(tǒng)實(shí)拍圖

李星輝團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一種集成化零死區(qū)外差光柵干涉系統(tǒng)，采用空間對(duì)稱雙光路架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)頻率與偏振混疊誤差的根源性消除，并構(gòu)建了基于小波分析與巴特沃斯濾波器的誤差校正算法，將串?dāng)_誤差控制至5%以下。該系統(tǒng)采用緊湊式設(shè)計(jì)，整體尺寸為90×90×40mm3，結(jié)合3自由度納米壓電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高精度實(shí)時(shí)多維位移測(cè)量。

圖3.系統(tǒng)極限分辨力、多級(jí)分辨力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的干涉儀系統(tǒng)在X/Y軸上可達(dá)0.25nm分辨率，Z軸為0.3nm，重復(fù)定位誤差優(yōu)于0.8nm，線性度最高可達(dá)6.9×10??，同時(shí)在1000秒的持續(xù)測(cè)試中保持優(yōu)于20nm（XY）與60nm（Z）的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，測(cè)量量程分別達(dá)到10mm（XY）和2mm（Z），兼具極高精度與寬量程能力。該成果在我國(guó)多維高精度測(cè)量?jī)x器自主研發(fā)方面作出重要貢獻(xiàn)，未來(lái)有望廣泛應(yīng)用于高端制造裝備、先進(jìn)封裝、量子系統(tǒng)調(diào)控等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

圖4.系統(tǒng)串?dāng)_誤差分析及抑制算法

相關(guān)研究成果以“多維原子級(jí)測(cè)量：零死區(qū)集成式外差光柵干涉儀”（Towards multi-dimensional atomic-level measurement: integrated heterodyne grating interferometer with zero dead-zone）為題，于6月4日發(fā)表于《光：先進(jìn)制造》（Light: Advanced Manufacturing）。

深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生崔璨為論文第一作者，2021級(jí)碩士生高旅業(yè)（已畢業(yè)）為共同第一作者，李星輝為通訊作者。其他合作者包括深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)碩士生趙鵬博、馬煜，2023級(jí)碩士生楊孟涵、劉立福，2022級(jí)博士生黃光耀，2021級(jí)博士生汪盛通，2024級(jí)博士生駱林斌等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究項(xiàng)目、深圳市穩(wěn)定支持計(jì)劃項(xiàng)目的資助。