突破光学组件集成瓶颈的纳米表面形貌在线测量新方法研究

为了提高纳米加工效率和降低制造成本，迫切需要实现纳米表面形貌的在线测量。光学干涉测量方法是实现在线测量最具潜力的方法之一，但是光学组件的尺寸大、成本高，光传播受衍射极限的限制导致光学系统的集成度低，而且光学干涉测量容易受加工过程和环境中各种干扰的影响。针对以上问题，本项目提出研制全新的光学干涉测量系统并用于实现纳米表面形貌的在线测量。测量系统由集成光子芯片和测量探头两个主要部分组成，光子芯片由可调谐等离子体纳米线激光器、波导相移器、纳米线光探测器和等离子体光耦合器集成产生，而测量探头由准直透镜、光栅、物镜和参考镜组合而成。光子芯片的研制有望突破光学组件的集成瓶颈，基于光子芯片的测量系统将具有尺寸小、结构紧凑、集成度高、灵活性好等特点。测量系统的研制和相关理论和方法的研究，不仅为精密超精密加工以及微纳制造中实现在线测量找到突破口，而且为提高纳米加工效率和降低制造成本提供新思路。

随着纳米技术的不断发展，提高纳米加工质量和效率，同时降低制造成本越来越重要，为此实现纳米结构和器件的表面形貌在线测量显得非常必要和迫切。光学干涉方法是实现表面形貌在线测量最具潜力的方法之一，但是光学组件的尺寸大、成本高以及测量分辨率受衍射极限的限制等导致光学系统的集成度低，而且光学干涉测量容易受加工过程和环境中各种干扰因素的影响。针对以上问题，本项目提出研制全新的光学干涉测量系统并用于实现表面形貌在线测量。主要研究内容包括研制集成光子芯片，建立光学干涉测量系统，最终实现纳米表面形貌在线测量。光子芯片的研制包括纳米线激光器、波导相移器（光隔离器）、纳米线光探测器和表面等离子体光耦合器的制备和集成，研究过程中首先设计以上纳米器件的结构、几何尺寸和加工工艺，在此基础上研制纳米器件并对其性能进行测试分析和改进，进一步研究不同纳米器件的集成方法，从而研制出集成光子芯片；基于所研制的光子芯片，搭建光学测量探头，并通过光纤连接光子芯片和光学测量探头建立光学干涉测量系统；采用所建立的光学干涉测量系统实现纳米表面形貌在线测量，并开展光学干涉测量原理和纳米表面形貌信息的提取算法等研究。目前已经研制完成了纳米线激光器、光隔离器、纳米线光探测器和表面等离子体光耦合器，研究了纳米线器件的集成思路和方法；由于制备的纳米器件是原理器件，所以建立了采用相应光纤器件代替纳米器件的光纤干涉测量系统，基于所搭建的光学干涉测量系统实现了纳米表面形貌的在线测量，并开展了纳米表面形貌测量和表征方法等相关研究。本项目所开展的研究，不仅为精密超精密加工以及微纳制造中实现在线测量找到了突破口，而且为提高纳米加工效率和降低制造成本提供了新思路。项目进行过程中，已经发表相关并标注项目资助的论文29篇，其中SCI论文20篇，EI论文28篇；申请与项目研究内容相关的国家发明专利12项，其中已经授权6项；参与本项目研究的研究生中已经毕业博士研究生4名，硕士研究生5名。