【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學深圳國際研究生院副教授李星輝團隊在多維原子級測量技術研究方面取得新進展。團隊提出了一種新型零死區(qū)集成式外差光柵干涉儀，可實現(xiàn)三自由度的亞納米級位移測量，并顯著提升了系統(tǒng)在復雜環(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量等應用的高集成度、多維度測量系統(tǒng)發(fā)展提供了重要技術支撐。
 

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精度，對測量系統(tǒng)在多自由度同步測量、環(huán)境魯棒性和系統(tǒng)集成度方面提出了更高要求。當前主流的激光干涉儀和電容傳感器難以在測量精度、維度耦合、系統(tǒng)體積和抗干擾能力之間取得平衡。尤其在復雜環(huán)境下，非線性誤差、串擾誤差和“死區(qū)效應”成為高精度測量的關鍵瓶頸。
 

圖2.系統(tǒng)實拍圖
 

　　李星輝團隊提出并驗證了一種集成化零死區(qū)外差光柵干涉系統(tǒng)，采用空間對稱雙光路架構，實現(xiàn)頻率與偏振混疊誤差的根源性消除，并構建了基于小波分析與巴特沃斯濾波器的誤差校正算法，將串擾誤差控制至5%以下。該系統(tǒng)采用緊湊式設計，整體尺寸為90×90×40mm³，結合3自由度納米壓電平臺，實現(xiàn)了高精度實時多維位移測量。
 

圖3.系統(tǒng)極限分辨力、多級分辨力測試
 

　　實驗結果表明，所研制的干涉儀系統(tǒng)在X/Y軸上可達0.25nm分辨率，Z軸為0.3nm，重復定位誤差優(yōu)于0.8nm，線性度最高可達6.9×10??，同時在1000秒的持續(xù)測試中保持優(yōu)于20nm(XY)與60nm(Z)的長時穩(wěn)定性，測量量程分別達到10mm(XY)和2mm(Z)，兼具極高精度與寬量程能力。該成果在我國多維高精度測量儀器自主研發(fā)方面作出重要貢獻，未來有望廣泛應用于高端制造裝備、先進封裝、量子系統(tǒng)調控等戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)領域。
 

圖4.系統(tǒng)串擾誤差分析及抑制算法
 

　　相關研究成果以“多維原子級測量：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：先進制造》(Light: Advanced Manufacturing)。
 

　　深圳國際研究生院2023級博士生崔璨為論文第一作者，2021級碩士生高旅業(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際研究生院2022級碩士生趙鵬博、馬煜，2023級碩士生楊孟涵、劉立福，2022級博士生黃光耀，2021級博士生汪盛通，2024級博士生駱林斌等。研究得到國家自然科學基金、廣東省基礎與應用研究項目、深圳市穩(wěn)定支持計劃項目的資助。