清华大学李星辉团队：光栅干涉超精密测量技术，支撑原子制造发展 | 专题亮点

导读   

Introduction

清华大学深圳国际研究生院李星辉团队受邀在《激光与光电子学进展》“高端光电仪器与装备”专题发表以“先进光栅干涉：原子制造时代超精密测量技术”为题的综述文章。

为了揭示原子尺度下物质构筑的深层机理，原子级制造必须在严苛的加工与检测条件下，对定位系统进行深亚纳米甚至皮米量级的实时监测与反馈。然而，原子级标尺的精密制备、环境扰动的微杠杆效应、测量量程的限制以及复杂空间几何误差，一直是制约精密测量向更高精度跨越的瓶颈。在此背景下，超精密光栅干涉测量技术凭借其以原子级光栅为基准的高稳定性、多自由度同步解耦以及兼顾大行程的高性能表现，正逐步成为支撑原子制造演进的重要技术手段，展现出赋能国家尖端装备研发的广阔前景。本研究深刻剖析了原子级制造对精密计量体系的核心需求，系统论述了光栅干涉技术的测量机理与关键技术体系，并针对深亚纳米挑战提出了前瞻性的解决思路与工程化展望。

全文链接：李星辉, 吴柏荣, 崔璨, 李尚儒, 刘梁宇, 刘姝佳, 王晓浩. 先进光栅干涉：原子制造时代超精密测量技术（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2026, 63(5): 0512005.

制造技术的精度迭代呈现出清晰的跨尺度演进规律，当纳米制造逼近物理极限时，原子级制造（ACSM）作为一种“自下而上”的精准构筑新范式，已成为新一代制造发展的必然方向。传统微纳制造正面临量子隧穿效应加剧与光刻波长固有极限等性能瓶颈，而ACSM通过在原子尺度对材料进行去除、沉积、掺杂与迁移，实现了真正意义上的逐原子可控构筑。在这一层级，量子效应与化学键相互作用等微观因素将直接决定结构的宏观性能，从而突破传统制造的局限。

为应对原子尺度下的测量难题，科研人员致力于开发更为精准与稳定的超精密测量体系，其应用场景已从基础研究拓展至半导体与量子器件、二维材料、高端光学及能源医药等领域（如图1所示）。这些前沿领域不仅要求局部的皮米级精度，更需要在复杂器件的大面积构筑中实现整体的稳定性与一致性。这一需求凸显出制造精度的突破愈发依赖于底层物理基准的演进，例如采用基于原子跃迁频率的原子光刻技术以制备具有天然溯源性的原子级标尺，以及开发能够支撑多自由度同步测量且兼顾大行程反馈的光栅干涉定位方案。

图1 原子级制造的应用领域

近年来，光栅干涉技术已在超精密定位领域得到广泛应用，显著提升了位移测量的分辨率与稳定性。该技术不仅为新一代原子级制造（ACSM）定位装备的研发提供了切实可行的思路，也进一步推动了光学计量与先进制造等交叉领域的深入研究。作为原子级制造中不可或缺的精密计量基石，光栅干涉技术在实现原子级精准定位方面展现出巨大潜力。例如，2025年国内同济大学研究人员利用线密度高达4700 线/毫米的铬原子光刻光栅，成功实现了具有天然溯源性的皮米级位移测量（如图2(a)所示）。这一成果将原子级物理基准与干涉测量深度结合，为未来原子尺度的精准定位奠定了重要基础。此外，在多自由度光学构型的演变过程中，研究人员提出了多种测量光路以实现多维运动参数的精密解耦（如图3所示）；其中，清华大学团队研发的零死区三自由度外差系统，通过高度集成化设计，大幅抑制了轴间串扰误差。

图2 原子光刻技术：(a) Cr原子光刻的制造原理；(b) 国内首次制备的量子光栅；(c) Cr原子光栅的AFM扫描图像；(d) 二维量子光栅。

图3 多自由度光学设计与多探头集成系统

然而，在追求皮米级极限精度时，光源频率的微小波动与复杂的非线性效应难免会引入测量误差，这限制了系统的长期可靠性。因此，具备溯源性的稳频光源与非线性误差抑制技术近年来被研究人员广泛关注。研究表明，通过采用调制转移光谱（MTS）技术将激光频率锁定至原子跃迁线，可实现量级的频率稳定度（如图4所示），显著提高了光栅干涉系统对微弱位移信号的感知能力；特别是空间分离式光路结构，能够有效消除偏振混叠引起的周期非线性误差，使测量精度从原理上达到原子尺度。

