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。
工作溫度低至：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 是家門從事小衛(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(yàn)）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(yàn)。該試驗(yàn)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(jì)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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個角秒還要好。理論計(jì)算表明，其測試分辨率可以到達(dá)0.021角秒（等于5.8u°），但實(shí)際讀數(shù)受試驗(yàn)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)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（新版本為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域。

圖 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，需要測量由光壓產(chǎn)生的形變。來自荷蘭Eindhoven University of Technology 的科學(xué)家設(shè)計(jì)了個基于德國attocube干涉儀IDS3010的測量結(jié)構(gòu)，以此來詳細(xì)地研究因?yàn)楣鈮憾鴮?dǎo)致的形變性。圖所示為測量裝置示意圖，測量裝置由5 x 5 共計(jì)25個M12/F40激光探頭組成的網(wǎng)格，以此來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測納米的無軸承平面電機(jī)內(nèi)部的移動器變形。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測得大形變量為544nm，小形變量為110nm（如圖二所示）。

圖 左側(cè)5X5排列探頭測量裝置示意圖，右圖為實(shí)物圖

圖二 無軸承磁懸浮機(jī)臺形變量的測量結(jié)果，大形變量為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?yàn)槭髟斐傻膿p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(shí)時分辨率。而在結(jié)晶學(xué)等光學(xué)實(shí)驗(yàn)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（升之后的型號為IDS3010），被用于化由多層波帶片（MZP）和基于MZP的壓電樣品掃描儀組成的實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性的測量。實(shí)驗(yàn)是在德國DESY Photon Science中心佩拉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)_。基于這些測量，裝置的成像分辨率被提高到了±10nm。

圖 實(shí)驗(yàn)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)言二維量子化的四緣體具有帶隙、拓?fù)涞木S邊緣模式。研究機(jī)構(gòu)蘇黎世邦理工大學(xué)的Sebastian Huber教授課題組巧妙的用種機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)來模擬二維的拓?fù)渚夡w，次在實(shí)驗(yàn)上觀測到了聲子四拓?fù)渚夡w。這具有重要意義的結(jié)果被刊登在nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人員通過測試了種機(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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高維度的拓?fù)涑牧系於酥匾５聡鴄ttocube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(shí)現(xiàn)了11.2pm的系統(tǒng)誤差，為聲子四拓?fù)渚夡w的實(shí)驗(yàn)分析提供了有力的支持。

圖 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室（WZL）生產(chǎn)計(jì)量與質(zhì)量管理主任的研究人員用IDS3010讓機(jī)床自動校準(zhǔn)成為可能，這將提高機(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(shí)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。研究人員建立了個單軸裝置的原型，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(yùn)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(jì)個錐束C-T系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之是它的幾何測量系統(tǒng)。近，瑞士聯(lián)邦計(jì)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(shí)驗(yàn)共有八個軸用于位移跟蹤。除了測量位移之外，該實(shí)驗(yàn)裝置還能夠?qū)崿F(xiàn)樣品臺的角度誤差分析。終實(shí)現(xiàn)了非線性度小于0.1μm，錐束穩(wěn)定性在小時內(nèi)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）的種創(chuàng)新方法。在大多數(shù)的增材制造中需要微米量的精度控制，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(shí)驗(yàn)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激光干涉儀具有異的穩(wěn)定性和測量亞納米位移的能力，表現(xiàn)出異的性能。IDS3010在40小時內(nèi)具有于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*，使得整個X射線顯微鏡實(shí)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(yùn)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(shí)時測量還處于發(fā)展階段。同時實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的位移量，而3個不共線的點(diǎn)可確定平面的法線，基于平面法線的解，從而可以獲得目標(biāo)的3個自由度運(yùn)動信息，包括方位角、俯仰角和軸向位移。成功實(shí)現(xiàn)了三自由度的同時實(shí)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拓?fù)渚夡w觀測

電荷化理論能夠描述中性玻色子系統(tǒng)的布洛赫能帶，它預(yù)言二維量子化的四緣體具有帶隙、拓?fù)涞木S邊緣模式。蘇黎世邦理工大學(xué)的Sebastian Huber教授課題組巧妙地用種機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)來模擬二維的拓?fù)渚夡w，次在實(shí)驗(yàn)上觀測到了聲子四拓?fù)渚夡w。這具有重要意義被刊登在nature上。研究人員通過測試種機(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(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高維度的拓?fù)涑牧系於酥匾?/span>

圖示：實(shí)驗(yàn)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(shí)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域提供高精度探測來減少誤差的種光學(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。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(diǎn)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(shí)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，這樣個簡便與實(shí)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），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(shí)可以在輻射環(huán)境中使用（大10MGy)。美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)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(shí)時檢測與反饋位移臺移動的工具，科學(xué)家實(shí)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(shí)現(xiàn)納米精度掃描成像，是實(shí)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(shí)。

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(yùn)動誤差分析是高精度機(jī)械工程域的個主要興趣之。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(yùn)動誤差。因此，納米精度的運(yùn)動誤差監(jiān)測是機(jī)械工程域前沿的重要研究課題。個主要的難題是：如何減小運(yùn)動誤差？

為了減小誤差，需要測量誤差。

德國attocube公司的激光干涉儀可以提供個無損，緊湊并且插即用的解決方案。通常的線性位移測量需要個平整的表面，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時候，遇到的是個曲面（右圖上）。attocube激光干涉儀測量的是個直徑為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(yùn)動誤差進(jìn)行了測量。右圖下顯示的為測量結(jié)果，紅色實(shí)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(shí)現(xiàn)為實(shí)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，可提供亞納米別的運(yùn)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，可以在低溫環(huán)境下使用激光探頭對掃描臺的掃描運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時檢測（高速掃描）。結(jié)合對掃描臺的施加電壓進(jìn)行實(shí)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

1. Stability investigation of a cryo soft x-ray microscope by fiber interferometry  Rev. Sci. Instrum. 91, 023701 (2020); https://doi.org/10.1063/1.5138369

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、*的精度和良好的用戶體驗(yàn)得到了國內(nèi)外眾多科學(xué)家的認(rèn)可和肯定，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)、真空等研究域著名科學(xué)家和研究組的歡迎.....

國內(nèi)部分用戶

國外部分用戶