超精密激光测量技术是尖端微电子制造装备不可或缺的核心基础技术,对先进制造和高端装备具有重要的支撑作用。与激光干涉测量技术相比,光栅干涉测量技术具有稳定性高、便于多自由度测量的优势,但仍存在周期非线性误差过大、角度容差过小等问题亟待解决,以满足国产先进光刻机等高端装备发展对超精密测量提出的迫切需求。本文“低周期非线性误差外差光栅干涉测量技术研究”,针对现有外差光栅干涉测量系统中存在纳米级周期非线性误差、角度容差小和缺少多自由度解耦方法等问题开展了系列研究:（1）针对共光路外差光栅干涉测量系统中存在纳米级周期非线性误差的问题,提出了一种基于非共光路的低周期非线性误差外差光栅干涉测量方法。首先通过对共光路外差光栅干涉测量系统中的各个环节进行分析,建立了周期非线性误差模型,经过理论分析与仿真研究,证明了周期非线性误差产生的主要原因是测量系统中实际光学器件的非理想特性所带来的光学频率混叠,其可产生多达十几纳米的位移误差。之后设计了非共光路的外差光栅干涉光路,使双频激光在干涉前始终保持独立传播,从原理上直接避免了光学频率混叠现象的产生,有效抑制了周期非线性误差。经实验验证,基于该方法所建立的非共光路外差光栅干涉测量系统,可将周期非线性误差从传统共光路的0.72 nm减小到0.17 nm,有效地降低了系统的周期非线性误差。（2）针对现有外差光栅干涉测量系统中存在的角度容差小,无法满足多自由度测量需求的问题,提出了一种二自由度高角度容差的非共光路外差光栅干涉测量方法。该方法针对被测目标的伴生角位移引起光束平行性失配,导致测量失效的问题,在非共光路外差光栅干涉测量方法的基础上,设计了具有平行折返特性的二次衍射干涉光路,消除了伴生角位移对光束的偏转效应,有效提高了测量系统的角度容差;并利用平面光栅的衍射特性,扩展了其测量自由度。经过实验验证,本文所提出的高角度容差的非共光路外差光栅干涉测量系统,可将翻滚、偏航和俯仰容差角分别提升到±5.5 mrad、±2.2 mrad和±1.4 mrad,同时具有±0.6 mm的垂直方向偏移容差。并且能够实现面内二自由度的无耦合同步测量。（3）针对三自由度光栅干涉测量方法中光栅传感器安装误差严重制约角位移解算精度的问题,提出了一种基于冗余测量的三自由度测量系统传感器安装误差自补偿方法。该方法使用两个二自由度光栅传感器,通过引入冗余的测量轴数,将传感器间距由设计值转化为待求解值,从原理上降低了传感器安装误差对角位移测量的影响。仿真实验表明,相较于未补偿之前的误差,本文所提出的冗余测量校正方法可将角位移解算误差减小两个数量级。综上所述,本文成功地从原理上抑制了传统共光路外差光栅干涉测量中的周期非线性误差,提高了系统的角度容差范围,减小了多自由度测量中由于机器常数不准引起的角位移测量解耦误差,为下一代超高精度多自由度光栅干涉测量提供了方法基础和关键技术,在国产先进光刻机等高端装备制造中具有重要的潜在应用价值。