中國科學技術(shù)大學光電子科學與技術(shù)安徽省重點實驗室微納光學與技術(shù)課題組王沛教授和魯擁華副教授在精密位移的光學感測研究方面取得新進展，設(shè)計了一種光學超表面（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）、精密對準與跟蹤等方面具有關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的光學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超表面的應(yīng)用領(lǐng)域，提升了精密位移光學傳感技術(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)光學技術(shù)的賦能作用。 中國科學技術(shù)大學光電子科學與技術(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、國家自然科學基金委和安徽省的經(jīng)費支持。