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皮米激光干涉儀

設(shè)備選件

光纖式激光探頭

IDS系列激光干涉儀可提供不同型號探頭（探頭尺寸，光斑大小不同）。

探頭直徑范圍：1.2mm – 22mm。典型準(zhǔn)直激光光斑：1.6mm， 典型聚焦激光光斑：70 mm。

*低工作溫度：10mK， 1E-10mBar超高真空適用， 10MGy強(qiáng)輻射環(huán)境適用。

激光探頭技術(shù)參數(shù)表

應(yīng)用案例

■ IDS3010在航天飛行器形變檢測上的應(yīng)用

德國衛(wèi)星制造商OHB公司（德國OHB-System 是一家專門從事小衛(wèi)星系統(tǒng)、分系統(tǒng)研制工作的企業(yè)，在小型商業(yè)衛(wèi)星、小型研究衛(wèi)星及相關(guān)分系統(tǒng)的研制、制造和操作方面具有豐富的經(jīng)驗）采用attocube的激光位移傳感器IDS3010，對第三代氣象衛(wèi)星（MTG）柔性組合成像儀進(jìn)行了高真空光-熱-力學(xué)模型試驗。該試驗包括在儀器的不同區(qū)域，并監(jiān)控其后續(xù)光學(xué)元件相對位移測量哈特曼傳感器。在真空環(huán)境中通過IDS3010激光干涉儀以小于1角秒的精度對平面基準(zhǔn)相對位置的穩(wěn)定性進(jìn)行了一個多星期的持續(xù)測試。

為了校準(zhǔn)IDS3010不同探頭之間的距離，需要進(jìn)行初步測試（每個傳感器探頭與用于角度計算的距離，名義上為100 mm）。為此，平面參考鏡的電動框架被用來產(chǎn)生任意角度的運動。這些角度是由IDS3010激光干涉儀和校準(zhǔn)的自準(zhǔn)直儀測量得到。IDS3010激光干涉儀在±720角秒范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性（<0.1%），并且非常容易校準(zhǔn)。再與MTG柔性組合成像儀對齊之后，即在Shack-Hartmann傳感器和IDS3010傳感器之間執(zhí)行另一個交叉校準(zhǔn)，以補(bǔ)償IDS3010傳感器相對于Shack-Hartmann傳感器的時鐘。

第三代氣象衛(wèi)星的柔性組合成像儀（MTG-FCI）的實驗裝置。紫色表示激光干涉儀組件：傳感器探頭支架和角角錐棱鏡支架。以上信息由OHB System AG提供

結(jié)果

此次測量的目的是在一周多的時間內(nèi)連續(xù)監(jiān)測參考鏡相對于衛(wèi)星的穩(wěn)定性，精度小于1角秒。使用如上所述attocube公司的激光干涉儀得到的測試得到角度精度甚至比一個角秒還要好。理論計算表明，其測試分辨率可以到達(dá)0.021角秒（等于5.8u°），但實際讀數(shù)受試驗裝置振動的限制。

■ IDS3010激光干涉儀在自動駕駛高分辨調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)上的應(yīng)用

自動駕駛是目前汽車工業(yè)*為前沿和火熱的研究，而自動駕駛尤為重要的是需要可靠和高分辨率的距離測量雷達(dá)。德國弗勞恩霍夫高頻物理和雷達(dá)技術(shù)研究所（Wachtberg，D）Nils Pohl教授和波鴻魯爾大學(xué)（Bochum，D）的研究小組提出了一種全集成硅鍺基調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)傳感器（FMCW），工作頻率為224 GHz，調(diào)諧頻率為52 GHz。通過使用德國attocube公司的皮米精度激光干涉儀FPS1010（**版本為IDS3010）證明了測量系統(tǒng)在-3.9μm至+2.8μm之間達(dá)到了-0.5-0.4μm的超高精度。這種全新的高精度雷達(dá)傳感器將會應(yīng)用于許多全新的汽車自動駕駛領(lǐng)域。

圖一 緊湊型FMCW傳感器的照片

圖二 雷達(dá)測距示意圖，左邊為雷達(dá)，右邊為移目標(biāo)，attocube激光干涉儀用來標(biāo)定測量結(jié)果

參考文獻(xiàn)S. Thomas， et al; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67， 11， (2019).

