中國科學技術大學光電子科學與技術安徽省重點實驗室微納光學與技術課題組王沛教授和魯擁華副教授在精密位移的光學感測研究方面取得新進展，設計了一種光學超表面（metasurface），將二維平面的位移信息映射為雙通道偏光干涉的光強變化，實現了平面內任意移動軌跡的大量程（百微米量級）、高精度（亞納米）的非接觸感測。研究成果以“High-precision two-dimensional displacement metrology based on matrix metasurface”為題，于2024年1月10日在線發表在《Science Advances》上。 納米級長度和位移測量是光學精密測量領域的重要基礎研究課題，在半導體疊對誤差測量（overlay metrology）、精密對準與跟蹤等方面具有關鍵作用。傳統的光學干涉儀雖然可以實現納米及亞納米的測量精度，但系統復雜、易受環境干擾。

近年來該課題組基于微納結構光場調控技術發展出了一些位移感測技術，實現了亞納米的測量精度(Phys. Rev. Lett., 124, 243901 ( 2020)；Sci. Adv. 8, eadd1973 (2022))。但是這些一維位移測量技術在跟蹤面內移動的應用中需要克服裝配誤差，限制了測量的穩定性和可靠性。

圖1.（a）基于超表面二維位移感測的原理圖；（b）位移感測系統實驗裝置示意圖；（c）輸出功率隨超表面二維位移的變化。

為此，課題組進一步提出了一種基于超表面光場調控的二維位移精密測量的光學新技術。設計了一種超表面，不僅可以實現二維的光學衍射，且能夠同時定制每個衍射級次光場的偏振態，利用不同衍射級次組合的雙通道偏光干涉，同時記錄二維平面內的任意位移。通過相位解算算法從雙通道偏光干涉光強中獲得高精度、大量程的二維位移信息。實驗證明該位移測量技術的精度可以達到0.3納米，測量量程達到200微米以上。

圖2.（a）二維位移測量系統的測量精度；（b）長間隔距離的四個字母形狀路徑的測量結果；（c）亞微米尺寸復雜圖案邊緣路徑的測量結果。

該技術能夠同時測得二維位移信息，可有效被用于跟蹤二維平面內的任意復雜運動。課題組相關研究工作拓展了光學超表面的應用領域，提升了精密位移光學傳感技術的可靠性和集成度，展示了超表面光場調控能力對傳統光學技術的賦能作用。 中國科學技術大學光電子科學與技術安徽省重點實驗室的臧昊峰博士是該論文的第一作者，魯擁華副教授和王沛教授是論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委和安徽省的經費支持。