图4 基于MTS系统的稳频光源

与此同时，基于FPGA的实时相位细分与误差补偿技术也取得重要进展。传统位移传感器通过条纹计数实现测量，但受限于时钟频率与电子学漂移，难以在高动态环境下保持超高分辨率。2020年以来，研究人员发现结合上升沿锁定与数字频率混合技术（如图5所示）不仅可以大幅提升相位分辨率，还能有效集成误差抑制算法。通过在FPGA平台内实时运行环境参数补偿模型与几何误差校正程序，可以动态抵消空气折射率波动与热变形带来的影响，进一步抑制系统噪声。这种高性能数字处理技术为高速、超灵敏的在线位移监测以及复杂环境下的误差实时控制提供了全新路径。

图5 光栅干涉仪中的相位细分技术：(a) 动态跟踪下变频相位测量方法；(b) 时域四区间相位校正测量方法；(c) 基于锁相放大器的正交幅度解调方法；(d) 上升沿锁定与数字频率混合相结合的方法

传统的光栅干涉仪在实际应用中易受环境扰动与机械装配误差的影响，导致其性能在非理想工况下受限。尽管该技术在原子级定位领域前景广阔，但仍面临光源不稳、环境干扰、装配误差、光栅缺陷、非线性效应及多轴串扰等六大核心挑战（如图6所示）。这些因素相互叠加，共同制约了系统的测量精度与长期可靠性。对此，研究者们提出了从光源稳频、环境补偿到解耦算法等多种应对方案，有效提高了光栅干涉系统在复杂、苛刻制造环境中稳定运行的可能性。

图6 原子级制造中光栅干涉的挑战与对策

基于多探头融合与协同校准构建的光栅干涉智能测量网络，能为大行程范围内的六自由度运动解耦提供核心支撑，使得多读数头集成化光栅测量系统逐渐成为超精密测量领域的新兴研究热点。2018年，研究人员提出基于刚体运动学与仿射几何变换的实时解耦模型（如图7（d）所示），通过新型相移模型与多项式回归简化算法，有效补偿光刻扫描台的几何畸变，这一方案将光栅干涉仪几何误差从数十至数百纳米降至1纳米级别，显著降低多轴运动信号耦合影响，为原子尺度超精密制造提供核心技术支撑，在未来原子尺度规模化制造中展现出巨大应用潜力。

图7 解耦设计与系统性能研究进展。(a) 六自由度运动误差测量光学系统配置；(b) 六自由度表面编码器；(c) Z 方向位移测量相关的光学系统；(d) 晶圆台四光栅干涉测量系统及 Littrow 衍射编码器概念设计；(e) 空间分离式外差光栅干涉仪光学结构

光栅干涉技术不仅能有效抑制环境扰动与非线性误差，而且能在多自由度构型中实现原子尺度的超精密测量，从而极大提高了定位系统的性能，为新一代原子级制造与高端半导体装备提供了可行的技术路径。随着微纳加工工艺的不断进步和误差补偿算法的发展，超精密光栅干涉测量系统将在纳米计量、科学探索和尖端技术创新中发挥愈加重要的作用。

作者简介  

李星辉，清华大学深圳国际研究生院副教授，博士生导师，2014年博士毕业于日本东北大学，长期从事光学精密测量技术与仪器领域的研究，包括纳米计量光栅加工与光栅干涉测量、光谱共焦感知和条纹结构光三维测量，在包括IJEM、LAM、MINE、IEEE-TIP/TCSVT/TIM等国际期刊及CLEO、SPIE、nanoMAN等领域内重点学术会议发表论文200余篇，Google Scholar总引用3800余次，H因子41。李星辉博士是IEEE、中国仪器仪表学会高级会议，中国仪器仪表学会集成电路测量与仪器分会委员，《光学精密工程》编委、学科执行主编，IJPEM期刊编委，ISNM国际学会青年科学家委员会秘书，NMME、MINE、IJEM、PhotoniX、《激光与红外工程》等期刊青年编委。2022-2025年连续入选斯坦福大学/Elsevier联合发布的“全球Top2%科学家”榜单，曾获得中国国际发明展览会金奖、日内瓦国际发明展银奖、“Highly Cited Research Award”及多个会议的Best Paper Award。

期刊简介

Journal Introduction

《激光与光电子学进展》创刊于1964年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所主办、中国激光杂志社出版，是国内激光领域的第一本期刊。2019年出版我国光学界第一本半月刊，继而又出版“先进成像”专题子刊。《激光与光电子学进展》目前被EI、ESCI、Scopus、INSPEC、CSCD、中文核心期刊、中国科技核心期刊等收录，位列中国科学院期刊分区3区和《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》T2级。获得“中国精品科技期刊”“华东地区优秀期刊”“中国最具国际影响力学术期刊”“中国科学院出版基金中文科技期刊择优支持项目”等荣誉。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划”支持期刊。