近年来，在微电子制造、超精密测量领域以及航空航天装备的加工制造等高端领域中，要求相关的测量和定位精度达到纳米级别。在能够达到纳米级别的测量技术中，激光干涉测量技术相对于其他技术具有高精度、非接触、量程大等优点，在超精密测量领域中成为了主要的测量技术手段。现阶段激光干涉测量的关键单元技术创新和系统集成不断向着大量程、超精密方向迈进。激光器作为整个激光干涉测量的核心，光源的频率准确度决定了激光干涉测量系统的极限测量精度，其中激光器的频率稳定特性包括频率稳定度以及频率复现性两个方面，国内外对于提高激光器的频率稳定度的技术和方法已经相对成熟，工业用商品级激光器的频率稳定度能够达到10-8以上，但是对于频率复现性却少有提升的手段，对于一台激光器来说，频率复现性也是制约激光器整体表现的重要指标。在整个激光干涉测量系统中，同一台激光器在分时开启时，其最终频率工作点也会发生变化，系统的参考频率也会随之变化，这会改变干涉测量系统的参考波长，使系统测量精度下降。因此提高频率复现性来提高激光器的频率稳定特性是激光应用技术领域迫切需要解决的问题。本项目提出基于激光管环绕式测温与精准温度控制点的激光稳频方法与装置，目的是针对现有激光器频率复现性不足的情况，基于热稳频方法的激光器提供一种新型的加热测温方法，为新一代超精密加工测量的工业现场提供一种高频率稳定度高频率复现性的激光光源。针对上述两个问题，一些研究学者进行了相应的研究。为了减小温度测量方式对激光器频率复现性带来的影响，安捷伦厂商的HP5517将加热丝嵌入到激光管中，一方面利用加热丝加热激光管控制腔长，另一方面根据加热丝自身的电阻温度系数，当激光管的温度发生变化时，加热丝的电阻变化导致其两端的电压发生变化，测温电路通过该电压变化来表征激光管内部的温度。由于加热丝是嵌入到激光管的内部，这种方式不仅加热效率高，而且测温方式简单。但是受到国内加工工艺的限制，该种内嵌加热丝的激光管很难批量化生产。除了热传递和测温方式带来的激光器频率复现性问题，稳频控制的算法也影响着激光器的稳频效果，常用的激光器主要采用的是光功率平衡法，该方法以两个纵模的光功率差是否等于零为频率稳定的判别条件，一般情况下，控制两纵模光功率差为零时，认为激光器进入稳频状态，但是实际稳频过程中，由于光路不对称，噪声干扰以及激光管老化等原因，会发生两纵模的光功率同时增大或同时减小的情况，此时光功率差仍为零，但激光器的总功率及腔长已发生了变化，频率发生了漂移，因此光功率平衡法作为间接反馈量无法完全避免此情况的发生，限制了频率稳定度及频率复现性的进一步提高。综上所述，激光器频率复现性低存在上述两方面的原因。首先稳频时的温度点不同，导致最终的稳频工作点发生漂移，国外激光器中的激光管可以内嵌加热丝，但是由于工艺以及材料的成本问题，该种方式很难实现。另一个方面，稳频算法也会影响激光器的频率复现性，现有的光功率平衡法以双纵模光功率差为参考，不能直接反映频率变化，仍存在频率工作点漂移的问题。因此目前的激光稳频技术很难在高频率稳定度情况下提高激光器的频率复现性。本项目利用高导热的导热壳体装在激光管外部，消除了由于激光管材料不均匀性导致的激光管轴向和纵向的温度梯度问题，加热薄膜外部装载热隔离层以及散热层，可以减小外界环境的温度变化对激光器的影响。除此之外，加热薄膜作为激光管的温度传感元件，具有温感面积大的优点，可以整体测量激光管的实际温度，有效避免了由于外界环境温度变化或者激光管初始温度漂移导致的最终稳频温度节点不同的问题，该方法可以使激光器的频率复现性从10-8提升至10-9，这是区别于现有的技术创新点。本项目设计一种环绕式的加热薄膜，其中，加热薄膜与温度测量电路以及驱动电路可以同时实现加热和温度测量两部分的功能，执行温度测量功能时，由于加热薄膜更靠近激光管，与传统激光器利用外部温度传感器相比，避免了由于热传递产生的热迟滞效应，为激光器的稳频算法提供实时准确的温度数据，这是区别于现有的技术创新点。技术成熟度达到十级，已经应用到目前的稳频激光器中，所形成的产品已经销售到长春光机所，上海微电子装备(集团)股份有限公司，华为技术有限公司等。在微电子装备领域，激光波长的准确性决定了光刻机中激光干涉仪的极限测量精度，同时激光稳频技术非常复杂，其已成为制约高精度激光干涉仪研发进程的一个主要瓶颈问题。项目组基于此技术研制的超精密激光干涉测量仪，已成功应用于国产先进光刻机研发企业和国内光刻机维修翻新企业。应用表明，仪器关键技术指标满足国产先进光刻机研发和维修翻新需求，打破了国外相关产品对我国的禁运封锁，在我国国产先进光刻机研制、国内光刻机维修翻新中发挥了重大作用，为我国先进光刻机等微电子装备发展提供了坚实的基础支撑和技术推动力。在重大前沿技术领域，已集成应用到中国计量科学研究院国家首套量子化质量基准装置中，解决了质量基准装置的亚纳米级线圈位移测量的难题，在量子化质量基准中国方案的实施中起到了关键作用，推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一。

哈尔滨工业大学

该项目为储备库项目资源，暂无效益分析内容。