利用超表面實現(xiàn)平面內(nèi)納米位移的光學(xué)感測

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點實驗室微納光學(xué)與技術(shù)課題組王沛教授和魯擁華副教授在精密位移的光學(xué)感測研究方面取得新進展，設(shè)計了一種光學(xué)超表面（metasurface），將二維平面的位移信息映射為雙通道偏光干涉的光強變化，實現(xiàn)了平面內(nèi)任意移動軌跡的大量程（百微米量級）、高精度（亞納米）的非接觸感測。研究成果以“High-precision two-dimensional displacement metrology based on matrix metasurface”為題，于2024年1月10日在線發(fā)表在《Science Advances》上。 納米級長度和位移測量是光學(xué)精密測量領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)研究課題，在半導(dǎo)體疊對誤差測量（overlay metrology）、精密對準(zhǔn)與跟蹤等方面具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的光學(xué)干涉儀雖然可以實現(xiàn)納米及亞納米的測量精度，但系統(tǒng)復(fù)雜、易受環(huán)境干擾。

近年來該課題組基于微納結(jié)構(gòu)光場調(diào)控技術(shù)發(fā)展出了一些位移感測技術(shù)，實現(xiàn)了亞納米的測量精度(Phys. Rev. Lett., 124, 243901 ( 2020)；Sci. Adv. 8, eadd1973 (2022))。但是這些一維位移測量技術(shù)在跟蹤面內(nèi)移動的應(yīng)用中需要克服裝配誤差，限制了測量的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1.（a）基于超表面二維位移感測的原理圖；（b）位移感測系統(tǒng)實驗裝置示意圖；（c）輸出功率隨超表面二維位移的變化。

為此，課題組進一步提出了一種基于超表面光場調(diào)控的二維位移精密測量的光學(xué)新技術(shù)。設(shè)計了一種超表面，不僅可以實現(xiàn)二維的光學(xué)衍射，且能夠同時定制每個衍射級次光場的偏振態(tài)，利用不同衍射級次組合的雙通道偏光干涉，同時記錄二維平面內(nèi)的任意位移。通過相位解算算法從雙通道偏光干涉光強中獲得高精度、大量程的二維位移信息。實驗證明該位移測量技術(shù)的精度可以達到0.3納米，測量量程達到200微米以上。

圖2.（a）二維位移測量系統(tǒng)的測量精度；（b）長間隔距離的四個字母形狀路徑的測量結(jié)果；（c）亞微米尺寸復(fù)雜圖案邊緣路徑的測量結(jié)果。

該技術(shù)能夠同時測得二維位移信息，可有效被用于跟蹤二維平面內(nèi)的任意復(fù)雜運動。課題組相關(guān)研究工作拓展了光學(xué)超表面的應(yīng)用領(lǐng)域，提升了精密位移光學(xué)傳感技術(shù)的可靠性和集成度，展示了超表面光場調(diào)控能力對傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的賦能作用。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點實驗室的臧昊峰博士是該論文的第一作者，魯擁華副教授和王沛教授是論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的經(jīng)費支持。