■ IDS3010激光干涉儀在半導(dǎo)體晶圓加工無軸承轉(zhuǎn)臺形變的測量上的應(yīng)用

半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)中的晶圓級輕量化移動結(jié)構(gòu)的變形阻礙了高通量的半導(dǎo)體制造過程。為了補(bǔ)償這些變形，需要精確的測量由光壓產(chǎn)生的形變。來自世界頂尖理工大學(xué)荷蘭Eindhoven University of Technology 的科學(xué)家設(shè)計了一個基于德國attocube干涉儀IDS3010的測量結(jié)構(gòu)，以此來詳細(xì)地研究因為光壓而導(dǎo)致的形變特性。圖一所示為測量裝置示意圖，測量裝置由5 x 5 共計25個M12/F40激光探頭組成的網(wǎng)格，以此來實現(xiàn)監(jiān)測納米級的無軸承平面電機(jī)內(nèi)部的移動器變形。實驗的目的是通過對無軸承的平面的力分布進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，從而有效控制轉(zhuǎn)臺的變形。實驗測得**形變量為544nm，*小形變量為110nm（如圖二所示）。

圖一 左側(cè)5X5排列探頭測量裝置示意圖，右圖為實物圖

圖二 無軸承磁懸浮機(jī)臺形變量的測量結(jié)果，**形變量為544nm

參考文獻(xiàn)Measuring the Deformation of a Magnetically Levitated Plate displacement sensor.

■ IDS3010在X射線成像中提高分辨率的應(yīng)用

在硬X射線成像中，每個探針平均掃描時間的減少對于因為束流造成的損傷是至關(guān)重要的。此外，系統(tǒng)的振動或漂移會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實時分辨率。而在結(jié)晶學(xué)等光學(xué)實驗中，掃描時間主要取決于裝置的穩(wěn)定性。Attocube公司的皮米精度干涉儀FPS3010（升級之后的型號為IDS3010），被用于優(yōu)化由多層波帶片（MZP）和基于MZP的壓電樣品掃描儀組成的實驗裝置的穩(wěn)定性的測量。實驗是在德國DESY Photon Science中心佩特拉III期同步加速器的P10光束線站上進(jìn)行的。Attocube公司的激光干涉儀PFS3010用來檢測樣品校準(zhǔn)電機(jī)引起的振動和沖擊產(chǎn)生的串?dāng)_?；谶@些測量，裝置的成像分辨率被提高到了±10nm。

圖一 實驗得到的系統(tǒng)分辨率結(jié)果

參考文獻(xiàn)Markus Osterhoff， et at.; Proceedings Volume 10389， X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III; 103890T (2017)

■ IDS3010激光干涉儀在微小振動分析中的應(yīng)用

電荷極化理論能夠描述中性玻色子系統(tǒng)的布洛赫能帶，它預(yù)言二維量子化的四極絕緣體具有帶隙、拓?fù)涞囊痪S邊緣模式。全球**研究機(jī)構(gòu)蘇黎世邦理工大學(xué)的Sebastian Huber教授課題組巧妙的利用一種機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)來模擬二維的拓?fù)浣^緣體，**在實驗上觀測到了聲子四極拓?fù)浣^緣體。這一具有重要意義的結(jié)果**時間被刊登在nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人員通過測試了一種機(jī)械超材料的體，邊緣和拐角的物理屬性，發(fā)現(xiàn)了理論預(yù)言的帶隙邊緣和隙內(nèi)拐角態(tài)。這為實驗實現(xiàn)高維度的拓?fù)涑牧系於酥匾?。德國attocube公司的激光干涉儀IDS3010被用于超聲-空氣轉(zhuǎn)換器激勵后的機(jī)械超材料振動分析。IDS3010能到探測到機(jī)械超材料不同位置的微小振動，以識別共振頻率。*終實現(xiàn)了11.2pm的系統(tǒng)誤差，為聲子四極拓?fù)浣^緣體的實驗分析提供了有力的支持。

圖一 實驗中對對機(jī)械超材料微小振動的頻率分析

參考文獻(xiàn)Marc Serra-Garcia， et al.; Nature volume 555， pages 342–345 (2018)

