超高分辨率光学表面检测发展

　　人类对微观世界的探索永无止境, 超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术是获取物质微观信息的重要手段. 同时, 高精度光学检测技术也是高精度光学加工、高精密3D 打印的基础, 而高精度光学加工是高端光刻机制造、引力波探测等领域的核心.

　　现代生物、医学和材料科学的发展对微观结构的研究提出了越来越高的分辨率需求, 希望从分子水平揭示生命过程和材料性能的物理本质. 另一方面, 获取三维空间结构信息和光谱信息对于研究物质结构与功能关系越来越重要. 光学检测方法以其多样性、非侵入、非破坏、可实时在体检测等优点而成为主流手段. 但受光学衍射极限的限制, 普通光学显微技术的横向分辨率一般只能达到 200 nm, 纵向分辨率约500 nm (也就是所谓的Abbe 衍射极限). 为适应更广泛的生物、医学、纳米器件、功能材料的超高分辨、高灵敏光学快速检测需求, 尤其是纳米级分辨率的三维成像以及动态演变分析研究, 需要研究和开发超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术. 长期以来, 超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术在诸多研究领域和交叉学科的发展历程中发挥着重要作用, 如在生命科学方面, 尤其是随着生物医学研究和应用开始从传统的器官和组织水平向细胞和分子水平过渡, 越来越需要在微纳米尺度的细胞和分子层面探索生命最小基本单元的功能、生命现象和疾病发生发展的分子机理. 适应生命科学这一发展趋势, 为细胞和分子水平获取信息继续提供技术支持, 已经成为超高分辨光学检测技术发展的重要方向.

　　其次, IT 产业是我国的战略性产业, 其硬件基础是芯片制造业, 而芯片制造的核心是光刻. 目前国际主流光刻设备仍然是基于193 nm 准分子激光光源的光刻机, 其能达到的最小node 尺寸已达到 20 nm 以下, 核心是光刻机中高数值孔径(NA1.35)、低光学畸变(波像差低于1 nm) 成像光学系统的精密加工, 而如此高精度光学系统的加工则取决于高精度的光学检测技术, 目前国际上干涉检测技术已达到优于0.1 nm RMS (root-mean-square) 的水平, 但实现严格技术保密和封锁, 检测精度优于 0.5 nm RMS 的面形检测技术鲜有文献报道, 而精度优于5 nm RMS 量级的面形检测设备对我国禁运. 为了发展我国具有完全自主知识产权的高端芯片制造业, 尽快赶上发达国家芯片制造水平, 需要发展亚纳米级精度的光学检测技术. 同时, 高精度光学检测技术也是引力波探测、同步辐射等大科学工程的基础, 在航空航天、天文、国防等关系国家安全的重要领域也有广阔的应用前景. 另外, 3D 打印作为一种新兴的加工制造技术已经成为国家装备制造科学与技术领域的战略方向, 在汽车、航空航天、军事、医疗等众多领域, 尤其是精密零件、复杂形状零件及自由形状零件的制造潜力巨大. 三维空间信息精确获取与精密检测方法和技术可以高精度测量物体表面及内部特征参数, 是 3D 打印技术加工精密复杂零件的核心.

　　光谱信息反映了物质分子或原子能级结构, 是物质的"指纹", 可以提供关于物质组成、含量、结构、功能的宏观或者微观信息, 在物理、化学、生物、医学和材料学等领域有广泛的应用. 为了适应这些领域的高灵敏快速检测以及天体物理的高精度测量需求, 尤其是分子水平的生命过程演化和动态演变、极低含量的生化物质检测、极高精度的天体光谱测量等, 促进基础前沿研究和交叉学科的发展, 需要研究和发展高灵敏度精细光谱实时检测方法与技术.