干涉成像偏振仪

在背景与目标红外辐射量差距不大或背景较为复杂等情况下，传统红外成像技术对目标进行探测与识别的难度较大。而红外偏振探测在采集目标与背景辐射强度的基础上，还获取了多一维度的偏振信息，因此在探测隐藏、伪装和暗弱目标和复杂自然环境中人造目标的探测和识别等领域，有着传统红外探测不可比拟的优势。但同时，偏振装置的加入也增加了成像系统的复杂度与制作成本，且对于远距离成像，在红外成像系统前加入偏振装置对成像系统的探测距离有多大的影响，也有待进一步的研究论证。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院红外探测与成像技术重点实验室和中国科学院大学的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析”为主题的文章。该文章第一作者为谭畅，主要从事红外偏振成像仿真方面的研究工作；通讯作者为王世勇研究员，主要从事红外光电系统技术、红外图像信号处理方面的研究工作。本文将从分析成像系统最远探测距离的角度出发，对成像系统的探测能力进行评估。综合考虑影响成像系统探测能力的各个因素，参考传统红外成像系统作用距离模型，基于系统的偏振探测能力，建立了红外偏振成像系统的作用距离模型，讨论了偏振装置非理想性对系统探测能力的影响，并设计实验验证了建立模型的可靠性。红外成像系统作用距离建模目前较为公认的对扩展源目标探测距离进行估算的方法是MRTD法。该方法规定，对于空间频率为f的目标，人眼通过红外成像系统能够观察到该目标需要满足两个条件：①目标经过大气衰减到达红外成像系统时，其与背景的实际表观温差应大于或等于该频率下的成像系统最小可分辨温差MRTD（f）。②目标对系统的张角θT应大于或等于相应观察要求所需要的最小视角。只需明确红外成像系统的各项基本参数与观测需求，我们就可以计算出系统的噪声等效温差与最小可分辨温差，进而求解出它的最远探测距离。红外偏振成像系统作用距离建模偏振成像根据成像设备的结构特性可分为分振幅探测、分时探测、分焦平面探测和分孔径探测。其中分时探测具有设计简单容易计算等优点，但只适用于静态场景；分振幅探测可同时探测不同偏振方向的辐射，但存在体积庞大、结构复杂，计算偏振信息对配准要求高等问题；分孔径探测也是同时探测的一种方式，且光学系统相对稳定，但会带来空间分辨率降低的问题；分焦平面偏振探测器具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等优势，可同时获取到不同偏振方向的偏振图像，是目前偏振成像领域的研究热点，也是本文的主要研究对象。图1为分焦平面探测系统示意图。图1 分焦平面探测器系统示意图本文仿真的分焦平面偏振探测器，是在红外焦平面上集成了一组按一定规律排列的微偏振片，一个像元对应着一个微偏振片，其角度分别为 0°、45°、90°和135°，相邻的2×2个微像元组成一个超像元，可同时获取到四种不同的偏振态。图1为分焦平面探测系统结构示意图。传统方法认为在红外成像系统前加入偏振装置后，会对系统的噪声等效温差与调制传递函数MTF（f）产生影响，改变系统的最小可分辨温差，进而改变系统的最远探测距离。本文将从偏振装置的偏振探测能力出发，分析成像系统的最小可分辨偏振度差，建立红外偏振成像系统的探测距离模型。我们首先建立一个探测器偏振响应模型，该模型将探测器视为一个光子计数器，光子被转换为电子并在电容电路中累积，综合考虑探测器井的大小、偏振片消光比、信号电子与背景电子的比率以及入射辐射的偏振特性，通过应用误差传播方法对结果进行处理。从噪声等效偏振度（NeDoLP）的定义出发，NeDoLP是衡量偏振探测器探测能力的指标，即探测器对均匀极化场景成像时产生的标准差。对其进行数学建模，进而分析得到红外偏振成像系统的最远探测距离。图2 DoLP随光学厚度变化曲线对于探测器来说，积分时间越长，累积的电荷越多，探测器的信噪比（SNR）就越高，但这种增加是有限度的。随着积分时间的增加，光生载流子有更多的时间被收集，增加信号。然而，同时，暗电流及其相关噪声也会增加。对于给定的探测器，最佳积分时间是在最大化信噪比和最小化暗电流及噪声的不利影响之间取得平衡，为方便分析，我们假设探测器工作在“半井”状态下。通过以下步骤计算红外偏振成像系统最远作用距离：a. 根据已知的目标和背景偏振特性以及环境条件，计算在给定距离下，目标与背景之间的偏振度差在传输路径上的衰减。b. 结合系统的探测器性能参数，确定目标在给定距离下是否可被观察到。如果不能则减小设定的距离。目标被观察到需同时满足衰减后的偏振度差大于或等于系统对应于该频率的最小可分辨偏振度差MRPD，目标对系统的张角θT大于或等于相应观察要求所需要的最小视场角。c. 逐步增加距离，直到目标与背景之间的偏振度差不再满足观察要求。这个距离即为成像系统最远作用距离。τp (R)为大气对目标偏振度随探测距离的衰减函数，可根据不同的天气条件，根据已有的测量数据进行插值，计算出不同探测距离下大气对目标偏振度的衰减，图4. 5给出了根据文献中测量数据得到的偏振度随光学厚度增加衰减关系图。这里给出的横坐标是光学厚度，不同天气条件下，光学厚度对应的实际传播距离与介质的散射和吸收系数有关。综上，我们建立了传统红外成像系统和考虑了偏振片非理想性的红外偏振成像系统的作用距离模型，下面我们将对模型的可靠性进行验证，分析讨论探测器各参数对成像系统探测能力的影响。验证与讨论由噪声等效偏振度的定义可知，其数值越小，代表偏振探测器的性能越优秀。下面我们对影响红外偏振成像系统探测性能的各因素进行讨论，并设计实验验证本文建立模型的正确性。偏振片消光比消光比是衡量偏振片性能的重要参数，市售的大面积偏振片的消光比可以超过200甚至更多。对其他参数按经验进行赋值，从图3可以看到，对于给定设计参数的探测器，偏振片消光比超过20后，随着偏振片消光比的增加，探测器性能上的提升微乎其微。对于分焦平面探测器，为实现更高的消光比，不可避免地要牺牲探测器整体辐射通量。由于辐射通量降低而导致的信噪比损失可能远远超过消光比增加所获得的收益。这一结果同样可以对科研人员研制偏振片提供启发，对需要追求高消光比的偏振片来说，增大透光轴方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系统的性能。图3 偏振片消光比与探测器噪声等效偏振度关系图探测器井容量红外探测器的井容量是指探测器像素在饱和之前能够累积的电荷数量的最大值。井容量是衡量红外探测器性能的一个关键参数，井容量通常以电子数（e-）表示。较大的井容量意味着探测器可以在饱和之前存储更多的电荷，从而能够在更大的亮度范围内准确检测信号。这对于在具有广泛亮度变化的场景中捕获清晰图像至关重要。从图4可以看出，增大探测器井的容量，同样能很好的提高成像系统的偏振探测能力。图4 探测器井容量与探测器噪声等效偏振度关系图然而，井容量的增加可能会导致像素尺寸增大或探测器面积减小，这可能对系统的整体性能产生负面影响。因此，在设计红外探测器时，需要权衡井容量、像素尺寸和其他性能参数，以实现最佳性能。目标偏振度虽然推导出的噪声等效偏振度公式包含目标偏振度这一参量，但目标的偏振度本身对探测器的噪声等效偏振度没有直接影响。NeDolp 是一个衡量探测器性能的参数，它主要受探测器内部噪声、电子学和其他系统组件的影响。然而，目标的偏振度会影响探测器接收到的信号强度，从而影响信噪比（SNR）。从图5也可以看出，探测器的NeDolp受目标的偏振度影响不大。图5 目标偏振度与探测器噪声等效偏振度关系图读取噪声与产生复合噪声比值读取噪声主要来自于探测器的读出电路、放大器和其他电子元件。它通常在整个光强范围内保持相对恒定。产生复合噪声是由光子的随机到达和电荷生成引起的，与光子数成正比。在低光强下，产生复合噪声通常较小；而在高光强下，它会逐渐变大。通过计算读取噪声和产生复合噪声的比值，可以确定系统的性能瓶颈。如果读取噪声远大于产生复合噪声，这意味着系统在低光强下受到读取噪声的限制。在这种情况下，优化读出电路和放大器等元件可能会带来性能提升。如果产生复合噪声远大于读取噪声，这意味着系统在高光强下受到产生复合噪声的限制。在这种情况下，提高信号处理和光子探测效率可能有助于改善性能。从图6可以看出，降低读取噪声与产生复合噪声比值可以有效提升系统偏振探测能力。图6 δ与探测器噪声等效偏振度关系图信号电子比例综合图4~6可以看出，提升β的数值可有效提高探测器的偏振探测能力，由β的定义可知，对于确定井容量的探测器，β的取值主要取决于探测器的各种噪声与积分时间，降低探测器的工作温度、优化探测器结构、减少表面和界面缺陷等途径都可以降低探测器的噪声，调节合适的积分时间也有助于探测系统的性能提升。实验验证根据噪声等效偏振度的定义，利用面源黑体与红外可控部分偏振透射式辐射源创建一组均匀极化场景。如下图7所示，黑体发出的红外辐射，经过两块硅片，发生四次折射，产生了偏振效应，通过调节硅片的角度，即可产生不同线偏振度的红外辐射。以5°为间隔，将面源黑体平面与硅片间的夹角调为10°~40°共七组。每组将面源黑体设置为40℃和70℃两个温度，用国产自主研制的红外分焦平面偏振探测器采取不少于128帧图像并取平均，然后将每组两个温度下相同角度获得的图像作差，以减少实验装置自发辐射和反射辐射对测量结果的干扰，差值图像就是透射部分的红外偏振辐射。对差值图像进行校正和去噪后，即可按公式计算出探测器对均匀极化场景产生的偏振度图像。计算出红外辐射的线偏振度，为减小测量误差，仅取图像中心区域的像元进行分析。该区域像元的标准差就是该成像系统的噪声等效偏振度（NeDoLP）。探测器具体参数如表1所示。图7 实验示意图表1 偏振探测器参数利用本文建立的探测器仿真模型计算出硅片的线偏振度仿真值，公式19计算出硅片线偏振度的理论值，与实验的测量值进行对比，图8展示了三组数据的变化曲线，从图中可以看出，三组数据存在一定偏差，这可能与硅片调节角度误差、面源黑体稳定性、干涉效应、硅片摆放是否平行等因素有关，但在误差允许的范围内，实验验证了偏振探测系统的性能，也证明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP测量结果如表2所示。图8 线偏振度理论值、测量值与本文模型仿真值曲线图表2 实验结果从上表可以看到NeDoLP的测量值与仿真值的差值基本能控制在5%以内，实验结果再次印证了本文设计的模型的可靠性。实例计算应用建立的模型对高2.3m，宽2.7m，温度47℃，发射率为1的目标的最远探测距离进行预测，目标差分温度6℃；背景温度27℃；发射率1；目标偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2节中样机的探测器参数，最后，采用文献中介绍的“等效衰减系数-距离”关系的快速逼近法对红外探测系统最远作用距离R进行求解，得到表3的结果。表3 红外成像系统的最远作用距离根据红外探测系统最远探测距离，利用本文第二节提出的方法，得到不同探测概率下红外偏振成像系统最远作用距离结果如表4所示。表4 红外偏振成像系统的最远作用距离所选例子为目标与背景偏振度差异大于其温差，所以在这种探测场景下红外偏振成像系统的探测能力要优于红外成像系统。探测器的参数不同，探测场景与目标的变化都会对模型的结果产生影响，但本文提供的成像系统作用距离模型可为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供参考。结论针对不同的探测场景，红外成像系统与红外偏振成像系统在最远探测距离方面哪个更有优势并没有定论，探测目标的大小，背景与目标的温差与偏振度差，大气透过率，具体探测器的参数等因素都会对成像系统的最远探测距离产生影响。经实验验证，本文所建立的非理想红外偏振成像系统的响应模型是可靠的，可以用于估算成像系统的最远作用距离，针对不同的探测场景，读者可通过实验确定探测器的具体性能参数，利用仿真软件或实验测量的方式获取探测目标的温度与偏振信息，明确探测环境的具体大气参数，利用模型对红外成像系统与偏振成像系统的最远作用距离进行预估，选择更具优势的成像系统。这项研究获得上海市现场物证重点实验室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技术物理研究所创新基金（No. CX-267）的资助和支持。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023041

2月25日，中科院合肥物质科学研究院安光所光学遥感中心牵头承担的民用航天技术预先研究项目“多角度偏振成像仪”通过了专家验收。专家组认为，该项技术将大力推动我国卫星载荷新技术的发展。　　多角度偏振成像仪项目组针对全球大气环境及气候变化研究、高精度定量化遥感大气校正等需求，应用多角度偏振探测技术，突破大气气溶胶高精度卫星遥感关键技术，完成了工程化设计的多角度偏振成像仪原理样机，搭建了多角度成像仪的实验室辐射/偏振/几何定标系统。样机主要性能指标均达到或接近国际同类型载荷水平，其研究成果涵盖了欧美两大技术路线的技术特点。　　验收会上，专家组一致认为项目组瞄准国际上全球大气环境及气候变迁研究的技术前沿，多年来致力于发展偏振遥感技术，积极开展大气多角度偏振卫星遥感技术研究，在大气气溶胶高精度卫星遥感探测技术、实验室偏振定标技术、大气多角度偏振信息反演技术等方面取得了一系列重要成果。　　该项目是中科院安光所牵头承担并顺利完成的第一个民用航天项目，5年多的研究除取得了一些科研成果外，也为安光所锻炼培养了一个年轻、富有朝气的航天有效载荷工程承研技术团队，为其在“十二五”承担航天载荷型号任务打下了良好的技术及人才基础。

5月7日，&ldquo 激光正交偏振及激光精密测量新技术研讨会&rdquo 在清华大学主楼接待厅举行。此次研讨会由清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室组织举办，旨在系统介绍张书练课题组就正交偏振激光的产生、现象进行的科学研究及其在精密测量中的应用，以及相关仪器的产业化前景。清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任张书练介绍研究成果　　研讨会上，清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任张书练做了题为&ldquo 让激光正交偏振走出深巷放光芒：激光正交偏振及激光精密测量新技术的发展历程&rdquo 的学术报告，回顾了相关研究的缘起。他说，课题组在研究中注意到，现有激光文献只讲激光束的三特性&ldquo 高亮度&rdquo &ldquo 相干性&rdquo &ldquo 方向性&rdquo ，对比爱因斯坦阐述的光的受激辐射特性少了&ldquo 偏振&rdquo 性，从而课题组埋头30年，通过观察物理效应、发明新仪器把第四性&ldquo 偏振&rdquo 补上。　　课题组成员谈宜东副教授、张松博士、朱守深博士还做了&ldquo 固态激光回馈干涉仪原理和应用&rdquo 、&ldquo 激光原理的三个实验系统&rdquo 、&ldquo 双折射-塞曼双频激光干涉仪&rdquo 及&ldquo 课题组的未来&rdquo 的报告。介绍了相关科研成果及应用前景。现场展出的仪器　　研讨会还展出了张书练课题组研制的包括气体激光干涉仪、固态激光回馈干涉仪、光学位相延迟(内应力)测量仪、纳米测尺、新激光原理实验系统等十几种仪器。其中&ldquo 双折射-塞曼双频激光干涉仪&rdquo 突破了国内外限制几十年的频差低的难题，实现了3-20MHz任选频差的双频激光干涉仪，批量满足国家重大专项和机床检定需求 &ldquo 固态激光回馈干涉仪&rdquo 跨越传统干涉仪原理，在国内外率先研究成功并批量使用，由于其超高的灵敏度和能够测量非配合目标，应用广泛，被誉为&ldquo 新一代的激光干涉仪&rdquo &ldquo 激光频率分裂光学位相测量仪&rdquo 已批准为国家标准 &ldquo 激光原理的三个实验系统&rdquo 已有百台在近20所大学应用，改变了激光原理课实验教学的模式。　　与会者兴趣浓厚，讨论热烈，特别对常见激光器的偏振特性、频率之间的竞争等提了问题，并就现场展示仪器的性能、应用提出了建议和意见。研讨会现场　　来自北京大学、南开大学、哈尔滨工业大学、中国计量科学研究院、清华大学紫荆创新研究院、德铭精密机械有限公司等三十多所高等院校、科研机构以及公司代表约100人参加了会议。