■ IDS3010激光干涉儀在快速機(jī)床校準(zhǔn)的應(yīng)用

德國亞琛工業(yè)大學(xué)（Rwth Aachen University，長久以來被譽(yù)為“歐洲的麻省理工”）機(jī)床與生產(chǎn)工程實驗室（WZL）生產(chǎn)計量與質(zhì)量管理主任的研究人員利用IDS3010讓機(jī)床自動校準(zhǔn)成為可能，這將極大的提高機(jī)床的加工精度和加工效率。研究人員通過將IDS3010皮米精度激光干涉儀和其他傳感器集成到機(jī)床中，實現(xiàn)對機(jī)床的自動在線測量。這使得耗時、需要中斷生產(chǎn)過程、安裝和卸載校準(zhǔn)設(shè)備的手動校準(zhǔn)變得多余。研究人員建立了一個單軸裝置的原型，利用IDS3010進(jìn)行位置跟蹤，其他傳感器如CMOS相機(jī)被用來檢測俯仰和偏擺。校準(zhǔn)結(jié)果與常規(guī)校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行了比較：六個運動誤差（位置、俯仰、偏擺、Y-直線度、Z-直線度）對這兩個系統(tǒng)顯示出良好的一致性，值得指出的是：使用IDS3010的總時間和成本顯著降低。該裝置演示了自動校準(zhǔn)機(jī)床的**個原型，而且自動程序減少了機(jī)器停機(jī)時間，從而通過保持相同的精度水平提高了生產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)

Benjamin Montavon et al; J. Manuf. Mater. Process. 2(1)， 14 (2018)

■ IDS3010激光干涉儀在工業(yè)C-T斷層掃描設(shè)備中的應(yīng)用

工業(yè)C-T斷層掃描被廣泛用于材料測試和工件尺寸表征。設(shè)計一個精確的錐束C-T系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之一是它的幾何測量系統(tǒng)。*近，瑞士聯(lián)邦計量院（METAS）的科學(xué)家將德國attocube公司的IDS3010皮米精度激光干涉儀用于X射線源、樣品和探測器之間的精密位移跟蹤。實驗共有八個軸用于位移跟蹤。除了測量位移之外，該實驗裝置還能夠?qū)崿F(xiàn)樣品臺的角度誤差分析。*終實現(xiàn)了非線性度小于0.1μm，錐束穩(wěn)定性在一小時內(nèi)優(yōu)于10ppb的高精度工業(yè)C-T。

參考文獻(xiàn)

Benjamin A. Bircher， Felix Meli， Alain Küng， Rudolf Thalmann: "A geometry measurement system for a dimensional cone beam CT"， 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT 2018)， At Wels， AU

■ IDS3010激光干涉儀在增材制造3D打印方面的應(yīng)用

微尺度選擇性激光燒結(jié)（μ-SLS）是制造集成電路封裝構(gòu)件（如微控制器）的一種創(chuàng)新方法。在大多數(shù)尖端的增材制造中需要微米量級的精度控制，然而集成電路封裝的生產(chǎn)尺寸只有幾微米，并且需要比傳統(tǒng)的增材制造方法有更小的公差。德克薩斯大學(xué)和NXP半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種基于u-SLS技術(shù)的新型3D打印機(jī)，用于制造集成電路封裝。該系統(tǒng)包括用于在燒結(jié)站和槽模涂布臺之間傳送工件的空氣軸承線性導(dǎo)軌。由于該導(dǎo)軌對定位精度要求很高，所以采用德國attocube公司的皮米精度干涉儀IDS3010來進(jìn)行位置的精確跟蹤。

參考文獻(xiàn)Nilabh K. Roy， Chee S. Foong， Michael A. Cullinan: "Design of a Micro-scale Selective Laser Sintering System"， 27th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium， At Austin， Texas， USA

■ IDS3010激光干涉儀在掃描熒光X射線顯微鏡中的應(yīng)用

在搭建具有納米分辨率的X射線顯微鏡時，對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求提出了更高的要求。在整個過程中實驗過程中，必須確保各個組件以及組件之間的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。德國attocube的IDS3010激光干涉儀具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和測量亞納米位移的能力，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。IDS3010在40小時內(nèi)具有優(yōu)于1.25nm的穩(wěn)定性，并且在100赫茲帶寬的受控環(huán)境中具有優(yōu)于300pm的分辨率。因此，IDS3010是對所述X射線顯微鏡裝置中使用的所有部件進(jìn)行機(jī)械控制的不二選擇，使得整個X射線顯微鏡實現(xiàn)了40nm的分辨率，而在數(shù)據(jù)收集所需的整個時間內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于45nm。

參考文獻(xiàn)Characterizing a scanning fluorescence X ray microscope made with the displacement sensor

■ 皮米精度激光干涉儀IDS3010在相位調(diào)制器的精密調(diào)制和控制上的應(yīng)用

相位調(diào)制器是相干合成孔徑望遠(yuǎn)鏡中光束合成機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。提高相位調(diào)制器的調(diào)制精度和控制帶寬有助于提高合成孔徑望遠(yuǎn)鏡的成像分辨率。相位調(diào)制器運動信息包括俯仰角、方位角和軸向位移3個自由度。目前3個或者多個自由度的實時測量還處于發(fā)展階段。同時實現(xiàn)多自由度測量更是少之又少。

