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我国高测速多轴高分辨力激光干涉测量技术与仪器取得重大突破

激光干涉测量是实现超精密测控和微纳尺度测量的最有效手段之一,是保障可溯源纳米测量的重要途径,也是迈向计量强国、制造强国不可或缺的关键计量测试技术。

记者获悉,在国家重大科技专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”(02专项)和国家自然科学基金仪器专项等项目支持下,由清华大学李岩、尉昊赟、吴学健、张弘元、张继涛、赵世杰、朱敏昊、黄沛、任利兵、杨宏雷完成的“高测速多轴高分辨力激光干涉测量技术与仪器”项目,针对光刻机工件台超精密定位、基础计量测量和高端仪器应用中对激光干涉仪高动态、高分辨力、跨尺度和可溯源等测量需求,深入开展测量原理、方法和测量系统仪器化中的共性科学技术问题研究,突破一系列关键技术瓶颈,形成了测量新方法、系统及仪器。

日前,“高测速多轴高分辨力激光干涉测量技术与仪器”项目获得2018年度中国计量测试学会科学技术进步一等奖。

该项目负责人清华大学长聘教授、精密仪器系学术委员会主任李岩介绍,项目实现了从干涉仪组件、信号探测解调到多自由度探测方案设计的全链条自研开发的高测速、多轴大量程、高分辨力激光干涉测量系统,其显著特色在于:针对光刻机等苛刻测量环境中实现多自由度干涉测量的需求,提出基于棱镜误差矢量分析的单体集成多轴干涉仪组件设计方法,研发出从2轴到5轴的系列化单体式多轴干涉仪组件,打破国外企业的垄断和对我国的出口限制;针对高测速纳米分辨干涉测量需求,提出一种时延分辨整小数结合相位解调方法和一种基于数字频率合成的差分正交相位解调方法,研发出最大测速达2m/s,分辨力0.3nm,测量范围>20m,数据寿命不确定度<1ns的多通道干涉信号解调模块;提出了一种三真空管构建等效合成波长链气体折射率测量方案,实现了空气折射率误差补偿,突破了空气折射率对光学干涉测量精度的限制。

项目还提出了光频可溯源系列化激光干涉精密测长方法,主要包括:研制出光频可溯源至米定义谱线的非线性抑制亚纳米分辨可溯源外差干涉仪,实现非线性误差在0.1nm量级的外差干涉测量;建立了一套光频可溯源的THz宽带、kHz量级频率标准差的激光输出调谐控制系统,提出光学频率梳参考激光频率扫描干涉测量和任意等频率间隔相移干涉相位测量相融合的整小数结合测量方法,实现高精度绝对距离测量;提出并建立了一套可调谐半导体激光器谐振峰锁定F-P干涉测量系统,将位移变化的测量直接转化为输出光的光频变化的可溯源测量,原理上没有非线性,且具计量意义的纳米测量能力和跨尺度pm量级绝对距离测量能力。

据悉,上述系列化研究成果获授权发明专利20余项,发表SCI收录论文30余篇,并作为清华大学重要科研成果入选“国家十二五科技创新成就展”。成果丰富了激光干涉测量理论与技术,提升了干涉测量的性能指标,扩展了应用领域。以本项目研究为基础研制的干涉仪组件及测量系统在先进装备研发、高端科学仪器开发和科学研究等领域得到了成功应用和推广。

截至目前,项目团队所研发的光刻机用双频激光干涉仪系统,成功应用到我国自研光刻机工件台样机研发过程中,累计应用50余台套,很好的满足了光刻机双工件台样机的精密测量需求,支撑了国内光刻机用双频激光干涉仪能力的形成,减轻了对国外高端干涉仪的依赖,降低了其产品对我国出口限制所造成的研发风险,有力保障了光刻机双工件台研发的顺利实施,对研发我国自主的高性能光刻机工件台起到了重要的技术支撑作用。该项目关键技术突破形成的激光干涉信号解调模块成功应用到国产高端仪器激光测振仪中,帮助国内企业提升了产品性能和市场竞争力,打破国外公司在国际激光多普勒测振领域的垄断地位。目前产品已成功应用到航空航天、汽车制造、机床检测等多个领域,成为提升中国制造产品质量的有力支撑工具。

李岩表示,该项目研究的亚纳米分辨力可溯源外差干涉仪,成功应用到激光多维测量系统的研究与开发的比对检定研究中,找出了激光多维测量系统非线性误差原因,并用专门的电路加以校正,提高了相关单位激光多维测量系统的性能。所提出的可溯源干涉测量新方法,为摩尔单位采用阿伏伽德罗常数重新定义做出了贡献。应用到用单晶硅球直径的高精度测量,实现实验室条件下直径(约93mm)测量标准不确定度5nm。相关成果被国际专家评为《测量科学技术》2013年度杰出论文精密测量奖,是国内单位首次获得这一奖项。

(记者:马爱平)

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