一直以来，纳米精度的位移测量——都是半导体制造、高分辨光学成像、精密测量等领域的基础光学技术。

以半导体制造为例，刻写线条的对准精度需要优于线宽的四分之一，只有这样才能保证加工制造的良率，这意味着 10 纳米的线条的对准精度必须高于 2 纳米。

但是，横向位移的光学测量技术，受到光学衍射极限的限制，难以满足纳米精度的要求。

横向位移的精密测量，在工程和基础科学中均具有重要应用价值。近年来，学界利用微纳尺度的光学结构单元来设计位移传感器，致力于提高横向位移的测量精度。

此前，曾有科研团队将光束的位移信息，映射到出射光偏振状态上，并通过偏振器来进行测量。通过大梯度的偏振编码，让测量精度得以提高。

然而，上述研究依旧停留在一维位移，对于面内移动无法实现完整表征。

多年来，中国科学技术大学鲁拥华副教授和团队一直深耕于微纳光学赋能的精密位移感测，致力于发展高精度、集成度高、多维度的位移感测技术。

图 | 鲁拥华（来源：课题组主页）

前期，他们发展了一些位移感测技术，通过微纳结构的光场调控技术取得了亚纳米级测量精度。

但是，这些一维位移测量技术在测量面内移动场景时，存在装配误差、稳定性等问题，因此该团队尝试利用超表面丰富的光场调控能力来拓展维度，发展一种面内位移测量技术。

随后，他们通过矩阵傅里叶法设计了一种能够实现二维光学衍射的矩阵超表面，可以同时定制每个衍射级次光场的偏振态，并提出了基于矩阵超表面的二维位移精密测量的新技术。

通过有限时域差分法，他们模拟了超表面的衍射效率、偏振态等性质，验证了该方案的可行性，并通过微纳加工技术制作出超表面样品。

然后，其又搭建了基于矩阵超表面的二维位移传感器的原型机，证明这种位移测量技术的可行性和优越性。

最终，课题组测量得到一种二维位移信息，其精度达到 0.3 纳米，量程达到 200 微米以上，实现了平面内纳米位移的高精度光学感测。

概括来说，他们通过利用超表面结构，将横向位移编码到双光束干涉的光强变化上，借此绕开衍射极限的限制，大幅度提升了横向位移光学感测的测量精度。

其还将偏振编码这一思想，扩展到矩阵超表面测量面内位移之中，在数百微米范围内实现了亚纳米级别的精度，是位移测量领域的一项重要进展。

预计这一研究成果可被用于精密测量目标物的面内位移量，且可以监测目标物在面内的运动轨迹，还可以作为具有纳米精度的大量程位移传感器，从而用于精密加工、精密测量、半导体制造、超分辨光学成像等领域。

凭借其优秀的位移测量精度和测量量程，结合力学单元结构还可以进行振动、平坦度的测量，从而有望发展高灵敏度的速度传感器和加速度传感器。

（来源：Science Advances）

鲁拥华补充称：“这项工作涉及到极端的位移测量指标，即使在超净实验室、光学隔振平台上开展实验，仍然很容易受到环境噪声的影响。

为了获得可靠的实验结果，除了光学设计和算法处理等工作之外，在测试中还需要昼夜长时间连续观察环境影响，论文一作臧昊峰博士为此付出了不少心血。”

最终，相关论文以《基于矩阵超表面的高精度二维位移测量》（High-precision two-dimensional displacement metrology based on matrix metasurface）为题发在 Science Advances[1]。

中国科大臧昊峰博士是第一作者，中国科大鲁拥华副教授和王沛教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

下一步，他们希望可以丰富超表面对光场调控的自由度，发展更高精度、更集成且更多维度的位移传感器，结合实际应用场景开展应用验证研究，为半导体制造、微纳加工等领域提供新的位移测量方案。

参考资料：

1.Zang, H., Zhang, Z., Huang, Z., Lu, Y., & Wang, P. (2024). High-precision two-dimensional displacement metrology based on matrix metasurface.Science Advances, 10(2), eadk2265.

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