中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)研究方面取得新進(jìn)展，設(shè)計(jì)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(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)了平面內(nèi)任意移動(dòng)軌跡的大量程（百微米量級(jí)）、高精度（亞納米）的非接觸感測(cè)。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(jí)長(zhǎng)度和位移測(cè)量是光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)研究課題，在半導(dǎo)體疊對(duì)誤差測(cè)量（overlay metrology）、精密對(duì)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(shí)現(xiàn)納米及亞納米的測(cè)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(chǎng)調(diào)控技術(shù)發(fā)展出了一些位移感測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了亞納米的測(cè)量精度(Phys. Rev. Lett., 124, 243901 ( 2020)；Sci. Adv. 8, eadd1973 (2022))。但是這些一維位移測(cè)量技術(shù)在跟蹤面內(nèi)移動(dòng)的應(yīng)用中需要克服裝配誤差，限制了測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1.（a）基于超表面二維位移感測(cè)的原理圖；（b）位移感測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步提出了一種基于超表面光場(chǎng)調(diào)控的二維位移精密測(cè)量的光學(xué)新技術(shù)。設(shè)計(jì)了一種超表面，不僅可以實(shí)現(xiàn)二維的光學(xué)衍射，且能夠同時(shí)定制每個(gè)衍射級(jí)次光場(chǎng)的偏振態(tài)，利用不同衍射級(jí)次組合的雙通道偏光干涉，同時(shí)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(qiáng)中獲得高精度、大量程的二維位移信息。實(shí)驗(yàn)證明該位移測(cè)量技術(shù)的精度可以達(dá)到0.3納米，測(cè)量量程達(dá)到200微米以上。

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

該技術(shù)能夠同時(shí)測(cè)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(yùn)動(dòng)。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(chǎng)調(diào)控能力對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的賦能作用。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委和安徽省的經(jīng)費(fèi)支持。