近日，清华大学深圳国际研究生院副教授李星辉团队在多维原子级测量技术研究方面取得新进展。团队提出了一种新型零死区集成式外差光栅干涉仪，可实现三自由度的亚纳米级位移测量，并显著提升了系统在复杂环境下的稳定性和抗干扰能力。该成果为面向光刻系统、原子尺度制造和航空航天超精密测量等应用的高集成度、多维度测量系统发展提供了重要技术支撑。

图1.新型零死区外差光栅干涉仪的整体框架

随着集成电路制造、精密机械加工及原子制造等高端产业不断迈向纳米乃至皮米级精度，对测量系统在多自由度同步测量、环境鲁棒性和系统集成度方面提出了更高要求。当前主流的激光干涉仪和电容传感器难以在测量精度、维度耦合、系统体积和抗干扰能力之间取得平衡。尤其在复杂环境下，非线性误差、串扰误差和“死区效应”成为高精度测量的关键瓶颈。

图2.系统实拍图

李星辉团队提出并验证了一种集成化零死区外差光栅干涉系统，采用空间对称双光路架构，实现频率与偏振混叠误差的根源性消除，并构建了基于小波分析与巴特沃斯滤波器的误差校正算法，将串扰误差控制至5%以下。该系统采用紧凑式设计，整体尺寸为90×90×40mm³，结合3自由度纳米压电平台，实现了高精度实时多维位移测量。

图3.系统极限分辨力、多级分辨力测试

实验结果表明，所研制的干涉仪系统在X/Y轴上可达0.25nm分辨率，Z轴为0.3nm，重复定位误差优于0.8nm，线性度最高可达6.9×10⁻⁵，同时在1000秒的持续测试中保持优于20nm（XY）与60nm（Z）的长时稳定性，测量量程分别达到10mm（XY）和2mm（Z），兼具极高精度与宽量程能力。该成果在我国多维高精度测量仪器自主研发方面作出重要贡献，未来有望广泛应用于高端制造装备、先进封装、量子系统调控等战略产业领域。

图4.系统串扰误差分析及抑制算法

相关研究成果以“多维原子级测量：零死区集成式外差光栅干涉仪”（Towards multi-dimensional atomic-level measurement: integrated heterodyne grating interferometer with zero dead-zone）为题，于6月4日发表于《光：先进制造》（Light: Advanced Manufacturing）。

深圳国际研究生院2023级博士生崔璨为论文第一作者，2021级硕士生高旅业（已毕业）为共同第一作者，李星辉为通讯作者。其他合作者包括深圳国际研究生院2022级硕士生赵鹏博、马煜，2023级硕士生杨孟涵、刘立福，2022级博士生黄光耀，2021级博士生汪盛通，2024级博士生骆林斌等。研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用研究项目、深圳市稳定支持计划项目的资助。