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我國高測速多軸高分辨力激光干涉測量技術與儀器取得重大突破

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我國高測速多軸高分辨力激光干涉測量技術與儀器取得重大突破

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【摘要】:
我國高測速多軸高分辨力激光干涉測量技術與儀器取得重大突破?激光干涉測量是實現超精密測控和微納尺度測量的最有效手段之一,是保障可溯源納米測量的重要途徑,也是邁向計量強國、制造強國不可或缺的關鍵計量測試技術。記者獲悉,在國家重大科技專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”(02專項)和國家自然科學基金儀器專項等項目支持下,由清華大學李巖、尉昊赟、吳學健、張弘元、張繼濤、趙世杰、朱敏昊、黃沛、任利兵、

我國高測速多軸高分辨力激光干涉測量技術與儀器取得重大突破

 

激光干涉測量是實現超精密測控和微納尺度測量的最有效手段之一,是保障可溯源納米測量的重要途徑,也是邁向計量強國、制造強國不可或缺的關鍵計量測試技術。

記者獲悉,在國家重大科技專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”(02專項)和國家自然科學基金儀器專項等項目支持下,由清華大學李巖、尉昊赟、吳學健、張弘元、張繼濤、趙世杰、朱敏昊、黃沛、任利兵、楊宏雷完成的“高測速多軸高分辨力激光干涉測量技術與儀器”項目,針對光刻機工件臺超精密定位、基礎計量測量和高端儀器應用中對激光干涉儀高動態、高分辨力、跨尺度和可溯源等測量需求,深入開展測量原理、方法和測量系統儀器化中的共性科學技術問題研究,突破一系列關鍵技術瓶頸,形成了測量新方法、系統及儀器。

日前,“高測速多軸高分辨力激光干涉測量技術與儀器”項目獲得2018年度中國計量測試學會科學技術進步一等獎。

該項目負責人清華大學長聘教授、精密儀器系學術委員會主任李巖介紹,項目實現了從干涉儀組件、信號探測解調到多自由度探測方案設計的全鏈條自研開發的高測速、多軸大量程、高分辨力激光干涉測量系統,其顯著特色在于:針對光刻機等苛刻測量環境中實現多自由度干涉測量的需求,提出基于棱鏡誤差矢量分析的單體集成多軸干涉儀組件設計方法,研發出從2軸到5軸的系列化單體式多軸干涉儀組件,打破國外企業的壟斷和對我國的出口限制;針對高測速納米分辨干涉測量需求,提出一種時延分辨整小數結合相位解調方法和一種基于數字頻率合成的差分正交相位解調方法,研發出最大測速達2m/s,分辨力0.3nm,測量范圍>20m,數據壽命不確定度<1ns的多通道干涉信號解調模塊;提出了一種三真空管構建等效合成波長鏈氣體折射率測量方案,實現了空氣折射率誤差補償,突破了空氣折射率對光學干涉測量精度的限制。

項目還提出了光頻可溯源系列化激光干涉精密測長方法,主要包括:研制出光頻可溯源至米定義譜線的非線性抑制亞納米分辨可溯源外差干涉儀,實現非線性誤差在0.1nm量級的外差干涉測量;建立了一套光頻可溯源的THz寬帶、kHz量級頻率標準差的激光輸出調諧控制系統,提出光學頻率梳參考激光頻率掃描干涉測量和任意等頻率間隔相移干涉相位測量相融合的整小數結合測量方法,實現高精度絕對距離測量;提出并建立了一套可調諧半導體激光器諧振峰鎖定F-P干涉測量系統,將位移變化的測量直接轉化為輸出光的光頻變化的可溯源測量,原理上沒有非線性,且具計量意義的納米測量能力和跨尺度pm量級絕對距離測量能力。

據悉,上述系列化研究成果獲授權發明專利20余項,發表SCI收錄論文30余篇,并作為清華大學重要科研成果入選“國家十二五科技創新成就展”。成果豐富了激光干涉測量理論與技術,提升了干涉測量的性能指標,擴展了應用領域。以本項目研究為基礎研制的干涉儀組件及測量系統在先進裝備研發、高端科學儀器開發和科學研究等領域得到了成功應用和推廣。

截至目前,項目團隊所研發的光刻機用雙頻激光干涉儀系統,成功應用到我國自研光刻機工件臺樣機研發過程中,累計應用50余臺套,很好的滿足了光刻機雙工件臺樣機的精密測量需求,支撐了國內光刻機用雙頻激光干涉儀能力的形成,減輕了對國外高端干涉儀的依賴,降低了其產品對我國出口限制所造成的研發風險,有力保障了光刻機雙工件臺研發的順利實施,對研發我國自主的高性能光刻機工件臺起到了重要的技術支撐作用。該項目關鍵技術突破形成的激光干涉信號解調模塊成功應用到國產高端儀器激光測振儀中,幫助國內企業提升了產品性能和市場競爭力,打破國外公司在國際激光多普勒測振領域的壟斷地位。目前產品已成功應用到航空航天、汽車制造、機床檢測等多個領域,成為提升中國制造產品質量的有力支撐工具。

李巖表示,該項目研究的亞納米分辨力可溯源外差干涉儀,成功應用到激光多維測量系統的研究與開發的比對檢定研究中,找出了激光多維測量系統非線性誤差原因,并用專門的電路加以校正,提高了相關單位激光多維測量系統的性能。所提出的可溯源干涉測量新方法,為摩爾單位采用阿伏伽德羅常數重新定義做出了貢獻。應用到用單晶硅球直徑的高精度測量,實現實驗室條件下直徑(約93mm)測量標準不確定度5nm。相關成果被國際專家評為《測量科學技術》2013年度杰出論文精密測量獎,是國內單位首次獲得這一獎項。(來源:科技日報

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