偏振图像可提供诸如阴影和表面形貌的信息，但目前的红外偏振器主要由昂贵且易碎的陶瓷制成，且其拥有的纳米光栅通常需通过耗时且成本高昂的干涉光刻法制造而成。现在，韩国科学家基于富硫聚合物，研制出一款高灵敏度基偏振器，不仅成本低廉且制造方法简单，相关研究刊发于最新一期《先进材料》杂志。通过“逆硫化”合成的富硫聚合物因在红外区域固有的高透射率而成为红外光学器件的合适候选材料，受到广泛关注。富硫聚合物主要由基于元素硫的主链组成，石油精炼过程中每年会产生700万吨硫磺，因此这种富硫聚合物可大规模生产。与常规红外材料不同，富硫聚合物可溶解在有机溶剂中，这意味着其可应用于基于溶液的旋涂方法。此外，富硫聚合物拥有的粘滞弹性和动态共价二硫键使其可被热纳米压印光刻（热NIL）技术模塑成不同的纳米结构。而且，基于富硫聚合物制造而成的偏振器，也能拥有双层结构，可通过以下3个步骤获得：旋涂富硫聚合物溶液、在旋涂的富硫聚合物基膜上使用热NIL工艺，以及在纳米光栅上进行金属沉积，由此得到的富硫聚合物基偏振器由自对准双层金属光栅和间隔层（用作光学腔）组成。基于上述方法，韩国汉阳大学研究人员制作了一种高灵敏度的富硫聚合物基偏振器。他们微调了热NIL条件，以高质量复制设计纳米光栅，并研究了间隔层的厚度，以最大化所有中波红外区域的透射。通过数值模拟设计，并考虑到光学性能和制造难度，该偏振器的节距为400纳米，经由包括温度、压力和时间在内的热NIL条件的系统研究，获得了面积为1平方厘米的高保真纳米光栅。

12月9日，中国科学院计划财务局组织专家对生态环境研究中心汪海林研究员承担的“DNA损伤单分子偏振成像检测装置研制”项目进行现场验收。验收组专家听取了项目组的工作报告、使用报告、财务报告、测试组的测试报告，现场检查了实验装置的运行情况，审核了相关档案材料，经提问和讨论，验收专家组认为，该项目完成了任务书规定的各项任务，一致同意通过验收。　　研制完成的“DNA损伤单分子偏振成像检测装置”，将高效快速分离和激光诱导荧光检测技术集成为一体，可高灵敏地检测DNA损伤产物 融入荧光偏振成像技术，可提供污染物引起DNA损伤的分子转动和构象等动态信息。　　该装置为阐明环境暴露引起的DNA损伤的分子识别、修复及突变机制等环境健康风险评估研究提供了新颖的分析平台，在提高人们的健康卫生水平方面也具有潜在的应用价值。

美国宇航局预计在2017年初宣布概念研究方案，航天器的科学仪器预算为1.25亿美元　　据腾讯太空(罗辑/编译)：在地球轨道上，美国宇航局所管辖的空间望远镜是全球最多的，性能也最为先进，几乎覆盖了所有的观测波段。2018年，美国宇航局将发射迄今最先进的空间望远镜，詹姆斯-韦伯望远镜，这是一具红外线天文台。不过，美国宇航局又在筹划一种更先进的望远镜，主要工作波段为X射线，被命名为X射线成像偏振探测器，目前已经入围了三个方案，预计在2020年底会发射升空，将作为X射线天文学观测上的主力。　　目前入围的三个方案都是目前X射线观测上的顶尖水平，比如来自加利福尼亚技术研究所的SPHEREX望远镜，美国宇航局马歇尔太空飞行中心提出的IXPE计划，以及美国宇航局戈达德太空飞行中心的PRAXyS方案。每个科学小组会获得100万美元的资金支持，美国宇航局也会进行为期11个月的任务概念研究。预计在2017年初宣布概念研究方案，航天器的科学仪器预算为1.25亿美元，并安排了5000万美元的发射费用。　　IXPE和PRAXyS这两个方案主要目标是个宇宙中高能事件，比如恒星工厂和恒星死亡后的情景，这些过程可产生强大的X射线信号。此外，科学家还希望收集黑洞周围的X射线信号，超致密的中子星、恒星爆炸、遥远星系中央内核的X射线信号等。IXPE采用X射线偏振技术，可以对中子星、脉冲星星云、恒星、黑洞等主要宇宙天体进行研究，符合美国宇航局的任务要求。　　PRAXyS方案则使用了一种不同的方法来研究X射线天文学，PRAXyS任务的首席研究员基思认为PRAXyS方案类似于GEMS引力与极端磁场研究项目，后者在2012年被美国宇航局取消。SPHEREX任务概念将对天空进行全面扫描，时间至少持续两年，还可以观测宇宙中的引力波。此外，SPHEREX任务还可以对一些恒星系统演化的早期阶段进行研究，比如冰是否存在于恒星周围。

1 引 言激光干涉位移测量技术具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等优势，广泛应用于精密计量、微电子集成装备和大科学装置等领域，成为超精密位移测量领域中的重要技术之一。近年来，随着这些领域的迅猛发展，对激光干涉测量技术提出了新的测量需求。如在基于长度等量子化参量的质量基准溯源方案中，要想实现1×10−8 量级的溯源要求，需要激光干涉仪长度测量精度达0. 1 nm 量级；在集成电路制造方面，激光干涉仪承担光刻机中掩模台、工件台空间位置的高速、超精密测量任务，按照“ 摩尔定律”发展规律，近些年要想实现1 nm 节点光刻技术，需要超精密测量动态精度达0. 1 nm，达到原子尺度。为此，国际上以顶级的计量机构为代表的单位均部署了诸如NNI、Nanotrace 等工程，开展了“纳米”尺度测量仪器的研制工程，并制定了测量确定度在10 pm 以下的激光干涉测量技术的研发战略。着眼于国际形势，我国同样根据先进光刻机等高端备、先进计量的测量需求，制定了诸多纳米计量技术的研发要。可见，超精密位移测量技术的发展对推进我国众多大高端装备具有重要战略意义，是目前纳米度下测量领域逐步发展的重大研究方向。2 激光干涉测量原理根据光波的传播和叠加原理，满足相干条件的光波能够在空间中出现干涉现象。在激光干涉测量中，由于测量目标运动，将产生多普勒- 菲佐（Doppler-Fizeau效应，干涉条纹将随时间呈周期性变化，称为拍频现象。移/相移信息与测量目标的运动速度/位移关系满足fd = 2nv/ λ ， （1）φd = 2nL/ λ ， （2）式中：fd为多普勒频移；φd为多普勒相移；n 为空气折射率；v 和L 为运动速度和位移；λ 为激光波长。通过对干涉信号的频率/相位进行解算即可间接获得测量目标运动过程中速度/位信息。典型的干涉测量系统可按照激光光源类型分为单频（零差式）激光干涉仪和双频（外差式）激光干涉仪两大类。零差式激光干涉测量基本原理如图1 所示，其结构与Michelson 干涉仪相仿，参考光与测量光合光干涉后，经过QPD 输出一对相互正交的信号，为Icos = A cos (2πfd t + φ0 + φd ) ， （3）Isin = A sin (2πfd t + φ0 + φd ) ， （4）式中：（Icos， Isin）为QPD 输出的正交信号；A 为信号幅值；φ0 为初始相位。结合后续的信号处理单元即可构成完整、可辨向的测量系统。图1　零差激光干涉测量原理外差式激光干涉仪的光源是偏振态相互垂直且具有一定频差Δf 的双频激光，其典型的干涉仪结构如图2 所示。双频激光经过NPBS 后，反射光通过偏振片发生干涉，形成参考信号Ir；透射光经过PBS，光束中两个垂直偏振态相互分开，f2 光经过固定的参考镜反射，f1 光经运动的测量镜反射并附加多普勒频移fd，与反射光合光干涉后形成测量信号Im。Ir = Ar cos (2πΔft + φr ) ， （5）Im = Am cos (2πΔft + φm )， （6）式中：Δf、A 和φ 分别为双频激光频差、信号幅值和初始相位差。结合式（5）和式（6），可解算出测量目标的相位信息。图2　外差激光干涉测量原理零差式激光干涉仪常用于分辨力高、速度相对低并且轴数少的应用中。外差式激光干涉仪具有更强的抗电子噪声能力，易于实现对多个目标运动位移的多轴同步测量，适用于兼容高分辨力、高速及多轴同步测量场合，是目前主流的干涉结构之一。3 激光干涉测量关键技术在超精密激光干涉仪中，波长是测量基准，尤其在米量级的大测程中，要实现亚纳米测量，波长准确度对测量精度起到决定性作用。其中，稳频技术直接影响了激光波长的准确度，决定激光干涉仪的精度上限；环境因素的变化将影响激光的真实波长，间接降低了实际的测量精度。干涉镜组结构决定光束传播过程中的偏振态、方向性等参数，影响干涉信号质量。此外，干涉信号相位细分技术决定激光干涉仪的测量分辨力，并限制了激光干涉仪的最大测量速度。3. 1　高精度稳频技术在自由运转的状态下，激光器的频率准确度通常只有±1. 5×10−6，无法满足超精密测量中10−8~10−7的频率准确度要求。利用传统的热稳频技术（单纵模激光器的兰姆凹陷稳频方法等），可以提高频率准确度，但系统中稳频控制点常偏离光功率平衡点，输出光频率准确度仅能达2×10−7量级，无法完全满足超精密测量的精度需求。目前，超精密干涉测量中采用的高精度稳频技术主要有热稳频、饱和吸收及偏频锁定3 种。由于激光管谐振腔的热膨胀特性，腔长随温度变化呈近似线性变化。因此，热稳频方法通过对谐振腔进行温度控制实现对激光频率的闭环调节。具体过程为：选定稳定的参考频标（双纵模激光器的光功率平衡点、纵向塞曼激光器频差曲线的峰/谷值点），当激光频率偏离参考频标时，产生的频差信号用于驱动加热膜等执行机构进行激光管谐振腔腔长调节。热稳频方法能够使激光器的输出频率的准确度在10−9~10−8 量级，但原子跃迁的中心频率随时间推移受腔内气体气压、放电条件及激光管老化的影响会发生温度漂移。利用稳频控制点修正方法，通过对左右旋圆偏振光进行精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动，同时补偿其相对稳定偏置分量。该方法显著改善了激光频率的长期漂移现象，阿伦方差频率稳定度为1. 9×10−10，漂移量可减小至（1~2）×10−8。稳频点修正后的激光波长仍存在较大的短期抖动，主要源于激光器对环境温度的敏感性，温差对频率稳定性的影响大。自然散热型激光器和强耦合水冷散热型激光器均存在散热效果不均匀和散热程度不稳定的问题。多层弱耦合水冷散热结构为激光管提供一个相对稳定的稳频环境，既能抑制外界环境温度变化对激光管产生的扰动，冷却水自身的弱耦合特性又不影响激光管性能，进而减小了温度梯度和热应力，提高了激光器对环境温度的抗干扰能力，减少了输出激光频率的短期噪声，波长的相对频率稳定度约为1×10−9 h−1。碘分子饱和吸收稳频法将激光器的振荡频率锁定在外界的参考频率上，碘分子饱和吸收室内处于低压状态下（1~10 Pa）的碘分子气体在特定频率点附近存在频率稳定的吸收峰，将其作为稳频基准后准确度可达2. 5×10−11。但由于谐振腔损耗过大，稳频激光输出功率难以超过100 μW 且存在MHz 量级的调制频率，与运动目标测量过程中产生的多普勒频移相近。因此，饱和吸收法难以适用于多轴、动态的测量场合。偏频锁定技术是另一种高精度的热稳频方法，其原理如图3 所示，通过实时测量待稳频激光器出射光与高精度碘稳频激光频差，获得反馈控制量，从而对待稳频激光器谐振腔进行不同程度加热，实现高精度稳频。在水冷系统提供的稳频环境下，偏频锁定激光器的出射光相对频率准确度优于2. 3×10−11。图3 偏频锁定热稳频原理3. 2　高精度干涉镜组周期非线性误差是激光干涉仪中特有的内在原理性误差，随位移变化呈周期性变化，每经过半波长，将会出现一次最大值。误差大小取决光束质量，而干涉镜组是决定光束质量的主导因素。传统的周期非线性误差可以归结为零差干涉仪的三差问题和外差干涉仪的双频混叠问题，产生的非线性误差机理如图4 所示，其中Ix、Iy分别表示正交信号的归一化强度。其中，GR为虚反射，MMS 为主信号，PISn 为第n 个寄生干涉信号，DFSn 为第n 阶虚反射信号。二者表现形式不完全相同，但都会对测量结果产生数纳米至数十纳米的测量误差。可见，在面向亚纳米、皮米级的干涉测量技术中，周期非线性误差难以避免。图4　零差与外差干涉仪中的周期非线性误差机理。（a）传统三差问题与多阶虚反射李萨如图；（b）多阶虚反射与双频混叠频谱分布Heydemann 椭圆拟合法是抑制零差干涉仪中非线性误差的有效方法。该方法基于最小二乘拟合，获得关于干涉直流偏置、交流幅值以及相位偏移的线性方程组，从而对信号进行修正。在此基础上，Köning等提出一种基于测量信号和拟合信号最小几何距离的椭圆拟合方法，该方法能提供未知模型参数的局部最佳线性无偏估计量，通过Monte Carlo 随机模拟后，其非线性幅值的理论值约为22 pm。在外差干涉仪中，双频混叠本质上是源于共光路结构中双频激光光源和偏振器件分光的不理想性，称为第1 类周期非线性。对于此类周期非线性误差，补偿方法主要可以从光路系统和信号处理算法两个方面入手。前者通过优化光路可以将非线性误差补偿至数纳米水平；后者通过椭圆拟合法提取椭圆特征参数，可以将外差干涉仪中周期非线性误差补偿至亚纳米量级；两种均属补偿法，方法较为复杂，误差难以抑制到0. 1 nm 以下。另一种基于空间分离式外差干涉结构的光学非线性误差抑制技术采用独立的参考光路和测量光路，非共光路使两路光在干涉前保持独立传播，从根本上避免了外差干涉仪中频率混叠的问题，系统残余的非线性误差约为数十皮米。空间分离式干涉结构能够消除频率混叠引起的第1 类周期非线性误差，但在测量结果中仍残余亚纳米量级的非线性误差，这种有别于频率混叠的残余误差即为多阶多普勒虚反射现象，也称为第2 类周期非线性误差。虚反射现象源自光学镜面的不理想分光、反射等因素，如图5所示，其中MB 为主光束，GR 为反射光束，虚反射现象普遍存在于绝大多数干涉仪结构中。虚反射效应将会使零差干涉仪中李萨如图的椭圆产生畸变，而在外差干涉仪中则出现明显高于双频混叠的高阶误差分量。图5　多阶虚反射现象使用降低反射率的方法，如镀增透膜、设计多层增透膜等，能够弱化虚反射现象，将周期非线性降低至亚纳米水平；德国联邦物理技术研究院Weichert等通过调节虚反射光束与测量光束间的失配角，利用透镜加入空间滤波的方法将周期非线性误差降低至±10 pm。上述方法在抑制单次的虚反射现象时有着良好的效果，但在面对多阶虚反射效应时作用有限。哈尔滨工业大学王越提出一种适用于多阶虚反射的周期非线性误差抑制方法，该方法利用遗传算法优化关键虚反射面空间姿态，精准规划虚反射光束轨迹，可以将周期非线性误差抑制到数皮米量级，突破了该领域10 pm 的周期非线性误差极限。3. 3　高速高分辨力相位细分技术在激光干涉仪中，相位细分技术直接决定系统的测量精度。实现亚纳米、皮米测量的关键离不开高精度的相位细分技术。相位的解算可以从时域和频域两个角度进行。最为常用的时域解算方法是基于脉冲边缘触发的相位测量方法，该方法利用高频脉冲信号对测量信号与参考信号进行周期计数，进而获取两路信号的相位差。该方法的测量速度与测量分辨力模型可表达为vm/dLm= Bm ， （7）式中：vm 为测量速度；dLm 为测量分辨力；Bm 为系统带宽。在系统带宽恒定的情况下，高测速与高分辨力之间存在相互制约关系。只有提高系统带宽才能实现测量速度和测量分辨力的同时提升，也因此极度依赖硬件运行能力。在测量速度方面，外差激光干涉仪的测量速度主要受限于双频激光频差Δf，测量目标运动产生的多普勒频移需满足fd≤Δf。目前，美国的Zygo 公司和哈尔滨工业大学利用双声光移频方案所研制的结构的频差可达20 MHz，理论的测量速度优于5 m/s。该方法通过增加双频激光频差来间接提升测量速度，频差连续可调，适用于不同测量速度的应用场合，最大频差通常可达几十MHz，满足目前多数测量速度需求。从干涉结构出发，刁晓飞提出一种双向多普勒频移干涉测量方法，采用全对称的光路结构，如图6所示，获得两路多普勒频移方向相反的干涉信号，并根据目标运动方向选择性地采用不同干涉信号，保证始终采用正向多普勒频移进行相位/位移解算。该方法从原理上克服了双频激光频差对测量速度的限制，其最大测量速度主要受限于光电探测器带宽与模/数转换器的采样频率。图6 全对称光路结构在提升测量分辨力方面，Yan 等提出一种基于电光调制的相位调制方法，对频率为500 Hz 的信号进行周期计数，该方法实现的相位测量标准差约为0. 005°，具有10 pm 内的超高位移测量分辨力，适用于低速测量场合。对于高速信号，基于脉冲边缘触发的相位测量方法受限于硬件带宽，高频脉冲频率极限在500 MHz 左右，其测量分辨力极限约为1~10 nm，难以突破亚纳米水平。利用高速芯片，可以将处理带宽提升至10 GHz，从而实现亚纳米的测量分辨力，但成本较大。闫磊提出一种数字延时细分超精细相位测量技术，在硬件性能相同、采样频率不变的情况下，该方法利用8 阶数字延迟线，实现了相位的1024 电子细分，具有0. 31 nm 的位移测量分辨力，实现了亚纳米测量水平。该方法的等效脉冲频率约为5 GHz，接近硬件处理极限，但其测量速度与测量分辨力之间依旧存在式（7）的制约关系。德国联邦物理技术研究院的Köchert 等提出了一种双正交锁相放大相位测量方法，如图7所示，FPGA 内部生成的理想正交信号分别与外部测量信号、参考信号混频，获取相位差。利用该方法，可以实现10 pm 以内的静态测量偏差。双正交锁相放大法能够处理正弦模拟信号，充分利用了信号的频率与幅值信息，其测量速度与测量分辨力计算公式为vm/0. 1λ0= Bm ， （8）dLm/0. 5λ0=Bs/dLc， （9）式中：Bs为采样带宽；dLc为解算分辨力。图7 双正交锁相方法测量原理可见，测量速度与测量分辨力相互独立，从原理上解决了高测速与高分辨力相互制约的矛盾，为激光干涉仪提供了一种兼顾高速和高分辨力的相位处理方法。在此基础上，为了适应现代工业中系统化和集成化的测量需求，美国Keysight 公司、Zygo 公司及哈尔滨工业大学相继研发出了光电探测与信号处理一体化板卡，能够实现高于5 m/s 的测量速度以及0. 31 nm 甚至0. 077 nm 的测量分辨力。此外，从变换域方面同样可以实现高精度的相位解算。张紫杨等提出了一种基于小波变换的相位细分方法，通过小波变换提取信号的瞬时频率，计算频率变化的细分时间，实现高精度的位移测量，该方法的理论相位细分数可达1024，等效位移精度约为0. 63 nm。Strube 等利用频谱分析法，从信号离散傅里叶变换（DFT）后的相位谱中获取测量目标的位移，实现了0. 3 nm 的位移测量分辨力。由于采用图像传感器为光电转换器，信号处理是以干涉条纹为基础的，适用于静态、准静态的低速测量场合。3. 4环境补偿与控制技术环境中温度、气压及湿度等变化会引起空气折射率变化，使得激光在空气中传播时波长变动，导致测量结果产生纳米量级的误差。环境误差补偿与控制技术是抑制空气折射率误差的两种重要手段。补偿法是修正空气折射率误差最常用的方法，具有极高的环境容忍度。采用折光仪原理、双波长法等可以实现10−7~10−8 量级的空气折射率相对测量不确定度。根据Edlen 经验公式，通过精确测定环境参数（温度、湿度和大气压等），可以计算出空气折射率的精确值，用于补偿位移测量结果，其中温度是影响补偿精度的最主要因素。采用高精度铂电阻传感器，设备可以实现1 mK 的温度测量精度，其折射率的补偿精度可达10−8量级，接近Edlen 公式的补偿极限。环境控制技术是保证干涉仪亚纳米测量精度的另一种有效方法。在现行的DUV 光刻机中，采用气浴法，建立3 mK/5 min 以内恒温、10 Pa/5 min 以内恒压、恒湿气浴场，该环境中能够实现10−9~10−8 量级空气折射率的不确定度。对于深空引力波探测、下一代质量基准溯源等应用场合，对激光干涉仪工作的环境控制要求更为严苛，测量装置需置于真空环境中，此时，空气折射率引入的测量误差将被彻底消除。4 激光干涉测量技术发展趋势近年来，超精密位移测量的精度需求逐渐从纳米量级向亚纳米甚至皮米量级过渡。国内在激光干涉仪中的激光稳频、周期非线性误差消除和信号处理等关键技术上均取得了重大的突破。在LISA 团队规划的空间引力波探测方案中，要求在500 万千米的距离上，激光干涉仪对相对位移量需要具有10 pm 以内的分辨能力。面对更严苛的测量需求，超精密位移测量依然严峻面临挑战。激光干涉测量技术的未来发展趋势可以归结如下。1）激光波长存在的长期漂移和短期抖动是限制测量精度提升的根本原因。高精度稳频技术对激光波长不确定度的提升极限约为10−9量级。继续提升激光波长稳定度仍需要依托于下一阶段的工业基础，改善激光管本身的物理特性，优化光源质量。2）纳米级原理性光学周期非线性误差是限制激光干涉仪测量精度向亚纳米、皮米精度发展的重要瓶颈。消除和抑制第1 类和第2 类周期非线性误差后，仍残余数十皮米的非线性误差。由于周期非线性误差的表现形式与耦合关系复杂，想要进一步降低周期非线性误差幅值，需要继续探索可能存在的第3 类非线性误差机理。3）测量速度与测量分辨力的矛盾关系在动态锁相放大相位测量方法中得到初步解决。但面对深空引力波探测中高速、皮米的测量要求，仍然需要进一步探索弱光探测下的高分辨力相位细分技术；同时，需要研究高速测量过程中的动态误差校准技术。高速、高分辨力特征依旧是相位细分技术今后的研究方向。全文下载：亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器_激光与光电子学进展.pdf

