清华团队研发新型光栅干涉仪，实现原子级精度多维测量

清华大学深圳国际研究生院李星辉副教授课题组的主要研究方向为精密纳米光学测量技术与仪器。近期，该团队开发了一种新型零死区外差光栅干涉仪，尺寸仅为 90×90×40mm³。值得关注的是，该系统同时实现了原子级超高精度（0.1nm 量级）和三自由度（X、Y、Z 轴）位移测量。

研究结果显示，该系统在 X 轴和 Y 轴可实现的分辨率为 0.25nm，Z 轴分辨率达 0.3nm，重复定位误差优于 0.8nm，线性度最高能达到 6.9×10-5。

图丨李星辉教授团队（来源：李星辉）

李星辉对 DeepTech 表示：“这项研究历时五年多，我们团队从原理到技术再到系统进行了一系列创新，率先在国际上实现了兼具原子级和多维度的光栅干涉测量系统。

该技术具有广泛的应用前景，有望应用于极紫外（EUV，Extreme Ultra-violet）光刻机、原子力显微镜为代表的扫描探针测量系统、太空望远镜以及其他超精密制造与计量领域。

近日，相关论文以《面向多维度原子级测量的集成零死区外差光栅干涉仪》（Towards multi-dimensional atomic-level measurement: integrated heterodyne grating interferometer with zero dead-zone）为题发表在 Light: Advanced Manufacturing[1]。清华大学博士研究生崔璨和硕士毕业生高旅业为论文共同第一作者，李星辉副教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Light: Advanced Manufacturing）

“死区”问题是当下激光干涉仪方法和光栅干涉仪技术普遍面临的挑战，它指的是测量与参考光路之间的距离差。崔璨解释说道：“一个光路会经过测量目标，而另一个则不会，这会导致天然的距离差，对高精度测量产生很大的影响。因此，‘死区’如何消除是当今学术界公认的难题。”

图丨新型集成式零死区外差光栅干涉仪（来源：该团队）

研究人员通过一系列仿真和分析，建立了“零死区”的新概念。他们通过双二维光栅和双频激光光源的对称布置，实现了自然光路和测量光路的物理对称性，从而在原理上消除了“死区”。

串扰误差是高精度多维测量的重要问题之一。研究团队对串扰误差进行了系统性归类：第一类是测量系统内部串扰，第二类是安装位姿的串扰，第三类是运动系统固有串扰。

图丨系统实拍图（来源：该团队）

此外，研究团队还针对串扰误差，实现了精准的算法校正：首先，利用连续小波变换分析信号，精确识别串扰噪声类别；然后，通过一系列数字信号处理技术，将其从真实的数据中剥离；最终，输出纯净、准确的位移信号。

“通过该方法，我们成功地将三类串扰误差整体降低到 5% 以下，显著提升了多维测量的真实性和准确性。”李星辉表示。

那么，这种能够同时测量三个自由度（X、Y、Z 轴）位移的干涉仪，在工业场景中具有怎样的重要意义呢？

首先，在高端制造领域，尤其是对于半导体光刻场景来说，涉及多维度的复杂运动。因此，该研究中所实现的三自由度测量优势不仅在于能够提高精度和降低成本，还能够使光刻机中的晶圆在多维度进行纳米级精确对准，有利于助力国家关键领域实现技术突破。

研究团队认为，精度是否可达到原子级别是前沿科技能否从“做到”到“做好”的重要分水岭。具体而言，光刻系统中组件精度是否能达到原子级别，与芯片的性能和集成度密切相关。因此，推动原子级测量的高精度是推动摩尔定律延续，实现更先进智能芯片的底盘技术。

图丨原子级测量示意图（来源：该团队）

“此外，原子级精度对原子级制造领域也意义非凡。无论是制造新材料，还是构建新型医疗机器人，都需要精确操控和放置每个原子和分子，因此原子级精度是实现相关领域突破的前提和保障。”崔璨补充说道。

李星辉指出，该技术有望率先在高端机床方向应用。据介绍，该技术已经走出实验室，正在向产业化落地推进。目前，研究团队正在与国内头部的高科技公司进行密切合作，并计划逐步进行系统性的工程化开发。

在接下来的研究阶段中，研究人员计划在以下三方面继续拓展：

第一，将三维向六维扩展，为精密运动控制提供最完备的空间信息。

第二，实现更高精度和动态性能。随着技术的进一步发展，研究团队希望向皮米静态分辨率及高速运动下依然保持纳米级精度的动态性能的目标迈进。

第三，智能化和自校准。可预见的是，未来的测量系统将向智能化发展。因此，研究团队希望能够通过内置算法进行自诊断和自校正，来实现即插即用和免维护，从而降低对设备使用环境和操作人员的相关要求。

参考资料：

1.Cui et al. Towards multi-dimensional atomic-level measurement: integrated heterodyne grating interferometer with zero dead-zone. Light: Advanced Manufacturing 6:40 (2025).https://doi.org/10.37188/lam.2025.040

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