【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授李星輝團(tuán)隊在多維原子級測量技術(shù)研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)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(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量等應(yīng)用的高集成度、多維度測量系統(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(dāng)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(fù)雜環(huán)境下，非線性誤差、串?dāng)_誤差和“死區(qū)效應(yīng)”成為高精度測量的關(guān)鍵瓶頸。
圖2.系統(tǒng)實拍圖
李星輝團(tuán)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(gòu)，實現(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，整體尺寸為90×90×40mm³，結(jié)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(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(dá)到10mm(XY)和2mm(Z)，兼具極高精度與寬量程能力。該成果在我國多維高精度測量儀器自主研發(fā)方面作出重要貢獻(xiàn)，未來有望廣泛應(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(jìn)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(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究項目、深圳市穩(wěn)定支持計劃項目的資助。
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