本文作者：清华大学张书练教授1. 激光干涉仪的发展史做衣量身、体检量高都由尺子完成，这些日常的尺子的刻度是毫米。机械零件加工和检验都要用尺子，在机械制造企业，卡尺、千分尺随处可见，其精确度是0.1 μm，1 μm。1887年迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）研究以太[1]是否存在，使用了光。他们以光波长作尺子刻度测量了水平面和垂直面的光速之差，第一次否定了以太的存在。他们利用的是光的干涉现象，这就是光学干涉仪的诞生。注[1]：根据古代和中世纪科学，以太被称为第五元素，是填充地球球体上方宇宙区域的物质。以太的概念在一些理论中被用来解释一些自然现象，例如光和重力的传播。19世纪末，物理学家假设以太渗透到整个空间，以太是光在真空中传播的介质，但是在迈克尔逊-莫利实验中没有发现这种介质存在的证据，这个结果被解释为没有光以太存在。1961年研究人员发明了氦氖激光器，开始用氦氖激光器作为迈克尔逊干涉仪的光源，从而诞生了激光干涉仪。图1是迈克尔逊干涉仪简图。迈克尔逊干涉仪是普通物理的基本实验之一。但今天在科学研究和工业中应用的激光干涉仪出于迈克尔逊，但性能远远胜于迈克尔逊。图1 迈克尔逊干涉仪简图基本上，激光干涉仪都使用氦氖激光器的632.8 nm波长的光，橙红灿烂的光束射向远方，发散角可以小到0.1 mrad，光束截面的光斑均匀。氦氖激光器还可输出绿光、黄光、红外光，但只有632.8 nm波长的光适合作激光干涉仪的光源。其它类型的激光器，如半导体（LD）、固体激光器等的相干等性能都远不及氦氖激光器，研究人员多有尝试，但都没有成功。激光干涉仪有很多应用，但本质都是测量中学课本讲的“位移”，诸多应用都是“位移”的延伸和转化。激光干涉仪有两个主流类型：单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。单频干涉仪能做的双频激光干涉仪都能做，但双频干涉仪能做的单频干涉仪不见得能做。由于历史、技术和商业原因，两种干涉仪都有着广泛应用。但在光刻机上，双频激光干涉仪独占市场。单频干涉仪不需要对市场上的氦氖激光器进行改造，直接可用。但双频激光干涉仪用的激光器需要附加技术使其产生双频（两个频率）。历史上，双频激光干涉仪测量位移的速度不及单频激光干涉仪，自发明了双折射-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪的测量速度也达到每秒几米，与单频激光器看齐了。按产生双频的方法，双频激光干涉仪分为塞曼双频激光（国外）干涉仪和双折射-塞曼双频激光（国内）干涉仪。现在干涉仪的指标：最小可感知1 nm（十亿分之1 m），可以测量百米长的零件，且测量70 m长的导轨误差仅为几微米。2. 测量位移的干涉仪和测量表面的干涉仪？有几个概念的定义比较混乱（特别是有些研究发展趋势的报告），需要注意。一是“激光测距”和“激光测位移”没有界定，资料往往鹿马不分。二是不少资料所说“激光干涉仪”实际上包含两种不同的仪器，一种是测量面型（元件表面）的激光干涉仪，一种是测量位移（长度）的激光干涉仪。如海关的统计和一些年度报告往往混在一起。激光测距机发出的激光束是一个持续时间纳秒的光脉冲，利用光脉冲达到目标和返回的时间之半乘以光速得到距离，完全和光的干涉无关。尽管激光波面干涉仪和测量位移（长度）的干涉仪都是利用光干涉现象，但仪器的设计、光路结构、探测方式、应用场合几乎没有共同之处。激光波面干涉仪能够测量光学元件表面的形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口径、零件直径可达百毫米；另一种则是测量位移（长度）干涉仪，光干涉发生在直径几毫米光路上，表现为只有光电探测器（眼睛）正对着射来的光线才能“看”到光强度的波动，由波动的整次数和（不足半波长的）小数算出被测件的位移。 3. 双频激光干涉仪的原理和构成当图1的可动反射镜有位移时，光电探测器光敏面会感受到的光强度正弦变化，动镜移动半个波长，光强变化一个周期。光电探测器将光强变化转化为电信号。如探测到电信号变化了一个周期，我们就知道动镜移动了半个波长。计出总周期数测得动镜的位移。 （1）式中：λ为激光波长，N 为电脉冲总数。今天的激光干涉仪使用632.8 nm波长的激光束，半波长即316.4 nm。动镜安装在被测目标上与目标一起位移，如光刻机的机台，机床的动板上。为了提高分辨力，半波长的正弦信号被细分，变成1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机计算出位移量S。也常用下式表示动镜的位移， （2）其中∆f为目标运动速度为V时的多普勒频移。式（1）和（2）是等价的，可以互相推导推出来，仅是表方式的不同。图2是今天的双频激光干涉仪框图。它由7个部分构成。图2 双频激光干涉仪原理框图（1） 双频氦氖激光器氦氖激光器上有磁体。磁体为筒形，激光器上加的是纵向磁场，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波长（λ/4）片把激光器输出的左旋和右旋光变成偏振态互相垂直的线偏振光。前文所说的双折射-塞曼双频激光器则是在激光器内置入双折射元件（图内未画出），并加图2所示的磁条。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需使用四分之一波长片。双频激光器是双频激光干涉仪的核心，很大程度上，它的性能决定激光干涉仪的性能，要求波长（频率）精度高，功率大，寿命长，双频间隔（频差）大且稳定，偏振状态稳定，两频率之间不偏振耦合。这一问题的解决是作者较突出的贡献之一。（2） 频率稳定单元它的作用是保证波长（频率）这把尺子的精确性，达到10-8甚至10-9，即4.74×1014的激光频率长期的变化仅1 MHz左右。（3） 扩束准直器实际上是一个倒装的望远镜，防止光束发散。要求激光出射80 m，光束光斑直径仍然在10 mm之内。（4） 测量干涉光路测量干涉光路包括：从分光镜向右直到可动反射镜（实际是个角锥棱镜），向下到光电探测器2。可动反射镜装在被测目标上（如光刻机工作台上的反射镜），目标的移动产生激光束的频移Δf，Δf和目标速度成正比，积分就是目标走过的距离（位移或长度）。积分由信号处理单元完成。（5） 参考光路参考光路由分光镜-偏振片-光电探测器1实现，参考光路中没有任何元件移动，它测得的位移是“假位移”真噪声。噪声来自环境的扰动。信号处理单元从干涉光路的位移中扣除这一噪声。（6） 温度和空气折射率补偿单元干涉仪测量的目标位移可能长达百米，空气折射率（及改变）和长度的乘积成为激光干涉仪的最主要误差来源之一。用传感器测出温度、气压、湿度，信号处理单元计算出空气折射率引入的假位移，并从结果中扣除。（7）信号处理单元光电探测器1和2，分别把信号f1-(f2±∆f)和f1-f2的光束转化为电信号，±∆f是可动反射镜位移时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示位移的方向。电信号经放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算即可得出可动反射镜的位移量。环境温度，气压，湿度引入的折射率变化（假位移）送入计算机计算，扣除他们的影响。最后显示。相当多的应用要求计算机和应用系统通讯，实现对加工过程的闭环控制。4. 激光干涉仪的应用一般说来，激光干涉仪的主要用途是测量目标的运动状态，即目标的线性位移大小、旋转角度（滚转、俯仰和偏摆）、直线度、垂直度、两个目标在运动的平行性（度）、平面度等。无论光刻机的机台，还是数控机床的导轨（包括激光加工机床），不论是飞行物，还是静止物的热膨胀、变形，一旦需要高精度，都要用激光干涉仪测量，得到目标的运动状态。运动状态用由多个参数给出。以光刻机两维运动中的一个方向运动时为例，位移（走过的长度）、机台位移过程中的偏 转（ 角 ）、俯仰 （ 角 ）和滚转（角）都需要测出。很多类型的设备需要测量，如各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域的线性测量。图3（a）（b）（c）（d）（e）是几个应用的例子。美国LIGO激光干涉仪实验室宣称首次直接测量到了引力波(2016)，使用的仪器是激光干涉仪，单程臂长4 km。见图4。图3 激光干涉仪几个应用的例子来源：(a)(b)(c)由北京镭测科技有限公司提供，(d)(e)来自深圳市中图仪器股份有限公司网页图4 LIGO激光干涉仪来源：https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c 5. 双频激光干涉仪发展存在的问题（1）国内外单频和双频激光干涉仪的进展及问题多年来，国内外在单频和双频激光干涉仪方面进步不大，特例是双折射-塞曼双频激光器的发明。由于从国外购买的激光器不能产生大间隔的双频光，原有国内双频激光干涉仪的供应商基本停产。以前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，走在了世界前端，也解决了国内无源的重大难题。北京镭测科技有限公司的开发、纠错，终于使双折射-塞曼双频激光干涉仪实现产品化，进入先进制造全行业，特别是光刻机。北京镭测科技有限公司双折射-塞曼双频激光器达到指标：频率间隔可在1 ~ 30 MHz之间选择，功率可达1 mW。 频率差与激光功率之间没有相互影响，没有塞曼效应的双频激光器高功率和大频率差不能兼得的缺点。尽管取得进展，但氦氖激光器的制造工艺等是个系统性技术问题，需要全面改善。特别是，国外双频激光干涉仪的几家企业的激光器都是自产自用，不对外销售，因此，我们必须自己解决问题。（2）业界往往忽略干涉仪的非线性误差很长时期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。德国联邦物理技术研究院(PTB) 经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。塞曼效应的双频干涉仪也有非线性误差，也是无法消除。对此干涉仪测量误差，大多使用者是不知情的。到目前，中国计量科学院的测试得出，北京镭测科技生产的双频激光干涉仪的非线性误差在1 nm以下。建议把中国计量科学院的仪器批准为国家标准，并和德国、美国计量院作比对。非线性误差发生在半个波长的位移内，即使量程很小也照样存在。图5 中国计量科学研究院：镭测LH3000双频激光干涉仪在进行测长比对6. 双频激光干涉仪的未来挑战本文作者从事研究双折射-塞曼双频激光器起步到成批生产双折射-塞曼双频激光干涉仪，历经近40年，建议加强以下研究。（1）高测速制造业的发展很快，精密数控机床运动速度已达几m/s，有特殊应用提出达到10 m/s的要求。目前单频激光的测量速度还没有超过5 m/s。双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也处于这一水平，但其频率差的实验已经达到几十MHz，有待信号处理技术的跟进发展，实现10 m/s以上的测量速度。（2）皮米干涉仪市场上的干涉仪基本都标称分辨力1 nm，也有0.1 nm的广告。需要发展皮米分辨力的激光干涉仪以满足对原子、病毒尺度上的观测要求。（3）溯源前文已经提到，小于半波长的位移是把正弦波动信号电子细分得到标称的1 nm，和真实的1 nm相差多少？没有人知道，所以需要建立纳米、皮米的标准。作者曾做过初步努力，达到10 nm的纯光学信号，还需做长期艰苦的研究。（4）提高氦氖激光器寿命在未来很长一段时间，氦氖激光器仍然是激光干涉仪最好的光源，但其漏气的特点导致其使用寿命有限，替换寿命终结的氦氖激光器导致光刻机停机，会带来巨大经济损失。因此，延长氦氖激光器寿命十分有必要。没有测量就没有科学技术，没有精密测量就没有当今的先进制造，为此作者最近出版了题名《不创新我何用，不应用我何为：你所没有见过的激光精密测量仪器》的书籍，书的主标题似是铭志抒怀，而实际内容是一本地道的学术专著，书籍内容为作者的课题组近40年做出的创新成果总结。作者简介张书练，清华大学教授，博导。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，清华大学光学工程研究所所长，主要研究方向为激光技术与精密测量，致力于激光器特性的研究和把这些特性应用于精密测量，是国内外正交偏振激光精密测量领域的的主要创始人。

