一直以來，納米精度的位移測量——都是半導體制造、高分辨光學成像、精密測量等領域的基礎光學技術。
以半導體制造為例，刻寫線條的對準精度需要優於線寬的四分之一，只有這樣才能保證加工制造的良率，這意味著 10 納米的線條的對準精度必須高於 2 納米。
但是，橫向位移的光學測量技術，受到光學繞射極限的限制，難以滿足納米精度的要求。
橫向位移的精密測量，在工程和基礎科學中均具有重要套用價值。近年來，學界利用微納尺度的光學結構單元來設計位移傳感器，致力於提高橫向位移的測量精度。
此前，曾有科研團隊將光束的位移資訊，對映到出射光偏振狀態上，並透過偏振器來進行測量。透過大梯度的偏振編碼，讓測量精度得以提高。
然而，上述研究依舊停留在一維位移，對於面內移動無法實作完整表征。
多年來，中國科學技術大學魯擁華副教授和團隊一直深耕於微納光學賦能的精密位移感測，致力於發展高精度、整合度高、多維度的位移感測技術。
圖 | 魯擁華（來源：課題組主頁）
前期，他們發展了一些位移感測技術，透過微納結構的光場調控技術取得了亞納米級測量精度。
但是，這些一維位移測量技術在測量面內移動場景時，存在裝配誤差、穩定性等問題，因此該團隊嘗試利用超表面豐富的光場調控能力來拓展維度，發展一種面內位移測量技術。
隨後，他們透過矩陣傅立葉法設計了一種能夠實作二維光學繞射的矩陣超表面，可以同時客製每個繞射級次光場的偏振態，並提出了基於矩陣超表面的二維位移精密測量的新技術。
透過有限時域差分法，他們模擬了超表面的繞射效率、偏振態等性質，驗證了該方案的可行性，並透過微納加工技術制作出超表面樣品。
然後，其又搭建了基於矩陣超表面的二維位移傳感器的原型機，證明這種位移測量技術的可行性和優越性。
最終，課題組測量得到一種二維位移資訊，其精度達到 0.3 納米，量程達到 200 微米以上，實作了平面內納米位移的高精度光學感測。
概括來說，他們透過利用超表面結構，將橫向位移編碼到雙光束幹涉的光強變化上，借此繞開繞射極限的限制，大振幅提升了橫向位移光學感測的測量精度。
其還將偏振編碼這一思想，擴充套件到矩陣超表面測量面內位移之中，在數百微米範圍內實作了亞納米級別的精度，是位移測量領域的一項重要進展。
預計這一研究成果可被用於精密測量目標物的面內位移量，且可以監測目標物在面內的運動軌跡，還可以作為具有納米精度的大量程位移傳感器，從而用於精密加工、精密測量、半導體制造、超分辨光學成像等領域。
憑借其優秀的位移測量精度和測量量程，結合力學單元結構還可以進行振動、平坦度的測量，從而有望發展高靈敏度的速度傳感器和加速度傳感器。
（來源：Science Advances）
魯擁華補充稱：「這項工作涉及到極端的位移測量指標，即使在超凈實驗室、光學隔振平台上開展實驗，仍然很容易受到環境雜訊的影響。
為了獲得可靠的實驗結果，除了光學設計和演算法處理等工作之外，在測試中還需要晝夜長時間連續觀察環境影響，論文一作臧昊峰博士為此付出了不少心血。」
最終，相關論文以【基於矩陣超表面的高精度二維位移測量】（High-precision two-dimensional displacement metrology based on matrix metasurface）為題發在 Science Advances [1]。
中國科大臧昊峰博士是第一作者，中國科大魯擁華副教授和王沛教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
下一步，他們希望可以豐富超表面對光場調控的自由度，發展更高精度、更整合且更多維度的位移傳感器，結合實際套用場景開展套用驗證研究，為半導體制造、微納加工等領域提供新的位移測量方案。
參考資料：
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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