來自中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所光束控制重點實驗室的方國明課題組采用德國attocube system AG公司的三軸皮米精度激光干涉位移傳感器IDS3010通過獲取待測目標(biāo)平面內(nèi)3個不共線點的位移量，而3個不共線的點可確定平面的法線，基于平面法線的**性可解，從而可以獲得目標(biāo)的3個自由度運動信息，包括方位角、俯仰角和軸向位移。成功實現(xiàn)了三自由度的同時實時測量。

圖示： 三自由度測量原理示意圖

■ 皮米精度位移測量激光干涉儀助力聲子四極拓?fù)浣^緣體觀測

電荷極化理論能夠描述中性玻色子系統(tǒng)的布洛赫能帶，它預(yù)言二維量子化的四極絕緣體具有帶隙、拓?fù)涞囊痪S邊緣模式。蘇黎世邦理工大學(xué)的Sebastian Huber教授課題組巧妙地利用一種機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)來模擬二維的拓?fù)浣^緣體，**在實驗上觀測到了聲子四極拓?fù)浣^緣體。這一具有重要意義的結(jié)果**時間被刊登在nature上。研究人員通過測試一種機(jī)械超材料的體、邊緣和拐角的物理屬性，發(fā)現(xiàn)了理論預(yù)言的帶隙邊緣和隙內(nèi)拐角態(tài)。這為實驗實現(xiàn)高維度的拓?fù)涑牧系於酥匾?/span>

圖示：實驗裝置示意圖

參考文獻(xiàn)

Observation of a phononic quadrupole topological insulator.Nature volume 555， pages342–345(2018)

■ 激光干涉儀檢測納米精度位移臺

誤差在實際生產(chǎn)中的存在可能導(dǎo)致?lián)p失以及客戶對產(chǎn)品信心的丟失。光學(xué)傳感器可以在質(zhì)量檢測中幫助減少誤差產(chǎn)生提高成品率。attocube激光干涉儀是理想的可在各個領(lǐng)域提供高精度探測來減少誤差的一種光學(xué)傳感器。

作為納米精度位移臺供應(yīng)商的德國attocube公司，對位移臺的精密移動的測量與鑒定是一個非常重要的任務(wù)。例如，下圖左，ECS3030型號的線性位移臺可在真空中進(jìn)行位移。ECS3030位移臺的行程是20mm。技術(shù)參數(shù)要求的是可重復(fù)精度小于50nm。利用attocube激光干涉儀對位移臺上樣品進(jìn)行測量，位移臺被程序控制來回往復(fù)移動1mm，在20mm的行程內(nèi)在多個不同地點進(jìn)行來回往復(fù)移動。測量結(jié)果如下圖中所示。通過分析，左圖中的數(shù)據(jù)提取的偏差值是13.2nm，下圖右數(shù)據(jù)的直方圖顯示標(biāo)準(zhǔn)差是13nm。因此，位移臺的可重復(fù)性技術(shù)指標(biāo)是合格的。

通過使用attocube激光干涉儀可以實施對于納米精度位移臺ECS3030的全自動測量。這已經(jīng)是德國attocube公司對于位移臺的質(zhì)量檢測手段。并且，這樣一個簡便與實用的傳感器可以直接集成到生產(chǎn)線中去提供高產(chǎn)出的質(zhì)量檢測。

■ 激光干涉儀組建高精度X射線顯微鏡

同步輻射中心具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，生物科技（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)），醫(yī)學(xué)研究（微生物），工程研究（裂紋的變化觀測），先進(jìn)材料（納米結(jié)構(gòu)測量）等。以上應(yīng)用需要高精度去驅(qū)動聚焦鏡，樣品，光學(xué)狹縫等物品（下圖左），這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要減少熱漂移與定位誤差。

德國attocube公司的激光干涉儀具備皮米精度分辨率，激光探頭可在真空環(huán)境中使用，是同步輻射研究的良好選擇。在現(xiàn)有激光探頭中，標(biāo)準(zhǔn)激光探頭M12是已經(jīng)被證實可以在輻射環(huán)境中使用（**10MGy)。美國布魯克海文實驗室E. Nazaretski等人結(jié)合attocube激光干涉儀與納米精度位移臺搭建了X射線掃描成像顯微鏡（下圖中）。通過attocube激光干涉儀作為實時檢測與反饋位移臺移動的工具，科學(xué)家實現(xiàn)了0.5nm的步進(jìn)掃描（下圖右）。并且，在真空環(huán)境中，系統(tǒng)的熱漂移達(dá)到了2nm/h。