近年来，3D检测技术发展迅速，广泛应用于工业、国防、医疗、农业等领域。根据其是否应用人造光源作为照明系统，可分为主动式3D成像技术与被动式3D成像技术。无论是哪种方法，为了获得目标的高精度3D轮廓信息，都希望检测仪器具备高精度、高帧率、算法兼容性强、环境适应性强、稳定性强、操作简便、性价比高等特点，这在实际应用中，尤其在微纳米结构检测中有着重要意义。微纳米技术，是指对微纳级材料的测量、加工制造、设计、控制等相关研究技术，它与高精尖装备制造领域的发展息息相关。微纳结构测量最为基础和重要的是表面形貌的3D测量，它包括了轮廓的测量以及表面粗糙度的测量，目前常用的微结构表面形貌测量方法分为接触式和非接触式。接触式测量是目前工业领域内应用最为广泛的测量方法。这种方法在测量时有一个微小的触针，在被测样品表面上做横向移动；在这过程中触针会随着样品表面的轮廓形状垂直起伏，然后通过传感器将这微小的位移信号转换为电信号；对这些信号进行采集和运算处理后，就可以测得表面轮廓或形貌特征。测量中可以使用的传感器有很多，如光栅式、压电式、干涉式以及普遍应用的电感式。这种方法测量量程大，结果稳定可靠，并且仪器操作简单，对测量环境要求低；缺点是触针在测量时有可能会对被测表面造成损伤，且测量速度慢。非接触式测量技术大多基于光学方法，例如干涉显微法、自动聚焦法、激光干涉法等。光学测量方法具有非接触、操作简单、速度快等优点。然而在利用光学方法进行测量时，被测表面的斜率、光学参数等发生变化会引起测量误差。例如，若被测样品表面存在沟槽或其他微细结构，它们引起的散射、衍射等现象会对测量信号造成干扰。另外，若样品表面存在灰尘、细小纤维等，光学测量方法的结果也会有一定失真；而触针式方法由于测量时与样品表面接触，会划去部分表面污染物使测量结果不受影响。因此，根据不同测量要求，每种方法都有其适用性，常用的微纳结构三维测量方法如图1所示。图1：微纳结构三维测量方法接触式检测技术（1）扫描电子显微术利用物质与电子的相互作用，当电子束轰击表面时，会产生多种形式的电子和光电现象，扫描电子显微镜（SEM）利用其中的二次电子和背散射电子与表面具有的关系进行结构分析。SEM具有大视场、大倍率、大景深等优点，但其测量样品制备复杂，种类有限，常用于微结构缺陷检测等定性分析。（2）扫描探针显微术被测样品表面的相关信息利用探针与样品的相互作用特性获得，扫描探针显微镜（SPM）及其衍生而来其他测量方法，具有较高的测量分辨力，但其测量过程需要对测量表面逐点扫描，且只有微米级别成像范围，测试效率较低。（3）机械探针轮廓术探针始终与被测表面接触，被测表面结构的变化会使探针产生垂直位移，通过位移的感知即能获得被测表面特性。该方法在工业特别是制造业领域广泛使用，也是国际社会公认的表面粗糙度测量的标准方法。但是其作为接触式测量方法，容易对被测表面造成划伤，逐点测量的办法效率较低，也难以测量复杂器件。非接触式检测技术（1）激光干涉术通过干涉条纹变化与被测物位置变化的对应关系，获得位移信息，从而达到几何量测的目的。（2）自动聚焦法基于几何光学的物象共轭关系，当照明光斑汇聚在被测面时，进一步调整检测头与表面的距离，直至光斑像尺寸最小而得到该被测位置的相对高度。该方法简单易操作，但水平分辨力受光斑大小的限制较大，且垂直高分辨力对成像分析和调节能力要求高。（3）激光共焦扫描显微术首先利用精密共焦空间滤波结构，通过物象共轭关系滤除焦点外的反射光，极大地提高成像的可见度。通过聚焦光对样品垂直扫描，样品在垂直方向被分层成像，光学切片图像经三维重构，可得到样品的三维结构。该方法一次测量过程就能实现该视场三维形貌的测量，兼具高效和高精度的优点，但其分辨率易受扫描步长和物镜数值孔径的限制。（4）光学显微干涉术传统的干涉测量方法，主要是通过观测干涉条纹的位置、间距等的变化来实现精确测量。典型方法是单色光相移干涉术和白光扫描干涉术。单色光相移干涉术的测量思路为：参考臂和测量臂的反射光发生干涉后，利用相移法引入相位变化，根据该相位变化所引起的干涉光强变化，求解出每个数据点的相位，其结果不连续，位于(-p,p]之间，因此需要对该结果进行解包裹运算，然后根据高度与相位的关系，得到被测样品的表面形貌。这种方法在测量时对背景光强不敏感，测量分辨率高；但无法确定干涉条纹的零级位置和相位差的周期数，存在相位模糊问题；若被测样品表面的相邻高度超过1/4波长则不能测准，因此只能应用于对表面连续或光滑的结构的测试。白光扫描干涉法由单色光相移技术发展而来，由于使用白光作为光源，在干涉时有一个确切的零点位置，其相干长度短，干涉条纹只出现在很小的范围内；当光程差为零时，干涉信号出现最大值，该点就代表对应点的高度信息，通过Z向扫描能够还原被测样品的整体形貌。光谱分光型白光干涉由上述方法发展而来的光谱分光型白光干涉技术，则是基于频域干涉的理论，利用光谱仪将传统方法对条纹的测量转变成为对不同波长光谱的测量。包含有被测表面信息的干涉信号，由含有色散元件和阵列探测器的光谱仪接收，通过分析该频域干涉信号来实现信息获取。相比于单色光干涉技术，光谱分光型白光干涉技术具有更大的测量范围，同时与白光扫描干涉术相比，它在测量时不需要大量的Z向扫描过程，极大提高了测量效率。利用光谱分光型白光干涉技术可以测量绝对距离、位移、微结构表面形貌、薄膜厚度等。在测量微结构三维形貌时，光谱分光型白光干涉技术，比于其他方法操作更简单，测量精度更高。在微纳测量领域，为了提高光学测量系统的水平分辨率，通常采用显微物镜放大的方法。在光谱分光型白光干涉测量系统中可以采用几种显微结构，如Michelson型、Mirau型和Linnik型，图2显示了这三种显微干涉结构的构成原理。图2：三种显微干涉结构的构成原理高精度仪器设备需求不断推动着微纳米技术向前发展，因此高精度的微纳检测技术也成为了必然需求。微纳结构测量的对象有表面形貌、电子特性、材料特性、力学特性等，其中表面形貌3D测量最为基础和重要，它包括轮廓测量（如长、宽、高等）和表面粗糙度等参数的测量。对于尺寸处于微纳米量级的微纳结构器件而言，其静电力、黏附力和结构应力等因素对其本身的影响，会随着其表面积和体积之比的增大而增加，使器件的功能和质量发生变化，从而影响器件的使用。因此，对微纳结构表面形貌的检测非常必要。光谱分光型白光干涉技术，用于测量微纳米结构三维形貌的研究及其进一步产业化，填补国内空白。光谱分光型白光干涉仪（见图3）具备高精度、高帧率、算法兼容性强、环境适应性强、稳定性强、操作简便、性价比高等优点，其在新型成像/检测系统中的应用及产业化，将打破国外垄断。图3：光谱分光型白光干涉仪整机系统原理图光源是超辐射发光二极管（SLD），从光源发出的光进入光纤耦合器，从耦合器输出的光经消色差准直器准直成平行光，使用分光棱镜将准直光分为参考光和样品光。参考光经透镜3聚焦于反射镜，样品光经XY扫描振镜和透镜4，聚焦于样品。经反射的参考光和样品光由光纤耦合器的另一端输出，进入光谱仪中。光谱仪由透镜1、光栅、透镜2以及相机组成。输出的光经透镜1准直为平行光，照射到光栅上；光栅衍射分光，经透镜2汇聚于线阵相机；线阵相机记录参考光和样品光的干涉光谱，传给电脑进行处理。该系统使用振镜代替昂贵的高精密位移台进行二维扫描，可用于位移、振动及厚度测量（点测量）；线轮廓测量（线测量）；表面轮廓成像（面成像）。中科行智最新研发的白光干涉仪，用于对各种精密器件表面进行纳米级测量，专业用于超高精度、高反光及透明材质的尺寸测量。该白光干涉仪采用非接触式测量方式，避免物件受损，可进行精密零部件重点部位的表面粗糙度、微小形貌轮廓及尺寸测量。目前，在3D测量领域，白光干涉仪是精度最高的测量仪器之一。中科行智重点开发的3D飞点分光干涉仪，重复精度达30nm，扫描速度70kHz，扫描范围广，最大直径可达40mm；适应性强，可适用于测量最强反射、弱反射及透明物体等；稳定性强，分光模块与光学振镜模块化设计，加入光学振镜扫描，可替代昂贵的高精密位移台。主要特点如下：大视野：采用高精度光学振镜扫描方案，实现水平方向大视野扫描，避免使用昂贵的高精度水平位移台；大景深：高分辨率光谱仪进行信号采集，经分光元件将白光分光，具备mm级测量深度特性，无需深度方向扫描装置；高精度：大测量深度高分辨率相敏谱域干涉调解算法，重复精度30nm；高速度：采用FPGA硬件加速设计，帧率70kHz；灵活性：信号采集端和接收端分离式设计，采集端安装更灵活；用户设置自定义扫描区域、扫描间隔，也可重点获取感兴趣区域；适用性：适用于透明、弱反光、高反光、狭缝等材料类型的表面形貌以及厚度检测（见图4、图5）。目前白光干涉仪相关技术处于国际领先，苏州中科行智智能科技有限公司已发布的3D飞点分光干涉仪为国内首家，可广泛应用于半导体晶片、微机电系统、精密加工表面、材料研究等领域，为国内半导体行业及高精密行业赋能，高质量解决环节价值，可趋于替代国外高精密传感器，赋能国内高精密、高价值智能制造！

双频激光干涉仪是先进制造业、半导体芯片制造等行业不可或缺的纳米精度的尺子，应用广泛。张书练教授团队（先清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，后镭测科技有限公司），以解决双频激光干涉仪关键技术为线，经近40年坚韧攀登，研究完成了“可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双折射双频激光干涉仪”的全链条技术，并批产。该技术开国内可伐-玻璃组装式氦氖激光器之先，吹制工艺或成历史。开国内外应力激光腔镜产生双频激光之先，解大频差和高功率不可得兼之难，频率差可以在1～40 MHZ范围选择而功率大于1 mW。双折射双频激光干涉仪测量70 m长度误差小于5 μm，非线性误差小于1 nm，测量速度高于3 m。1 研究背景激光干涉仪是当今纳米时代的长度基准，也是先进制造业（机床、光刻机，航空、航天等）制造的精度保证。制造精度和生产效率越来越高，对激光干涉仪的测量精度和测量速度提出了更高的要求。激光干涉仪的“激光”是（HeNe）氦氖激光器，至今无可替代。传统HeNe双频激光干涉仪存两个难点，成为瓶颈：1）国内外，我们之前，双频激光器靠塞曼效应产生两个频率，频率之差小（在3 ~ 5 MHz之间），频差越大激光功率越小，不能满足光刻机等应用的更大频率差要求（如10、20、40 MHz），频率差大，测量速度高，效率高；2）不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是外购，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，一直没有找到解决办法。通常，在单频激光器的光增益路径上加磁场后（塞曼效应）就变成双频激光器。可是，相当长的期间，购买到的大部分单频激光器因为常出现跳模，用于单频激光干涉仪时淘汰率很高，此外，加上磁场后单频并不呈现双频，双频激光干涉仪难有好的光源。经近40年坚持，研究打通了单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪的全技术链条，批产，获得了广泛应用和认可。2 双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术2.1 双折射双频激光器置晶体石英片（图1a中的Q双面增透）或有内应力的玻璃元件(图1b中的M2右表面镀反射膜）于激光器谐振腔内，这些元件的双折射使激光频率分裂，一个频率分裂成两个频率，两个频率的偏振方向互相垂直（正交偏振）。反复实验证明，激光器可输出频率差大于但不能小于40 MHz两个频率。如果频率差稍大于40 MHz，在改变（调谐）激光频率谐振腔长（即用压电陶瓷1纳米一步“距”的推动M2改变激光谐振腔长）过程中看到的是一个频率振荡会陡然变成两个频率振荡，而前者功率陡然下降一半，刚升起的频率则获得同样的功率。继续调谐腔长，最早振荡的频率会陡然消失，而后起振的频率功率升高到最大。如果频率差小于40 MHz，两频率则有你无我。图2示出了频率差20 MHz时o光和e光的光强度此长彼消得过程。理论和实验一致。图1 激光频率分裂原理图。（a）晶体石英片Q于激光谐振腔内，（b）激光输出镜为M2右表面，对M2加力使激光反射镜内产生应力图2 频差20 MHz时的强烈模竞争。激光强度随腔长调谐（改变）的实验曲线。理论和实验一致图3给出了两个频率的频率差多大时，在频率轴上两个频率的共存区的宽度，也即两个频率差大小对应的共存频域宽度。曲线最左侧可见，在约40 MHz时，共存宽度迅速下降趋于0 Hz，也即小于40 MHz时，两频率之一熄灭，频率差消失。图3 实验测得的两个频率共存的频域宽度和激光频率差的关系2.2 双折射-塞曼双频激光器塞曼双频激光器的频率差一般在5 MHz以下，功率随频率差增大而减小，7 MHz时的激光功率仅0.2 mW以下。作者团队研发的双折射双频激光器频率差大于40 MHz，研制成的双折射-塞曼双频激光器可以输出百KHz到几十MHz的频率差，而功率不因频率差增大而改变，可以达到1.5 mW。双折射-塞曼双频激光器包括两项关键技术，先由双折射造成激光器频率分裂，决定了激光器输出为两个偏振正交频率以及它们的间隔（频率差）的大小。再因激光器上加了横向磁场，横向塞曼效应使增益原子分成两群——π群和σ群。π群和σ群光子的偏振对应双折射互相垂直的主方向，也即正交偏振的光“各吃各粮”，它们之间的相互竞争不存在了，无论频率差大小都能振荡。频率差可以是3、5、7、10、20、40 MHz或更大。2.3 内雕应力双折射-塞曼双频激光器提出了“内雕应力”的概念和产生双频的原理，即用窄脉冲激光器对激光腔镜表面或基片内部造孔（或穴），造成激光腔镜内的应力精确改变（图4所示），“雕刻”提高了频率差的控制精度。“内雕应力”双折射双频激光器不仅用于国产双频激光干涉仪，也用于运行中的光刻机的激光器替换。同时，提供了科研单位的科学研究。该激光器替换正在服役的光刻机的原有激光器，使光刻机机台误差由24 nm下降到6 nm。图4 内雕应力双折射-塞曼双频激光器。M2内部雕刻出的孔造成激光器的双频，磁条PMF1和PMF2消除激光器强模竞争2.4 可伐-玻璃组装式（无吹制）双频激光器国内，研制生产HeNe激光器历史很长，但我国一直靠吹制工艺制造氦氖激光器，而且不能制造可伐-玻璃组装式氦氖激光器。北京镭测科技有限公司研制成可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器，功率大于1 mW，满足单频和双频激光器的需求。同时，这一技术将使整个国产氦氖激光器告别吹制，进入一个新的技术高度（如图5所示）。图5 可伐-玻璃组装内雕应力双频激光器（镭测科技提供）2.5 研制成的双频激光干涉仪技术指标作者强调的是，我们有了可伐-玻璃组装式激光器和双折射（内应力）-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪有了强力的“心脏”，有了自主可控的基础。团队又全面设计干涉仪的光、机、电、算。时至今日，可伐-玻璃组装式双折射（-塞曼）双频激光器（非吹制）和干涉仪已批量生产，正在满足科学研究和产业的需求。中国计量科学院对双折射-塞曼双频激光干涉仪的测试结果：频率稳定度为10-8，分辨力为1 nm，非线性误差小于1 nm（图6所示），12小时漂移35 nm（图7所示）,70 m长度测量误差小于5 μm。这些数据来自中国计量科学院测试证书：CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。图6 双频激光干涉仪非线性误差图7 双折射-塞曼双频激光干涉仪12小时零点漂移3 展望在实现“可伐-玻璃组装式激光器”→“内雕应力双折射-塞曼双频激光器”→“双折射-塞曼双频激光干涉仪”全链条技术基础上，进一步发展各种规格的可伐-玻璃组装式激光器，以开拓双折射-塞曼双频激光干涉仪的应用深度和应用范围。

