开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究，以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度，提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理，设计了测量系统，提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48 mm×48 mm×18 mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差，计算结果表明：对于1.52 mm死程的光栅干涉仪，宽松的环境波动指标 （温度波动为0.01 ℃、压力梯度为±7.5 Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6）仅引起±0.05 nm的死程误差。最后，设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统，开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明：光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41 nm。测量稳定性实验表明：常规实验室环境下，环境波动引起的死程误差为7.59 nm (3σ) @＜0.9 Hz&1~10 Hz，优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11 nm (3σ) @＜0.9 Hz&1~10 Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移，进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小，而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同，除受扩视场棱镜和光栅影响之外，用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移，分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上，提出了一种绝对相位漂移校正方法，通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离，校正温度引起的绝对相位漂移，从而准确反演风速。结果表明，仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5 m/s，与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。

由于压电陶瓷驱动器作纳米定位控制系统驱动元件会导致定位过程中出现超调及振荡现象,故提出了一种新的基于外差干涉仪和自制高频相移电路的光电相移压电陶瓷驱动方法。实验论证了在严格控制的实验环境下,压电陶瓷能实现自主位置锁定并以纳米量级步距值被逐步推进。步距值可控的压电陶瓷驱动器与商用宏动平台结合,可实现纳米精度重复性的大行程定位系统。实验结果表明,对于5 mm往返行程的位移,在靠近目标处执行理论值为5 nm步距值的步进位移时,系统的定位重复性精度小于1 nm。该定位方法规避了压电陶瓷的机械非线性误差,具有系统架构简单,定位速度快等优点,可应用于当前纳米科技和超精密加工等领域。

针对传统差分平面镜干涉仪结构复杂、需要光学部件多从而导致系统调试困难、测量信噪比低等缺点，提出了一种结构简单需要光学部件少的新型差分平面镜干涉仪系统。此干涉仪能够产生对称的空间四光路，对环境因素（湿度、温度及大气压）的变化有很好的抗干扰能力，测量分辨率高。如果附加其他光学元件，可轻易实现对偏摆角、微滚转角、直线度等几何量的测量。静态状态下，其位移漂移小于1 nm，而同等条件下传统迈克耳孙干涉仪漂移大于10 nm。基于此系统的精密角度测量干涉仪，使用电子细分为2π/516的相位计，可以得到0.024 μrad的测量分辨率。

除了激光源、偏振分光镜（PBS）和波片等偏振器件之外，非偏振分光镜（NPBS）也是外差干涉仪中重要的非线性误差源。研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对非线性误差的影响。采用p、s分量透射比、反射比、反射相移和透射相移共同表征NPBS的退偏效应，并逐项分析了其非线性误差模型。如果入射光束为理想线偏振光，则只有NPBS的反射相移和透射相移影响测量精度。如果入射光束存在偏振椭圆化和非正交，则NPBS的方位角、透射比和反射比、相移等参数的变化都会引入非线性误差，误差曲线的斜率受椭圆率和非正交角的影响。因此选用不同的激光源，同一个NPBS产生的非线性误差大小不同，一般可达几个纳米量级。为了实现纳米/亚纳米级精度的外差干涉测量，选择性能稳定的NPBS，特别是NPBS退偏效应与激光源输出偏振态之间的匹配非常重要。

外差激光干涉仪能够通过光波细分达到亚纳米分辨率，因而在科学研究和精密机械制造中得到了广泛应用。然而，由于光学系统中不可避免的缺陷，导致被测信号中出现一个附加的相位误差，使测到的相位移和被测长度不呈线性关系，成为现有激光干涉仪难以逾越的精度极限。为此，通过光学相位补偿理论的研究得出一种消除激光干涉仪非线性误差的方法，它可以应用在大部分科学实验和工业制造中的纳米长度测量中，而且不论是一阶或二阶误差都可以通过这个方法被消除。

外差信号处理系统是外差干涉测量系统精度测量的重要组成部分。为了实现外差干涉的相位移测量，采用一种整数计数和小数计数相结合的外差信号相位测量方法，利用VERILOG语言编写整数计数以及小数计数模块程序，并进行了仿真验证，理论分析测量分辨率为(11π/375)rad。结果表明，该方案硬件实现电路简单、可移植性强，只需一个基于现场可编程门阵列的最小系统即可实现。

制造业的发展迫切需要对高速加工过程中的物体进行测量和定位,利用声光调制法实现外差干涉能产生较高的频差可以实现高速测量。文中对声光式外差干涉仪的光路设计进行了分析,提出了空间分离一级衍射光和零级衍射光的一种方案,并且对光拍频的接收,光路的调整进行了分析,实验结果证明该实验系统可以用于外差干涉测量。

透射式激光外差干涉系统能精确测量待测物的内部折射率分布和厚度信息。设计了应用于干涉系统中的混合光学扫描结构，它由微机电系统(MEMS)振镜和f-θ透镜系统组成。f-θ透镜组由3片不同材料的透镜构成，透镜系统对2 μm激光波长有约40%的透射率，可扫描300 mm2的范围。 利用Zemax软件从衍射光斑、畸变系数、光束发散角3个方面对f-θ透镜模型进行了优化设计。优化结果表明，f-θ透镜出射扫描光束垂直于待测物体表面，系统焦距为434 mm，畸变像差小于0.5%。最后给出了f-θ透镜的设计实物图，并通过He-Ne激光给出了扫描结果示意图，达到了预期的设计指标。

为了测得外差干涉仪的相位移, 采用插频法对外差干涉仪的参考信号与测量信号进行了处理, 从而测得两个信号的相位差即多普勒频移。插频法基于过零检测原理, 即在测量信号与参考信号上升沿来临时, 分别对两信号插入脉冲, 通过对插入的脉冲计数, 实现相位差的测量。外差干涉仪光源是拍频为2-2MHz的He-Ne激光, 使用迈克尔逊干涉仪测量系统, 插入脉冲频率为100MHz, 计数及乘除等相关运算用现场可编程门阵列实现, 理论分析测量分辨率可以达到111000λ, 约为6-9608nm。结果表明, 该方法具有很强的实际应用价值。