论文基本信息
标题：
Meta-device for sensing subwavelength lateral displacement
作者：
Shufan Chen（香港城市大学电气工程系；光学量子材料国家重点实验室）；
通讯作者： Yubin Fan（香港城市大学电气工程系；光学量子材料国家重点实验室）；
Hao Li（哈尔滨工业大学（深圳）微纳光电信息系统工业和信息化部重点实验室）；
Xiaodong Qiu（香港城市大学电气工程系；光学量子材料国家重点实验室）；
Ben Wang（南京大学固体微结构物理国家重点实验室）；
通讯作者： Lijian Zhang（南京大学固体微结构物理国家重点实验室）；
通讯作者： 肖淑敏（哈尔滨工业大学（深圳）微纳光电信息系统工业和信息化部重点实验室）；详细介绍可见[超表面领域大牛-11] 哈尔滨工业大学-肖淑敏-国家杰青；
通讯作者： 蔡定平（香港城市大学电气工程系；光学量子材料国家重点实验室）； 详细介绍可见：[超表面领域大牛-1]香港城市大学-蔡定平-3院士+9Fellow；
发表时间：
2026年1月12日（其中2025年04月07日投稿，2025年09月03日返修，2025年09月19日接收）
发表期刊：
Light: Science & Applications（JCR-Q1，IF=23.4）
论文重要图文
摘要：
横向位移的高精度测量是光刻工艺中掩模—晶圆精准定位的关键环节，尽管相关计量已实现纳米级精度，但在实际在线测量中仍面临“需要检测大量光子才能稳住精度”的限制：检测量上不去就难以进一步压缩采集时间，而相干态与光栅类方案在速度与精度的兼顾上也容易受到波动与噪声影响。针对这一研究空缺，【香港城市大学×哈尔滨工业大学（深圳）×南京大学等团队】联合提出了基于双光子态干涉的横向位移测量方案：他们设计并制备了一种偏振梯度超表面，利用几何相位（Pancharatnam–Berry相位）将右旋/左旋圆偏振分束，并把超表面的横向位移转化为双光子干涉信号的相位变化；与单光子/相干态测量相比，双光子计数的信号振荡频率表现为“翻倍”，从而在相同位移变化下给出更陡的可读出响应曲线。器件实现上，超表面基于约960 nm厚的TiO2薄膜制备，并给出了与当代光刻工艺兼容的样品参数示例（例如实现2π相位变化对应的空间尺度为5 µm、7.5 µm与10 µm等），配合符合双光子测量的光路与符合计数，可将位移信息映射到水平偏振投影下的单通道计数与符合计数曲线。理解上可以把它类比为把“用普通尺子读刻度”升级成“用两把互锁的齿轮读刻度”：同样的位移拨动下，读数曲线变化更快，因此在更少的有效计数下仍能分辨细小位移。实验展示中，平台能在20 nm步进的位移点上清晰区分不同位置；在直线运动测量里，符合计数曲线给出的可见度可达84%；并且在将检测光子数显著降低的情况下，仍能保持与经典方案相当的标准差水平，文中给出相对于经典方法所需光子数可降至约3%量级的对比结果；此外，系统还展示了20–5000 nm/s范围内的速度测量能力。该成果以 Meta-device for sensing subwavelength lateral displacement 为题，于2026年1月12日发表于《Light: Science & Applications》。
重要图片：
图1. 用于感知横向位移的超表面。
a 偏振梯度超表面精密工艺过程控制示意图。主图：紫色光表示用于曝光的紫外光，红色光表示双光子的测量光。插图：具有正交偏振的两光子通过超表面后被转换为纠缠光子，从而两光子以相同角度出射。b 俯视与c 倾斜视角的SEM图像。比例尺：1 μm。
图2. 相位梯度（PB相位）超表面的工作原理。
a 单光子干涉与b 双光子干涉的示意图。
图3. 通过将超表面与双光子态结合实现测量改进。
a 单光子态与双光子态之间测量优势的对比：为达到相同的标准差，双光子态所需的检测光子数少于单光子态。b 通过双光子干涉实现偏振梯度超表面横向位移测量的实验装置。
图4. 偏振梯度超表面横向位移测量的静态结果。
a 直线测量与b 增量测量的单光子计数结果（符合测量中的一个通道）。c 直线测量与d 增量测量的符合计数结果。
图5. 测量动态范围的标定。
a 压电平移台的移动速度随时间变化，b 对应的测量结果。
参考文献
Chen, S., Fan, Y., Li, H. et al. Meta-device for sensing subwavelength lateral displacement. Light Sci Appl 15, 68 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02067-7