激光外差干涉技术在光刻机中的应用 张志平*，杨晓峰 复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203摘要 超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。关键词 光刻机；外差干涉；双频激光干涉仪；平面光栅1 引言集成电路产业是国家经济发展的战略性、基础性产业之一，而光刻机则被誉为集成电路产业皇冠上的明珠［1］。作为光刻机三大指标之一的套刻精度，是指芯片当中上下相邻两层电路图形的位置偏差。套刻精度必须小于特征图形的1/3，比如14 nm节点光刻机的套刻精度要求小于5.7 nm。影响套刻精度的重要因素是工件台的定位精度，而工件台定位精度确定的前提则是超精密位移测量反馈，因此超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一［2-4］。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对位置测量精度的需求也不断提高；同时，为了满足光刻机产率不断提升的需要，掩模台扫描速度也在不断提高，甚至达到 3 m/s 以上；此外，为了满足大尺寸平板显示领域的需求，光刻机工件台的尺寸和行程越 来越大，最大已达到 1. 8 m×1. 5 m；最后，为了获得工件台和掩模台良好的同步性能，光刻机还要求位置测量系统具备多轴同步测量的功能，采样同步不确定性优于纳秒级别［5-8］。 综上，光刻机要求位置测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程、数米每秒测量速度、闭环反馈以及多轴同步等特性。目前，在精密测量领域能同时满足上述测量要求的，只有外差干涉测量技术。 本文分别介绍外差干涉测量技术原理及其两 种具体结构——双频激光干涉仪和平面光栅测量系统，以及外差干涉技术在光刻机中的典型应用。 2 外差干涉原理 2. 1 拍频现象 外差干涉又称为双频干涉或者交流干涉，是利用“拍频”现象，在单频干涉的基础上发展而来的一 种干涉测量技术。 假设两列波的方程为 x1 = A cos ω1 t ， （1） x2 = A cos ω2 t 。 （2） 叠加后可表示为（3）拍频定义为单位时间内合振动振幅强弱变化 的次数，即 v =| (ω2 - ω1)/2π |=| v 2 - v 1 | 。 （4） 波 x1、x2 以及合成后的波 x 如图 1 所示，其中包 络线的频率即为拍频，也称为外差频率。如果其中一个正弦波的相位发生变化，拍频信号的相位会发生完全相同的变化，即外差拍频信号将完整保留原始信号的相位信息。 图 1. 拍频示意图Fig. 1. Beat frequency diagram对于激光而言，因为频率很高（通常为 1014 Hz 量级），目前的光电探测器无法响应，但可以探测到两束频率相近的激光产生的拍频（几兆到几十兆赫兹）。因此拍频被应用到激光领域，发展成激光外差干涉技术。2. 2 外差干涉技术 由拍频原理可知 ，所谓外差就是将要接收的信号调制在一个已知频率信号上，在接收端再将该调制信号进行解调。由于高频率的激光信号相位变化难以精确测量，但利用外差干涉技术可以用低频拍频信号把高频信号的 相位变化解调出来，将大大降低后续精确鉴相的难度。因此，外差技术最显著的特点就是信号以交流的方式进行传输和处理。 与单频干涉技术相比，外差干涉技术的突出优点是：1）由于被测对象的相位信息是加载在稳定的差频（通常几兆到几十兆赫兹）上，因此光电探测时避过了低频噪声区，提高了光电信号的信噪比。例如在外界干扰下，测量光束光强衰减 50% 时，单频干涉仪很难正常工作，而外差干涉仪在光强衰减 90% 时仍能正常工作 ，因此更适用于工业现场 。 2）外差干涉可以根据差频信号的增减直接判别运动方向，而单频干涉技术则需要复杂的鉴相系统来 判别运动方向。单频干涉技术与外差干涉技术对比如表 1 所示。表 1. 单频干涉技术与外差干涉技术对比Table 1. Comparison between homodyne interferometry and heterodyne interferometry3双频激光干涉仪 3. 1 双频激光干涉仪原理 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上结合外差干涉技术发展起来的，其原理如图 2 所 示。双频激光器发出两列偏振态正交的具有不同频率的线偏振光，经过偏振分光器后光束被分离。 图 2. 双频激光干涉仪原理图Fig. 2. Schematic diagram of dual frequency laser interferometer设两束激光的波动方程为 E1 = E R1 cos ( 2πf1 t ) E2 = E R2 cos ( 2πf2 t ) ， （5） 式中：ER1和 ER2为振幅；f1和 f2为频率。 偏振态平行于纸面的频率为 f1 的光束透过干涉仪后，被目标镜反射回干涉仪。当被测目标镜移动时，产生多普勒效应，返回光束的频率变为 f1 ± Δf， Δf 为多普勒偏移量，它包含被测目标镜的位移信息。经过干涉镜后，与频率为 f2 的参考光束会合，会合后光束发生拍频，其光强 IM函数为 （6） 式（6）包含一个直流量和一个交流量，经光电探测器转换为电信号，再进行放大整形后，去除直流量，将交 流量转换为一组频率为 f1 ± Δf- f2的脉冲信号。从双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的脉冲信 号，作为后续电路处理的基准信号。测试板卡采用减法器通过对两列信号的相减，得到由于被测目标 镜的位移引起的多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为 （7） 式中：λ 为激光的波长；N 为干涉的条纹数。因此， 只要测得条纹数，就可以计算出被测物体的位移。 3. 2 系统误差分析 双频激光干涉仪的系统误差大致由三部分组成：仪器误差、几何误差以及环境误差，如表 2 所示。 三种误差中，仪器误差可控制在 2 nm 以内；几何误 差可以通过测校进行动态补偿，残差可控制在几纳米以内；环境误差的影响最大，通常可达几十纳米到几微米量级，与测量区域的环境参数（温度、压 力、湿度等）有关，与量程几乎成正比，因此大量程测量时，需要对环境参数进行控制。 表 2. 双频激光干涉仪系统误差分解Table 2. System error of dual frequency laser interferometer4 平面光栅测量系统 双频激光干涉仪在大量程测量时，精度容易受 温度、压力、湿度等环境因素影响，研究者们同样基于外差干涉原理研发了平面光栅测量系统，可克服双频激光干涉仪的这一缺点。 4. 1 基于外差干涉的光栅测量原理 众所周知 ，常规的光栅测量是基于叠栅条纹的，具有信号对比度差、精度不高的缺点。基于外差干涉的光栅测量原理如图 3 所示，双频激光器发出频率 f1 和 f2 的线偏振光，垂直入射到被测光栅表面，分别进行+1 级和−1 级衍射，衍射光经过角锥反射镜后再次入射至被测光栅表面进行二次衍射， 然后会合并沿垂直于光栅表面的方向返回。由于被测光栅与光栅干涉仪发生了相对运动，因此，返回的激光频率变成了 f1 ± Δf和 f2 ∓ Δf，其中 Δf为多 普勒频移量，它包含被测目标镜的位移信息。 图 3. 基于外差干涉的光栅测量原理Fig. 3. Principle of grating measurement based on heterodyne interference会合后的光束 f1 ± Δf 和 f2 ∓ Δf 发生拍频，其频率为 ( f1 ± Δf ) - ( f2 ∓ Δf ) = ( f1 - f2 ) ± 2Δf。（8） 式（8）的信号与双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的 参考信号相减，得到多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为（9） 式中 ：p 为光栅的栅距 ；N 为干涉的条纹数 。 因此，只要测得条纹数 ，就可以计算出被测物体的位移。 上述原理推导是基于一维光栅刻线的，只能测量一维运动。为了获得二维测量，只需将光栅的刻线由一维变成二维（即平面）即可。 4. 2 两种测量系统优缺点对比 由此可知，基于外差干涉的光栅测量原理与双频激光干涉仪几乎完全相同，主要的差别是被测对象由反射镜换成了衍射光栅。两种测量系统的优缺点如表 3 所示。表 3. 双频激光干涉仪与光栅测量系统对比Table 3. Dual frequency laser interferometer versus gratingmeasurement system5外差干涉测量在光刻机中的应用 发展至今，面向 28 nm 及以下技术节点的步进扫描投影式光刻机已成为集成电路制造的主流光刻机。作为光刻机的核心子系统之一的超精密工件台和掩模台，直接影响着光刻机的关键尺寸、套刻精度、产率等指标。而工件台和掩模台要求具有高速、高加速度、大行程、超精密、六自由度（x、y 大 行程平动，z 微小平动，θx、θy、θz微小转动）等运动特点，而实现这些运动特点的前提是超精密位移测量反馈。因此，基于外差干涉技术的超精密位移测量子系统已经成为光刻机不可或缺的组成部分。 4. 光刻机中的多轴双频激光干涉仪［10］Fig. 4. Multi-axis dual frequency laser interferometer in lithography machine[10]图 4 为典型的基于多轴双频激光干涉仪的光刻机工件台系统测量方案［10］，在掩模台和硅片台的侧面布置多个多轴激光干涉仪，对应地在掩模台和硅 片台上安装长反射镜；通过多个激光干涉仪的读数解算出掩模台和硅片台的六自由度位移。 然而，随着测量精度、测量行程、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪由于测量精度易受环境影响、长反射镜增加运动台质量致使动态性能差等问题难以满足日益提升的测量需求。因 此，同样基于外差干涉技术的平面光栅测量系统成为了另一种选择［8］。 光刻机工件台平面光栅测量技术首先由世界光刻机制造巨头 ASML 公司取得突破。该公司于 2008 年 推 出 的 Twinscan NXT：1950i 浸 没 式 光 刻机，采用了平面光栅测量技术对 2 个工件台的六自 由度位置进行精密测量。如图 5 所示，该方案在主基板的下方布置 8 块大面积高精度平面光 栅（约 400 mm×400 mm），在两个工件台上分别布置 4 个 平面光栅读数头（光栅干涉仪），当工件台相对于平 面光栅运动时，平面光栅读数头即可测出工件台的 运动位移［2，5，9］。图 5. ASML 光刻机的平面光栅测量方案［2，5，9］Fig. 5. Plane grating measurement scheme of ASML lithography machine[2,5,9]相比多轴双频激光干涉仪测量方案，平面光栅测量方案具有以下优点：1）测量光路短（通常小于 20 mm），因此测量重复精度和稳定性对环境变化不 敏感；2）工件台上无需长反射镜，因此质量更轻、动态性能更好。 然而，平面光栅测量方案也有其缺点：1）大面积高精度光栅制造难度太大；2）由式（9）可知，位移 测量结果以栅距 p 为基准，然而受栅距均匀性限制， 测量绝对精度不高。为了获得较好的精度和线性度，往往需要利用双频激光干涉仪进行标定。 面临极端测量需求的挑战 ，Nikon 公 司 在 NSR620D 光刻机中采用了平面光栅和双频激光干涉仪混合测量的技术方案［9］，如图 6 所示。该方案 将平面光栅安装在工件台上表面，而将光栅读数头安装在主基板下表面，同时增加了双频激光干涉仪，结合了平面光栅测量系统和双频激光干涉仪的 优点。在读头与读头切换时采用双频激光干涉仪进行在线校准。 图 6. Nikon光刻机混合测量方案［9］Fig. 6. Hybrid measurement scheme of Nikon lithography machine [9]6激光外差干涉系统的发展趋势 无论是双频激光干涉仪还是平面光栅测量系统，要想获得纳米级测量精度，既需要提高测量系统本身的精度，更需要从使用的角度努力，即“三分 靠做，七分靠用”。 就激光外差干涉测量系统本身而言，误差源主要来自于光学非线性误差。在外差干涉测量系统 中，由于光源及光路传输过程各光学器件性能不理想或装调有偏差，会带来两个频率的光混叠现象， 即原本作为测量信号频率 f1（或 f2）的光中混杂了频 率 f2（或 f1）的光，或原本作为参考信号频率 f2（或 f1） 的光中混杂了频率 f1（或 f2）的光。在信号处理中该混叠的频率信号会产生周期性的光学非线性误差。尽管目前主流的双频激光干涉仪厂家已经将非线性误差控制在 2 nm 以内［10- 12］，但应用于 28 nm 以下光刻机时仍然需要进一步控制该误差。国内外众多学者从非线性误差来源、检测和补偿等角度出发，进行了大量研究并取得了丰硕成果［13- 17］。这些成果有望对非线性误差的动态补偿提供理论支持。 从应用角度，研究热点主要集中在应用拓展、 安装误差及其测校算法、环境参数控制及其补偿方法研究等方面。在应用拓展方面，激光外差干涉技术除了应用于测长之外，还在小角度测量、直线度、平面度、反馈测量等方面取得了应用［18- 20］。在安装误差和环境误差补偿算法方面，主要聚焦于多自由度解耦算法、大气扰动补偿等研究方向［4，21- 27］。 7 总结 阐述了光刻机对位移测量系统大量程、亚纳米 分辨率、纳米精度、高测速及多轴同步的苛刻要求。 概述了激光外差干涉技术原理，指出目前为止，激光外差干涉技术是唯一能满足光刻机上述要求的超精密位移测量技术。并综述了两种基于激光外差干涉技术的测量系统：双频激光干涉仪和平面光栅测量系统。总结了这两种位移测量系统在光刻机中的典型应用，以及激光外差干涉技术的当前研究热点和发展趋势。全文详见：激光外差干涉技术在光刻机中的应用.pdf