綜上所述，高精度的X射線顯微鏡可以實現(xiàn)納米精度掃描成像，是實現(xiàn)硬X射線區(qū)域光學(xué)研究的有力工具。該顯微鏡使得X射線熒光光譜納米精度成為了現(xiàn)實。

參考文獻(xiàn)

E. Nazaretski ， et.al. J. Synchrotron Rad. (2015). 22， 336–341

■ 激光干涉儀無損探測軸承誤差

旋轉(zhuǎn)物體的運動誤差分析是高精度機(jī)械工程領(lǐng)域的一個主要興趣之一。如果是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，甚至1納米的誤差就會產(chǎn)生不想要的振動與運動誤差。因此，納米精度的運動誤差監(jiān)測是機(jī)械工程領(lǐng)域前沿的重要研究課題。一個主要的難題是：如何減小運動誤差？

為了減小誤差，首先需要測量誤差。

德國attocube公司的激光干涉儀可以提供一個無損，緊湊并且一插即用的解決方案。通常的線性位移測量需要一個平整的表面，而旋轉(zhuǎn)運動的時候，遇到的是一個曲面（右圖上）。attocube激光干涉儀測量的是一個直徑為10mm的電動轉(zhuǎn)子。由于attocube激光干涉儀的探頭具有較大的容忍角度，激光探頭很容易完成了校準(zhǔn)并開始進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2160轉(zhuǎn)每秒，兩個激光探頭對轉(zhuǎn)子的運動誤差進(jìn)行了測量。右圖下顯示的為測量結(jié)果，紅色實線為平均位置，而虛線顯示了誤差為5微米的兩個圓環(huán)。黑色實現(xiàn)為實際測量數(shù)據(jù)。

德國attocube公司的激光干涉儀軟件使用界面友好，可提供亞納米級別的運動誤差校正方案。即使是新用戶，對于其激光干涉儀的使用也會很快熟悉。

參考文獻(xiàn)

Review of scientific instruments， 84， 035006 (2013)

■ 激光干涉儀校正極低溫非線性掃描

通常掃描臺在室溫下掃描50微米 x 50微米的范圍時候不會有顯著的非線性效應(yīng)。但是當(dāng)在極低溫環(huán)境（4K或更低）中，壓電陶瓷本身的性能發(fā)生變化，會產(chǎn)生下圖右中的非線性掃描現(xiàn)象。

通過德國attocube公司的激光干涉儀，可以在極低溫環(huán)境下使用激光探頭對掃描臺的掃描運動進(jìn)行實時檢測（高速掃描）。結(jié)合對掃描臺的施加電壓進(jìn)行實時反饋控制，可解決低溫下非線性掃描問題。

測試數(shù)據(jù)

發(fā)表文章

2. Vibration-heating in ADR Kevlar suspension systems James Tuttle et al 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 755 012015

3. S. Thomas， et al; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67， 11， (2019).

4. Observation of a phononic quadrupole topological insulator.Nature volume 555， pages342–345(2018)

5. Benjamin A. Bircher， Felix Meli， Alain Küng， Rudolf Thalmann: "A geometry measurement system for a dimensional cone beam CT"， 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT 2018)， At Wels， AU

6. Benjamin Montavon et al; J. Manuf. Mater. Process. 2(1)， 14 (2018)

7. In situ contrast calibration to determine the height of individual diffusing nanoparticles in a tunable confinement S. Fringes et al. J. Appl. Phys. 119 024303 (2016)

8. Interferometric characterization of rotation stages for X-Ray nanotomography T. Stankevi? et al. Rev. Sci. Instrum. 88 053703 (2017)

9. Measurement of forces exerted by low-temperature plasmas on a plane surface T. Trottenberg and H. Kersten Plasma Sources Sci. Technol. 26 055011 (2017)

10. Mesh-type acoustic vector sensor M. K. Zalalutdinov et al. J. Appl. Phys. 122 034504 (2017)

11. Markus Osterhoff， et at.; Proceedings Volume 10389， X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III; 103890T (2017)

用戶單位

attocube公司產(chǎn)品以其穩(wěn)定的性能、極高的精度和良好的用戶體驗得到了國內(nèi)外眾多科學(xué)家的認(rèn)可和肯定，在全球范圍內(nèi)有超過了130多位低溫強(qiáng)磁場顯微鏡用戶。attocube公司的產(chǎn)品在國內(nèi)也得到了低溫、超導(dǎo)、真空等研究領(lǐng)域**科學(xué)家和研究組的歡迎.....

國內(nèi)部分用戶

國外部分用戶