激光干涉测量助力空天探索 在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，作为人类观测宇宙的新窗口，引力波将为人类探索早期黑洞合并、超新星爆发等宇宙结构形成过程提供观测手段，对探索宇宙起源与演化具有重要的意义。为了探测中低频段的空间引力波，国内外研究人员计划在相距数十万乃至数百万千米的空间轨道上建立超高灵敏度星间激光干涉系统，该方法的本质是将现有的激光干涉超精密测量技术应用到外太空去，突破地面探测臂长的限制，摆脱地面各种干扰源对精密测量的影响。其关键技术是测量相距数百万公里的两个测试质量之间的间距变化，主要包括：测试质量与卫星平台之间的间距变化、两个卫星平台之间的间距变化，前者涉及到测试质量的多个自由度精密检测，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2（平动）以及~1 nrad/Hz1/2（转动）水平。揭秘空间引力波探测的原理 空间引力波探测任务需要实现对测试质量皮米量级的平动测量以及纳弧度量级的转动测量，关键技术单元包括：激光外差干涉、差分波前传感以及高精度相位测量三部分，如图1所示，通过测量两测试质量之间的平动转动，获得其间距变化信息，从而探测引力波信号。图1面向空间引力波探测的激光外差干涉多自由度超精密测量技术示意图激光外差干涉 激光外差干涉测量原理如图2所示，频率相近的两束激光（测量光频率f1，参考光频率f2）合束后，合成波（频率为f1+f2）会存在一个包络，其频率为|f1-f2|，这一包络频率也被称为外差频率。 当测试质量在沿测量光传播方向上运动状态改变、或者引力波来临时，干涉仪的测量臂光程发生变化，表现为外差干涉信号的相位波动，即图2中紫色虚线部分。以经典迈克尔逊干涉结构为例，外差干涉信号相位的一个周期变化对应位移变化半波长（光程变化一个波长），有 其中，λ为激光输出波长，L为测试质量的等效位移，φ为外差干涉信号的相位变化。图2 激光外差干涉原理示意图差分波前传感 差分波前传感是一种基于激光波前相位比较的高精度角度测量方法，测量原理如图3所示。测量光与参考光合束后入射至四象限探测器表面，两束光满足干涉条件产生外差干涉信号，照射在探测器四个象限后会分别产生四路干涉信号。当测量目标平动时，四路外差干涉信号相位发生相应波动，与采用普通光电探测器的原理相一致；当测量目标转动时，测量光的波前相对参考光发生偏离，由于四象限探测器具有一定的空间间距，导致四路外差干涉信号的相位波动并不相同，通过对比不同象限的干涉信号相位差异，可以反演得到测量目标在水平方向和竖直方向上的转动角度，有 其中，θh为水平转动角，θv为垂直转动角 ФA/B/C/D为不同象限的外差干涉信号相位变化 kh/v为比例系数，由光束参数以及四象限探测器的几何参数共同决定，实验中常用偏摆镜配合自准直仪进行标定。图3 差分波前传感和四通道拍频信号波形示意图高精度相位测量 高精度相位测量可以通过锁相放大器或者相位计来实现，其基本原理如图4所示，外差干涉信号转化为电信号后与本地时钟（或外部参考）及其正交信号混频，低通滤波后分别得到Q信号（quadrature）和I信号（in-phase），计算I/Q反正切值并作相位解包裹运算得到相位差，Q信号作为相位误差信号反馈至本地可调时钟，更新本地时钟输出频率从而保持与输入外差干涉信号频率一致，形成锁相环路。图4 相位测量基本原理[1]国内外干涉仪研究进展LISA LISA （Laser Interferometer Space Antenna）是于1992年发起的一项探测1 mHz~1 Hz频段引力波信号的科学研究计划，这是最早开始、也是目前国际上发展最成熟的空间引力波探测计划，其中一项关键技术是实现测试质量的超高灵敏度多自由度测量。 2012年，德国汉诺威大学的Marina Dehne等人设计搭建了一套用于验证测试质量干涉仪噪声源及其消除技术的激光外差干涉测量系统，分析了多个噪声源（激光频率、激光强度、激光指向漂移、温度、偏振态、移频驱动边带、杂散光等）对相位读出的影响，并研究了多种噪声消减数据处理方法，在空间引力波探测目标频段成功实现了~1 pm/Hz1/2的超精密位移测量。 图5给出了LISA激光干涉平动转动测量技术发展时间线，该计划从提出开始，经历地面模拟论证、噪声源探索、技术卫星验证、光路布局优化测试等，距今已经开展了三十余年，其中用于测试质量多自由度测量的激光外差干涉技术灵敏度已经突破1 pm/Hz1/2和1 nrad/Hz1/2。目前光学干涉平台布局处于优化设计阶段，激光外差干涉超精密测量技术是否能够实现百万公里距离的两测试质量之间的皮米级平动测量并成功探测到宇宙深处的引力波，这仍然需要时间来给出答案。图5 激光干涉平动转动测量技术发展时间线(LISA)太极&天琴 2008年，我国科学家开始探讨中国的空间引力波探测计划，并于2012年正式成立了空间引力波探测工作组，2014年提出基于“日心”轨道和“地心”轨道两个独立的探测方案，即太极计划和天琴计划[2-3]。目前两者均形成了较为完备的星间激光干涉测量方案。 同LISA一样，太极和天琴于2019年分别发射了太极一号和天琴一号技术验证卫星，所搭载的光学干涉平台如图6所示，前者采用殷钢材料制作光学干涉平台基座、后者则采用光粘的方式来提高干涉装置的热稳定性，两者都包含有前端光程参考干涉仪和测试质量测量干涉仪。测试实验最新结果表明，空间激光干涉仪可以实现毫赫兹频段皮米量级的超精密位移测量，标志着我国在空间引力波探测中用于测试质量的激光外差干涉测量技术研究正逐渐走向国际前列。图6 我国空间引力波探测技术验证卫星激光干涉平台（a）太极一号[2]（b）天琴一号[4] 其他 2021年，美国德州农工大学提出了一种一体式外差干涉仪，将分光镜波片等关键镜组胶粘成一个整体，提升干涉仪稳定性，并通过抽真空、被动控温、噪声建模消减等措施最终实现了33 pm/Hz1/2@0.1 Hz的平动测量。 2022年，清华大学谈宜东团队提出了一种用于测试质量五自由度测量的偏振复用双光束干涉仪，光路设计如图7所示，包含参考干涉仪（RHI）、双光束干涉仪（DBHI）和偏振复用干涉仪（PMHI），初步实验在10 mHz~1 Hz频段实现了优于10 pm/Hz1/2 以及20 nrad/Hz1/2的平动转动灵敏度测量。图7 偏振复用双光束激光外差干涉五自由度测量系统星辰宇宙，未来可期 “此曲只应天上有，人间难得几回闻”，如果说引力波是携带着浩瀚宇宙信息的乐曲，那么激光干涉超精密测试技术就是用来“听曲”的最灵敏的传声筒。在空间引力波探测领域，我国的激光外差干涉多自由度超精密测量技术相比于欧美LISA团队仍处于跟跑阶段，但未来有希望实现并跑甚至领跑。而且，空间引力波探测中涉及的外差干涉技术，可以对长度量进行高精度、大量程的超精密测量，可扩展应用于下一代高速、超精密二维或三维运动台的精确定位与运动控制，进而支撑我国超精密加工制造、IC 装备及尖端航空航天科技的发展，对于国民经济和工业建设有着重要的实际意义[5]。全文下载：空间引力波探测中的激光干涉多自由度测量技术.pdf参考文献：[1]Schwarze T S.Phase extraction for laser interferometry in space: phase readout schemes and optical testing[D]. Hannover: Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover, 2018.[2] Luo Z R, Wang Y, Wu Y L, et al. The Taiji program: A concise overview[J]. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2021(5), 05A108.[3] Luo J, Chen L S, Duan H Z, et al. TianQin: a space-borne gravitational wave detector[J]. Classical & Quantum Gravity, 2015, 33(3): 035010.[4]Luo J, Bai Y Z, Cai L, et al. The first round result from the TianQin-1 satellite[J]. Classical and Quantum Gravity, 2020, 37(18): 185013.[5] 谈宜东, 徐欣, 张书练. 激光干涉精密测量与应用.中国激光,2021,48(15) : 1504001.作者简介 谈宜东，清华大学精密仪器系，长聘副教授，博士生导师，副系主任；基金委优秀青年科学基金获得者，英国皇家学会牛顿高级学者，教育部创新团队负责人。中国电子信息行业联合会光电产业委员会副会长、中国仪器仪表学会机械量测试仪器分会常务理事。 主要从事激光技术和精密测量应用等方面的研究工作。作为负责人承担国家自然科学基金，装发和科工局测试仪器领域关键技术攻关项目，科技部重点研发计划课题，军科委基础加强，重大科学仪器专项等项目40余项。在Nature Communications, PhotoniX, Optica, Bioelectronics and Biosensors, IEEE Transactions on Industrial Electronics等期刊发表 SCI 论文 100余篇，授权发明专利36项，在国际会议Keynote/Plenary/Invited报告40余次。先后获日内瓦国际发明展金奖，中国激光杂志社主编推荐奖，中国光学工程学会技术发明一等奖，中国电子学会技术发明一、二等奖多项。课题组介绍 清华大学精密仪器系激光技术与精密测量应用课题组，在激光器件及其物理效应、精密测量应用等方面开展了大量的工作，构成了从基础器件的设计和发明，到物理现象和效应的发现，进而在发现基础上的仪器发明，直至仪器的推广和应用这一较为完整的体系。先后研制了双折射-塞曼双频激光器及其双频激光干涉仪，实现了成果转化，成规模应用于国家02专项以及中芯国际、吉顺芯等公司进口光刻机干涉仪的替换；基于激光回馈原理的无靶镜纳米测量干涉仪，用于国家多个重点型号工程，包括：高分四号、一号以及激光聚变点火等。课题组还开展了远距离激光侦听、激光回馈调频连续波绝对测距、生化检测、pm量级灵敏度的激光干涉超精密测量技术(引力波专项)等研究。

由中国科学院西安光学精密机械研究所承担研制，曾为我国首次探月工程做出突出贡献的嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪和CCD立体相机，于5月25日在西安通过了中国科学院西安分院组织的成果鉴定。　　以中科院国家天文台李春来研究员为组长的专家鉴定委员会认为，嫦娥一号探月卫星干涉成像光谱仪采用干涉光谱成像技术，在国际上首次对月球成功实施了可见-近红外宽谱段连续光谱及光谱图像探测，是国内首台成功应用的星载干涉成像光谱仪 该仪器具有很高的信噪比(S/N)与调制传递函数(MTF)，是一台集光、机、电、算为一体的高端光学遥感设备 该项目在“行平场”、“不同光谱仪的对比方法”、“干涉仪胶合时剪切量的精密控制”以及“具有特色的付氏光学系统设计”方面形成一批自主知识产权，申请发明专利四项，已授权三项 该仪器成功应用于嫦娥一号探月卫星，获取了全月面79%区域清晰的多光谱图像，是国际上第一次获取480nm-960nm范围的32谱段的连续光谱和图像，为月球科学家研究月表物质成份提供了具有自主知识产权的原生信息源，并产生了大量的应用成果。　　以杨元喜院士为组长的专家鉴定委员会认为，嫦娥一号卫星CCD立体相机优化集成了光、机、电等高新技术，确保了月面高精度成像和摄影测量，获得了与国外现有月球图像相比更为清晰、层次更加丰富的全月面图像 该相机采用广角、远心、消畸变光学系统及带有掩模板的面阵CCD立体成像等技术，有效减小了附加曝光影响、系统体积及定标压力 相机的立体成像系统具有高的信噪比(S/N)与调制传递函数(MTF) CCD立体相机已经成功应用于嫦娥一号探月卫星工程，申请发明专利2项(公开中)，授权实用新型1项，为月球科学家研究月球的地形地貌与地质学构造提供了具有自主知识产权的原生信息源，产生了大量的应用成果。　　鉴定委员会认为，嫦娥一号探月卫星干涉成像光谱仪和CCD立体相机总体水平为国际先进，并建议这些技术在国防、民用及深空探测等领域进一步推广应用。

近年来，研究人员和业内主要厂商已将研发重心转向微型化、便携式且低成本的光谱仪系统，使之可以在日常生活中实现现场、实时和原位光谱分析的许多新兴应用。然而，受到过度简化的光学设计和紧凑型架构的机械限制，微型光谱仪系统的实际光谱识别性能通常远低于台式光谱仪系统。如今，克服这些限制的一种策略便是在光子方法学中引入深度学习（DL）进行数据处理。据麦姆斯咨询报道，近日，美国纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo，the State University of New York）与沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science & Technology）的联合科研团队在Nature Communications期刊上发表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”为主题的论文。该论文第一作者为Dylan Tua，通讯作者为甘巧强（Qiaoqiang Gan）教授。在这项研究工作中，研究人员开发了一种紧凑型等离子体“彩虹（rainbow）”芯片，能够实现快速、准确的双功能传感，其性能可在特定条件下超越传统的便携式光谱仪。其中的分光纳米结构由一维或二维的梯度金属光栅构成。该紧凑型等离子体光谱仪利用普通相机拍摄的单幅图像，即可精确地获得照明光源光谱的光谱信息和偏振信息。在经过适当训练的深度学习算法的辅助下，研究人员仅用单幅图像就能表征葡萄糖溶液在可见光光谱范围内的双峰和三峰窄带照明下的旋光色散（ORD）特性。该微型光谱仪具有与智能手机和芯片实验室（lab-on-a-chip）系统集成的潜力，为原位分析应用提供新的可能。研究人员利用彩虹捕获效应（rainbow trapping effect）来开发片上光谱仪系统。图1展示了该研究工作所提出的片上光谱仪和一维彩虹芯片的设计原理。如图1a所示，该光谱仪利用等离子体啁啾光栅实现分光功能。这种表面光栅几何形状的逐渐变化，导致了局部等离子体共振的空间调谐（即为光捕获“彩虹”存储）。如图1b所示，研究人员采用聚焦离子束铣削技术，在300 nm的银（Ag）薄膜上制备了啁啾光栅。当白光垂直入射时，通过简单的反射显微镜系统（如图1c），就可以观察到明显的“彩虹”色图像，如图1d的顶部所示，该现象源于光栅引发的等离子体共振。图1 片上光谱仪的等离子体啁啾光栅根据这些空间模式图像，可以建立共振模式与入射波长一一对应的关系，这是片上光谱仪的基础。因此，研究人员探讨了该光谱仪对任意光谱特征的空间分辨能力。通过深度学习辅助的数据处理和重建方法，研究人员利用这种分光功能可以构建用于光学集成的智能化、微型化光谱仪平台。具体而言，研究人员提出了基于深度学习的智能彩虹等离子体光谱仪概念，并构建了带有等离子体啁啾光栅的光谱仪示例，如图2所示。该光谱仪利用深度神经网络预测了所测量的共振模式图像中的未知入射光光谱，而无需使用传统的线性响应函数模型。实验中的光谱仪架构如图2a所示。智能光谱仪主要由三部分构成：空间模式、预训练神经网络以及对应的波长。图2 基于深度学习的数据重建光谱分辨率是评价传统光谱仪性能的重要参数之一。因此，研究人员对该光谱仪的分辨率做了详细测试，测试结果如图3所示。图3 智能等离子体光谱仪的分辨率以上初步测试数据表明，智能彩虹芯片光谱仪具有实现高分辨率光谱分析的潜力，其性能可与传统台式光谱仪相媲美。随后，研究人员将一维光栅扩展到二维，以利用紧凑型智能等离子体光谱仪实现偏振光谱的测定，其性能超越了传统的光学光谱仪系统。同时，研究人员展示了等离子体彩虹芯片光谱仪可以引入简化、紧凑且智能的光谱偏振系统，具有准确且快速的光谱分析能力。图4a为具有梯度几何参数的二维光栅。图4 用于测定偏振光谱的二维啁啾光栅接着，研究人员利用该二维偏振光谱仪芯片对旋光色散进行了简单而智能的表征。图5a为传统的旋光色散系统测量由物质引起的旋光度随入射波长的函数变化。最后，研究人员展示了将二维光栅作为光谱偏振系统，并介绍了用于葡萄糖传感应用的示例。图5 更简单、准确且智能的光谱偏振分析综上所述，本研究中提出了一种集成了片上彩虹捕获效应与紧凑型光学成像系统的智能芯片级光谱仪。研究结果表明，该等离子体芯片可以在可见光光谱（470 nm - 740 nm）范围内区分不同的照明峰值。该芯片充分利用其波长敏感结构，能够根据照明光谱峰值显示不同的等离子体共振模式。随后将芯片扩展到二维结构，共振模式的复杂性增加，从而在入射光偏振方面提供更多信息。通过使用片上共振模式的空间和强度分布图像来训练深度学习算法，研究人员在同一系统内分别实现了光谱分析和偏振分析。随后，研究人员利用一种将旋光引入透射光的手性物质（即葡萄糖），证明了所提出光谱仪在旋光色散传感方面的可行性，旋光色散是一种有助于手性物质检测和定量的偏振特异性特征。深度学习模型的分析表明，该算法能够基于等离子体芯片的共振模式准确预测葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式时，这种性能也得到了保留。这种由深度学习支持的基于图像的光谱仪能够通过利用纳米光子平台的单幅图像同时进行光谱分析和偏振分析。因此，该光谱仪标志着在单一紧凑型且轻量化设计中实现了高性能的光谱偏振分析，为深度光学和光子学在医疗保健监测、食品安全传感、环境污染检测、药物滥用传感以及法医分析等领域的应用赋能。这项研究获得了沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程部的科研基金（BAS/1/1415-01-01）和NTGC-AI项目（REI/1/5232-01-01）的资助和支持。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "Seeing is believing，光学显微镜自1590年由荷兰詹森父子创制伊始，即成为生命科学最重要的研究工具之一。进入21世纪，借助荧光分子，科学家将光学显微镜的分辨率提高了一个数量级，由约一半光波波长（250 nm）拓展至几十纳米，并兴起了超高分辨荧光成像技术，用于“看到”精细的亚细胞结构和生物大分子定位，相关工作荣膺2014年诺贝尔化学奖。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "9月9日，Nature Methods杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所徐涛院士研究组与科学研究平台纪伟正高级工程师研发团队合作研究论文，题为“Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure”，为超高分辨光学显微镜家族再添新成员，使显微镜分辨率进一步被突破。该工作提出了一种基于激光干涉条纹定位成像的新技术，并据此研制出新型单分子干涉定位显微镜（Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE），将荧光显微镜分辨率提升至3 nm以内的分子尺度，单分子定位精度接近1 nm，可以分辨点距为5 nm的DNA origami（DNA 折纸）结构。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 226px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/bcbdc347-2f8b-464e-9014-787a341c1e21.jpg" title="徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt="徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" width="450" height="226" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong图1 左侧，传统质心拟合定位方法，右侧，ROSE干涉定位方法/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "所谓干涉定位，是指采用不同方向和相位的激光干涉条纹激发荧光分子，荧光分子的发光强度与其所处条纹的相位有关，该技术即是通过荧光分子强度与干涉条纹的相位关系，来确定荧光分子的精确位置。为降低单分子发光时的闪烁和漂白对亮度和定位精度产生的不良影响，研发团队对显微镜光路进行了创造性地设计，分别为：基于电光调制器的干涉条纹快速切换激发光路，基于谐振振镜扫描的6组共轭成像光路，两种光路的同步实现了高达8 kHz的分时成像，确保在相机的单次曝光时间里把每个单分子发光状态均匀分配给6个干涉条纹，有效避免了荧光分子发光能力波动对定位精度的干扰。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "研发团队利用该技术对不同荧光位点间距的DNA origami阵列进行验证测试，证明干涉成像分辨率达到了3 nm的分子水平，可以解析5 nm的DNA origami阵列。后续的功能性实验结果显示，该技术在免疫标记的微管、CCP（clathrin coated pits，网格蛋白有被小窝）以及较致密的细胞骨架成像时展现出良好性能，该技术将为进一步解析精细亚细胞的组分和生物大分子的纳米结构提供有力工具。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 311px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/45780611-1a95-4748-a74e-d777d33bd780.jpg" title="分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt="分子尺度分辨率光学成像.jpg" width="450" height="311" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong图2左侧，不同荧光位点间距的DNA origami成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。右侧，鬼笔环肽标记的微丝成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "徐涛院士领衔的仪器研发团队近年来致力于显微成像仪器设备和技术方法的研究和开发，先后研制出偏振单分子干涉成像、冷冻单分子定位成像以及超分辨光电融合成像系统，开发了新的超分辨显微成像算法、探针和技术，申请有多项发明专利，上述成果被广泛应用于细胞生物学相关研究，支撑团队与合作者在该领域取得了系统性成果产出。纪伟正高级工程师所在的生命科学仪器研发中心是根据研究所发展新技术新方法的迫切需求而设立，隶属于科学研究平台，在提供技术服务的同时，聚焦生物显微成像仪器设备的研发与应用推广。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "徐涛院士和纪伟正高级工程师为该文章的共同通讯作者，谷陆生、李媛媛、张淑文为共同第一作者。李栋研究员、薛艳红、李尉兴参与了本课题。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该工作受到中国科学院科研仪器设备研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及北京市科技计划等项目的资助。/p

全息术是一种能够对光波前进行记录和重建的技术，自从 1948 年匈牙利-英国物理学家 Dennis Gabor 发明全息术以来，该技术不仅得到了显微学家，工程师，物理学家甚至艺术家等各领域的广泛关注，还使他获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。干涉术作为光学中另一个主要研究领域，是利用光波的叠加干涉来提取信息，其原理与全息术都是用整体的强度信息来记录光波的振幅和相位，虽然记录的方法有很大不同，但随着 20 世纪 90 年代，高采样密度的电子相机的出现，可用来记录数字全息图，则进一步增强了二者的联系。近日，针对全息术对表面形貌的干涉测量的发展的推动作用，来自美国 Zygo Corporation 的 Peter J. de Groot、 Leslie L. Deck，中国科学院上海光机所的 苏榕 以及德国斯图加特大学的 Wolfgang Osten 联合在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了综述文章，题为“Contributions of holography to the advancement of interferometric measurements of surface topography”。本文回顾了包括相移干涉测量，载波条纹干涉，相干降噪，数字全息的斐索干涉仪，计算机生成全息图，震动、变形和粗糙表面形貌和使用三维传输方程的光学建模七个方面，从数据采集到三维成像的基本理论，说明了全息术和干涉测量的协同发展，这两个领域呈现出共同增强和改进的趋势。图1 全息术的两步过程图2 干涉术的两步过程相移干涉测量术 因为记录的光场的复振幅被锁定在强度图样中的共同基本原理，全息术和干涉测量术捕获波前信息也是一个常见的困难，用于表面形貌测量的现代干涉仪中，常用相移干涉测量术（PSI）来解决这个问题，PSI 的思路是通过记录除了它们之间的相移之外几乎相同的多个干涉图，以获取足够的信息来提取被测物体光的相位和强度。Dennis Gabor 早在 1950 年代搭建的全息干涉显微镜使用偏振光学隔离所需的波前，引入除相移外两个完全相同的全息图。如图3所示，Gabor 的正交显微镜使用了一个特殊的棱镜，在反射光和透射光之间引入了 π/2 的相移。因此，可以说，用于表面测量的 PSI 首先出现在全息术中，然后独立出现在干涉测量术中。PSI 现在被广泛用于光学测试和干涉显微镜，虽然许多因素促成了其发展，但其基本思想可以追溯到使用多个相移全息图进行波前合成的最早工作。图3 Gabor正交显微镜简化示意图载波条纹干涉测量术 通过使用角度足够大的参考波来分离 Gabor 全息图中的重叠图像，从而使全息图形成的重建真实图像和共轭图像在远场中变得可分离，是全息术的重大突破之一， 到 1970 年代，人们意识到传播波阵面的远场分离等价物可以在没有全息重建的情况下模拟干涉测量。这一概念在 1982 年武田 (Takeda) 的开创性工作中广受欢迎，他描述了用于结构光和表面形貌的干涉测量的载波条纹方法。载波条纹干涉测量术的基本原理源自通信理论和 Lohmann 对全息重建过程的傅里叶分析。到 2000 年代，计算机和相机技术已经足够先进，可以使用高横向分辨率的二维数字傅里叶变换进行实时数据处理，赋予了载波条纹干涉技术的新的生命。图4 从干涉图到最后的表面形貌地图的过程此外，在菲索干涉仪中，参考波和物体表面的相对倾斜会导致相机处出现密集的干涉条纹。如果仪器在离轴操作时，具有可控制或可补偿的像差，所以只需要对激光菲索系统的光机械硬件进行少量更改，就可以实现这种全息数据采集。因此，载波条纹干涉仪通常是提供机械相移的系统的选择。相干降噪 虽然可见光波段激光器的发明给全息术带来重要进展，然而，在全息术和干涉测量术中不使用激光的主要原因是，散斑效应和来自尘埃颗粒和额外的反射而产生的相干噪声。通过仔细清理光学表面只能很小部分的噪声，而围绕系统的光轴连续地旋转整个光源单元就可以解决这个问题。如果曝光时间很长，这种运动会增强所需的静态图样，同时平均化掉大部分相干噪声。常用的实现平均化的方式包括围绕光轴旋转光学元件、沿着照明光移动漫射器、用旋转元件改变照明光的入射方向，或在傅里叶平面中移动不同的掩模成像系统。激光在 1960 年代开始出现在不等路径光学装置中，最初为全息术开发以减少相干噪声的平均方法，被证明也可有效改善干涉测量的结果。图5中，是 Close 在 1972 年提出的一种基于脉冲红宝石激光器的便携式全息显微镜。显微镜记录了四个全息图，每个全息图都有一个独立的散斑图案，对应于棱镜的旋转位置，由全息图形成的四个图像不相干叠加以减少相干噪声和散斑粒度。图5 使用旋转楔形棱镜的相干降噪系统数字全息菲索干涉仪 Gabor 的背景和研究兴趣使他将全息术视为一种具有大景深的新型显微成像技术，使显微镜学家可以任意地检查图像的不同平面。记录后重新聚焦图像的能力仍然是全息术的决定性特征之一，使我们无需仔细地将物体成像到胶片或探测器上。它还可以记录测量体积，能够清晰地成像三维数据的横截面。而数字全息术使这种能力变得更具吸引力，其重新聚焦完全在计算机内实现。虽然数字重聚焦在数字全息显微镜中很常见，但它通常不被认为是表面形貌干涉测量的特征或能力。尽管如此，从前面对该方法的数学描述来看，在采集后以相同的方式重新聚焦常规干涉测量数据是完全可行的。随着数据密度的增加，人们对校正聚焦误差以保持干涉测量中的高横向分辨率感兴趣。图6 激光菲索干涉仪的聚焦机理与全息系统不同，传统干涉仪的布置方式是在数据采集之前将物体表面精确地聚焦到相机上。图 6 说明了一种简化的聚焦机制。聚焦通常是手动过程，涉及图像清晰度的主观确定。由于光学表面通常在设计上没有特征，因此常见的过程包括将直尺放置在尽可能靠近调整表面的位置并调整焦距，直到直尺看起来最锋利。繁琐的设置和人为错误的结合使得我们可以合理地断言，今天很少有干涉仪能够充分发挥其潜力，仅仅是因为聚焦错误。数字重新聚焦提供了使用软件解决此问题的机会。计算机产生全息图 早在 1960 年代后期，学者们就已经对波带片与计算机生成全息图 (CGH) 之间的类比有了很好的理解，这是因为在开发新的基于激光的不等径干涉仪来测试光学元件的表面形状的应用时，需要对具有非球面形状的透镜和反射镜进行精确测试。图7 计算的菲涅尔波带片图样和牛顿环（等效于单独的虚拟点光源产生的Gabor全息图）然而，干涉仪作为最好的空检测器，在比较形状几乎相同的物体和参考波前时能提供最高的精度和准确度，虽然有许多巧妙的方法可以使用反射和折射光学器件对特定种类的非球面进行空测试，但 CGH 可通过简单地改变不透明和透明区域的分布来显着增加解空间。CGH 空校正器的最吸引人的特点是波前构造的准确性在很大程度上取决于衍射区的平面内位置，而不是表面高度。因此，无需费力地将非球面参考表面抛光至纳米精度，而是可以在更宽松的尺度上从精密参考波来合成反射波前。图8 使用激光菲索干涉仪和计算机产生的全息图测试非球形表面的光学装置振动、变形和粗糙表面形貌 全息干涉测量术是全息术对干涉测量术最明显的贡献，从技术名称中就可以看出。这项发现的广泛应用引起了计量学家高度关注，包括用于通过全息术定量分析三维漫射物体的应力、应变、变形和整体轮廓的方法。全息干涉测量术的发现对干涉测量术的能力和可解释性产生了深远的影响，为了辨别这些联系，首先考虑在同一全息图的两次全息曝光中，倾斜一个平面物体。两个物体方向的强度图样的不相干叠加，调制了全息图中条纹的对比度，而当这个双曝光全息图用参考波重新照射，以合成来自物体的原始波前时，结果也是条纹图样。因此，我们看到传播波前的全息再现，可用于解调双曝光全息图中存在的非相干叠加的干涉图案，将对比度的变化转换为表示两次曝光之间差异的干涉条纹。由于全息图中这些叠加的图案相互不相干，它们可以在不同的时间、全息系统的组成部分的不同位置、甚至不同的波长等条件下生成，因此，该技术的应用范围十分广泛。图9 模拟平面的双曝光全息使用三维传输方程的光学建模 使用物体表面的二维复表示，对本质上是三维问题的传统建模，是假设所有表面点可以同时沿传播方向处于相同焦点位置。因此，这种二维近似的限制是表面高度变化相对于成像系统的景深必须很小。全息术影响了三维衍射理论的发展，进一步影响了干涉显微镜的评估和性能提升。光学仪器的许多特性可以使用传统的阿贝理论和傅里叶光学建模来理解，包括成像系统的空间带宽滤波特性。干涉仪的傅立叶光学模型的第一步，是将表面形貌的表示简化为限制在垂直于光轴的平面内的相位分布。但对于使用干涉测量术的表面形貌测量，这并不是一个具有挑战性的限制，因为普通的菲索干涉仪的景深大约为几毫米，表面高度测量范围可能为几十微米。因此，在高倍显微镜中采用三维方法的速度更快，特别是对于共聚焦显微镜，在高数值孔径下，表面形貌特征不能都在相对于景深的相同的焦点。然而，二维傅里叶光学的近似对于干涉显微镜来说是不够精确的，因为在高放大倍率下，仅几微米的高度变化，就会影响干涉条纹的清晰度和对比度。基于 Kirchhoff 近似推导出了 CSI 的三维图像形成和有效传递函数，其中均匀介质的表面可表示为连续的单层散射点。这种方法已被证明具有重要的实用价值，不仅可以用于理解测量误差的起源，是斜率、曲率和焦点的函数，还可以用于校正像差。本文总结 基于激光的全息术的出现带来了一系列快速的创新，这些创新从全息术发展到干涉测量术。虽然文中提到的七个方面无法完全概括全息术的贡献，但一个明显的趋势是全息术对用于表面形貌测量的干涉测量技术的影响正在不断增加， 这最终可能会导致全息术与通常不被认为是全息术的技术相融合，而应用光学计量的这种演变必将带来全新的解决方案。论文信息 de Groot et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:7https://doi.org/10.37188/lam.2022.007本文撰稿： 刘子维（英国剑桥大学，博士后）

具有圆偏振发光性能的手性材料在三维成像、光学信息存储、不对称合成等方面颇具应用潜力，在手性科学研究中具有重要意义。手性基元在氢键、静电相互作用及π-π堆积等相互作用的协同下，可以自组装成各种各样的手性结构，表现出独特的圆偏振发光性质。而在自组装过程中，非手性基元如何参与并影响到最后的圆偏振发光性能，手性如何在组装结构中实现转移、传递和放大仍有未知。因此，如何构筑圆偏振发光材料并实现其性能提升在手性科学领域是重要的研究方向。　　中国科学院国家纳米科学中心研究员段鹏飞团队在高效圆偏振发光材料的构筑和性能提升研究方面取得了新进展。利用卤键相互作用构筑了一种二维手性分形结构，实现了手性发光材料发光各项异性因子的显著提升（Angew. Chem. Ed. Int. 2021, 60, 22711-22716）；在自组装手性多孔晶态材料中实现了无机纳米粒子到有机发光分子之间的辐射能量转移，并显著放大了材料的发光各项异性因子（Adv. Mater. 2021, 33, 2101797）。　　卤键本质上是一种静电相互作用，关于卤键驱动的共组装体系已有报道。科研团队合成了两种含有吡啶基团的联二萘手性分子（R/S-1，R/S-2），其与1,4-二碘四氟苯（F4DIB）可以共组装，自发形成了不同形貌的二维手性分形结构。单晶结构的分析发现，晶体中吡啶基团的N原子与F4DIB中的碘原子通过卤键形成一维的超分子聚合物链，而后在π-π和C-FH的协同作用下形成最终的组装结构（图1）。由于R/S-1与F4DIB分子间相互作用更强所以形成的手性分形结构更加致密。在共组装过程中，手性由R/S-1，R/S-2分子传递给了超分子聚合物链，再经过进一步的组装从超分子聚合物链传递到手性分形结构，实现了手性的多级次放大。从基态和激发态手性光谱上也可以观察到，分形结构的手性各项异性因子相较于单分子手性信号呈现出两个数量级的放大。卤键驱动的手性自组装实现了手性从分子手性到分形结构的转移和放大，为设计、提升圆偏振发光材料性能提供了新思路。相关研究成果发表在Angew. Chem. Ed. Int.（2021, 60, 22711-22716）上。　　手性多孔晶态材料具有有序的组装结构，在圆偏振发光材料的构筑和性能提升方面具有重要意义。近日，团队工作人员通过设计“Turn-on”型二芳基乙烯（DAEC）和上转换纳米粒（UCNPs）负载的手性金属有机框架复合材料，实现了紫外光、可见光、近红外光多重光源响应的圆偏振发光固态开关，并通过UCNPs到DAEC的能量转移实现了圆偏振发光的放大（图2）。　　研究人员选择了一种具有一维孔道的手性镧系框架结构，将上转换纳米粒子和具有光响应性质的二芳基乙烯同时负载于手性框架结构中，通过手性诱导分别实现了二芳基乙烯和UCNPs的圆偏振发光。UCNPs上转换发光的能量可以转移至二芳基乙烯，实现二芳基乙烯的上转换圆偏振发光。该手性多孔框架结构复合物中，二芳基乙烯可以在紫外光和近红外光照射下到达关环发光态，分别表现出下转换和上转换的圆偏振发光。在可见光照射下变为开环暗态，实现圆偏振发光的“关闭”。此外，研究发现上转换的发光各项异性因子（glum）大于下转换的发光各项异性因子，可能是手性体系中的能量转移造成的，这是首次发现无机给体到有机受体能量转移实现的圆偏振发光放大。　　该手性晶态多孔复合材料实现了固态下多重光响应的圆偏振发光开关，并在不同光输入的条件下的下转换和上转换过程可以实现荧光信息和圆偏振信息的多级光信号输出，在多维度光响应和输出的存储与加密方面具有重要应用价值。相关研究成果发表在Adv. Mater.（2021, 33, 2101797）上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）、国家重点研发计划等的支持。

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 杨宏兴 1，2，付海金 1，2，胡鹏程 1，2*，杨睿韬 1，2，邢旭 1，2，于亮 1，2，常笛 1，2，谭久彬 1，2 1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求，哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉仪，激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10，位移分辨力为 0. 077 nm，光学非线性误差最低为 13 pm，最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域，为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造；激光干涉；超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量（DMLI）技术是一种以激光 波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点，DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例，其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪，来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级；而位移测量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破， 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而， 一方面，上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单，不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求；另一方面，上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求， 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉 仪，可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段，而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，本课题组围绕这 3 个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于，通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性，并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统，保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性［19- 20］。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组（图 11） 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″，与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上， 通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线性误差。2014 年，本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构［2，21］，具体结构如图 12 所示，测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组［2-3］，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］。同时，本课题组也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 （图 17），其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移分辨力为 0. 077 nm，最低光学非线性误差为 13 pm，最大测量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司 （SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量， 不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水 平，如复杂系统中的多轴同步测量，亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理，高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，典型应用如图 18 所示，其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中，干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上，最大测量速度可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/频 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10（k=3），位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm，光 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振环境，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪，并成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图 19），在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一［30- 32］。为达到亚纳米级测量精度，除了精密的隔振与温控环境以外，该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响， 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了实现对被测对象的姿态监测，该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来，随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展，光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此，本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面： 1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接 比对。3）空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下，将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见：超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf

西澳大利亚大学研究人员利用基于MEMS的固定腔法布里-珀罗（F-P）干涉仪实现了在长波红外（LWIR）波段的光学遥控成像和传感，并完成了该光谱系统的轻型化和便携式。F-P干涉仪基于锗 (Ge) 氟化钡 (BaF2) 薄膜分布式布拉格反射器。研究人员之所以选择BaF2，是因为它在LWIR波长范围内表现出低折射率并可提供高折射率对比度，有利于提高器件的性能。该干涉仪具有与薄膜、表面微加工 MEMS兼容的架构。当与单点红外探测器或焦平面成像阵列结合使用时，可用于开发轻便的便携式光谱仪。据研究人员称，这是首次实现将低指数的BaF 2薄膜与的高指数Ge薄膜相结合来构建干涉仪。该团队使用三层Ge/BaF2/Ge光学薄膜结构构建了扁平、独立的分布式布拉格反射器。在10到20nm范围内，跨越数百微米的空间尺寸，独立结构实现了峰间平坦度。实验表明，所制备的F-P干涉仪线宽约为110nm，峰值透过率约为50%，满足可调谐、基于MEMS的LWIR光谱传感和成像这些需要窄线宽的光谱分辨应用的要求。研究人员对固定气腔滤光片进行了表征，并将测量的光学性能与建模结果和先前研究的结果进行了比较。在考虑到制造缺陷对分布式布拉格反射器的影响后，他们发现F-P干涉仪的测量光学特性与模拟的光学响应非常吻合。Mariusz Martyniuk教授表示：“这些微型化的片上、轻型和小尺寸设备被视为未来用于简单和低成本的微型光谱远程系统的解决方案，而面向热红外发射波段，轻量化、小尺寸和低功率等需求均至关重要。”该研究以“Large-area narrowband Fabry–Pérot interferometers for long-wavelength infrared spectral sensing”为题发表于 Journal of Optical Microsystems 。

红外辐射(760nm-30μm)作为电磁波的一种，蕴含着物体丰富的信息。红外光电探测器在吸收物体的红外辐射后，通过光电转换、电信号处理等手段将携带物体辐射特征的红外信号可视化。其具有全天候观测、抗干扰能力强、穿透烟尘雾霾能力强、高分辨能力的特点，在国防、天文、民用领域扮演着重要的角色，是当今信息化时代发展的核心驱动力之一，是信息领域战略性高技术必争的制高点。众所周知，波长、强度、相位和偏振是构成光的四大基本元素。其中，光的偏振维度可以丰富目标的散射信息，如表面形貌和粗糙度等，使成像更加生动、更接近人眼接收到的图像。因此偏振成像在目标-背景对比度增强、水下成像、恶劣天气下探测、材料分类、表面重建等领域有着重要应用。在短波红外领域，InGaAs/InP材料体系由于其带隙优势，低暗电流，和室温下的高可靠性已经得到了广泛的应用。目前，一些关于短波偏振探测技术的研究已经在平面型InGaAs/InP PIN探测器上开展。然而，平面结构中所必须的扩散工艺导致的电学串扰使得器件难以向更小尺寸发展。同时，平面结构中由对准偏差导致的偏振相关的像差效应也不可避免。与平面结构相比，深台面结构在物理隔离方面具有优势，具有克服上述不足的潜力。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心E03组长期从事化合物半导体材料外延生长与器件制备的研究。E03组很早就开始了对近红外及短波红外探测器材料与器件的研究，曾研制出超低暗电流的硅基肖特基结红外探测器【Photonics Research, 8, 1662(2020)】，研究过短波红外面阵探测器小像元之间的暗电流抑制及串扰问题【Results in Optics, 5, 100181 (2021)】等。最近，E03组研究团队的张珺玚博士生在陈弘研究员，王文新研究员，邓震副研究员地指导下，针对光的偏振成像，并结合亚波长光栅制备技术，片上集成了一种台面型InGaAs/InP基PIN短波红外偏振探测器原型器件。该原型器件具有的深台面结构可以有效地防止电串扰，使其潜在地实现更小尺寸短波红外偏振探测器的制备。图1是利用湿法腐蚀和电子束曝光等微纳加工技术制备红外探测器及亚波长光栅的工艺流程。图2和图3分别是制备完成后的红外探测器光学显微镜图片和不同取向的亚波长光栅结构SEM图片。图1. 集成有亚波长Al光栅的台面型InGaAs PIN基偏振探测器的工艺流程示意图。图2. 两种台面尺寸原型器件的光学显微镜图片 (a) 403 μm×683 μm (P1), (b) 500 μm×780 μm (P0)。图3. 四种角度 (a) 0°, (b) 45°, (c) 90°, (d) 135° Al光栅形貌。图4是不同台面尺寸的P1和P0器件(无光栅)在不同条件下的J-V特性曲线和响应光谱。在1550 nm光激发，-0.1 V偏压下，P1和P0器件的外量子效率分别为 63.2% and 64.8%，比探测率D* 分别达到 6.28×1011 cm？Hz1/2/W 和6.88×1011 cm？Hz1/2/W，表明了原型器件的高性能。图4. InGaAs PIN原型探测器(无光栅)的J-V特性曲线和响应光谱。(a) 无光照下，P1和P0的暗电流密度Jd-V特性曲线；不同入射光功率下，(b) P1和(c) P0的光电流密度Jph-V特性曲线，插图是-0.1V下光电流密度与入射光功率之间的关系曲线； (d) P1和P0的响应光谱曲线。图5表明器件的偏振特性。从图5可以看出，透射率随偏振角度周期性变化，相邻方向间的相位差在π/4附近，服从马吕斯定律。此外， 0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的消光比分别为18:1、18:1、18:1和20:1，TM波透过率均超过90%，表明该偏振红外探测器件具有良好的偏振性能。图5. (a) 1550 nm下，无光栅器件和0°, 45°, 90°和135°亚波长光栅器件的电学信号随入射光极化角度的变化关系；(b) 光栅器件透射谱。综上所述，研究团队制备的台面结构InGaAs PIN探测器，其响应范围为900 nm -1700 nm，在1550 nm和-0.1 V (300K) 下的探测率为6.28×1011 cmHz1/2/W。此外，0°，45°，90°和135°光栅的器件均表现出明显的偏振特性，消光比可达18:1，TM波的透射率超过90%。上述的原型器件作为一种具有良好偏振特性的台面结构短波红外偏振探测器，有望在偏振红外探测领域具有潜在的广泛应用前景。近日，相关研究成果以题“Opto-electrical and polarization performance of mesa-structured InGaAs PIN detector integrated with subwavelength aluminum gratings”发表在Optics Letters【47，6173(2022)】上，上述研究工作得到了基金委重大、基金委青年基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项、怀柔研究部的资助。另外，感谢微加工实验室杨海方老师在电子束曝光等方面的细心指导和帮助。物理所E03组博士研究生张珺玚为第一作者。

近日，西安光机所新型干涉光谱成像技术研究取得重大进展，以光谱室胡炳樑研究员为首的研究团队在国内率先将离轴三反光学系统应用于短波红外干涉光谱成像系统中，并成功研制了基于M-Z像面干涉光谱成像的离轴三反桌面样机系统。　　面向宽覆盖、高分辨率、高光谱分辨率的要求，离轴三反加M-Z像面干涉光谱成像技术可以有效解决大视场光学系统和大尺寸干涉仪的技术瓶颈。M-Z干涉仪放置在系统会聚光路中，在减小系统体积和重量的同时，能量利用率可以达到成像仪的极限 离轴三反光学系统则能够同时实现长焦距与大视场，并且没有中心遮拦，传递函数高。但在基于M-Z像面干涉的光谱成像系统中，离轴全反射系统难以补偿会聚光路中M-Z干涉仪棱镜元件所引入的像差，为此，科研人员将校正补偿系统应用到离轴三反系统中，设计并成功研制了一种新型离轴三反成像光学系统，并针对离轴三反系统装调自由度多，结构非对称性以及离轴系统离轴量需要精确测量调整等问题，解决了离轴非球面微应力装夹、多自由度调整结构形式、离轴三反系统高精度装调等多项技术难点，为高分辨率、高光谱分辨率光谱成像技术奠定了坚实基础，并完成了必要的技术储备，使我所先进光谱成像技术达到了国内领先水平。　　此次研究工作取得重大进展的过程，充分体现了我所科研人员勇于攻关、勤于奉献、努力进取的精神。由于是在国内首次开展基于干涉光谱成像的离轴三反光学系统的研究，研制难度大，时间进度紧。在所各级领导的关心支持下，项目负责人胡炳樑研究员积极牵头组织专家进行方案论证，为项目设计、加工和装调，在人员、技术、设备等多方面提供了强有力的支持 白清兰研究员、熊望娥副研究员勇于攻坚克难，通过多次与领域内专家研讨，并组织科研人员无数次的讨论、论证，最终确定了新型离轴三反光机系统的设计和初步装调方案，并亲自带领年轻科研人员赵强、赵稳庄、孙剑、李勇、李立波、邹纯波、张宏建、赵瑞萍等参与项目的设计调试工作，实现了预期的研制目标 刘学斌研究员带领王爽、皮海峰、张雯、王彩玲等年轻科研同志，加班加点顺利完成了低噪声短波红外电路的设计工作，为全系统调试的顺利进行做出了极大贡献 王忠厚研究员、白加光研究员等为项目的前期方案论证和整个过程的研制提供了大量的技术支持和帮助 系统调试过程中，在系统工程部李华主任、检测中心赵建科主任的支持下，段嘉友、张建、李智勇等与项目组密切配合，出色完成了离轴三反光学系统装调任务。　　日前，短波红外干涉光谱成像系统的研究工作仍在深入进行中，科研人员将不断创新进取，力争取得更大成绩。

相关法规背景 REACH法规即“化学品注册、评估、许可和限制”,是欧盟对进入其市场的所有化学品进行预防性管理的法规,该法规自2007年实施以来,不仅对我国出口化工企业带来了一系列长期的冲击,也对包括纺织、机电、玩具、家具等在内的下游产品企业的生产、管理和出口产生深远影响。近年来,欧盟对于REACH法规的消费品监管内容不断更新,仅2015年就将有(EU)　No　474/2014、(EU)　No　1272/2013等四个修订案生效,涉及十多种消费产品,同时欧盟对消费品符合REACH法规的执行监管也不断强化,出口企业应引起重视和关注。 REACH法规与消费品密切相关的主要是法规附件XVII,附件中对消费品中可能存在的危险化学物质的使用要求和含量要求有严格的限制,中国消费品因不符合欧盟REACH法规被各成员国海关拒绝进口或责令召回的通报近年来不断增长,已成为我国消费品出口的重要技术壁垒。根据欧盟非食用消费品快速通报系统(RAPEX)的公开数据统计,2014年我国出口欧盟的消费品因不符合REACH法规被通报高达301起,同比上年增长91.7%,其中涉及增塑剂的达180起,涉及重金属的97起。从产品类别来看,针对玩具及儿童用品的通报260起,同比增长111.4%,针对一般消费品的41起,同比增长4.9%。通报数据的快速增长一方面表明,欧盟对于REACH法规的执行监管日趋严格,另一方面也说明,我国输欧消费品在DEHP等禁用化学品的控制上存在较大不足,企业的风险防范意识有待进一步强化。 XEPOS如何帮助拉链行业有效应对欧盟REACH法规 拉链作为服装大类，配件分类，REACH法规对其中可能存在的危险化学物质的使用要求和含量要求有严格的限制。一般而言，人们尤其关注里面含有的各种重金属元素，尤其应用于儿童服装类的拉链，拉链中的铅（Pb）含量更是有着更严格要求。随着企业风险防范意识的强化，不少企业都纷纷购置各种精密分析仪器对产品质量进行监控，以应对相关行业法规。但拉链企业对拉链重金属含量的日常监控中往往会遇到如下问题：（1） 检测时间长，效率低下，影响生产（2） 检测人才的培养成本高（3） 检测结果偏差大，达不到内控要求（4） 送检成本高 SPECTRO XEPOS 台式偏振X射线荧光光谱仪是德国斯派克分析仪器公司推出的新一代仪器，能很好有效地解决上述拉链行业质量监控中所遇到的困惑。在日常的重金属检测中，斯派克台式偏振X射线荧光光谱仪XEPOS有着无与伦比的巨大优势。（1）3-5分钟内可以完成一个样品的检测，检测元素范围：Na-U；（2）操作简单，并不需要十分专业的技术人员操作，节约人力成本；（3）无损检测，无须进行样品前处理，轻松解决样品前处理复杂、耗时、危险等问题。（4）检测下限极低，在某些材质检测方面，偏振式X射线荧光光谱仪（简称ED(P)XRF）灵敏度和检测限都是普通X射线荧光光谱仪（EDXRF）的5-10倍；（5）性能大幅度领先于普通X射线荧光光谱仪。无论是对轻元素还是重金属元素，偏振式X射线荧光光谱仪XEPOS皆有优秀的测试能力。普通的EDXRF虽然也能宣称可以达到Na-U的分析能力，如Na的检测限指标一般是3000ppm，常见重金属为10-30ppm，所以对于某些痕量元素的测试应用意义不大。而偏振ED（P）XRF的元素检测限一般为：Na:100ppm Mg:30ppm Al:30ppm Si:2ppm S:0.6ppm等其的重金属元素检测限一般为（以GB15618-1995，和美国EPA标准为例，硅基,300s测试时间）：V:0.6ppm Cr:0.5ppm As:0.7ppm Cu:0.6ppm Cd:0.3ppm Sb:0.7ppm Hg:0.3ppm Pb:0.3ppm La:2.1ppm Ce:2.5ppm Pr:3ppm Nd:4ppm（6）仪器性能认同度高，不少检测单位都有该设备，如中国CQC，TUV实验室，深圳计量院，广州分析测试中心，广东省环保局。企业在有仪器自检的情况下，可以减少甚至无须对样品送第三方检测，降低企业经营成本。 另外，SPECTRO XEPOS可广泛地应用于石油、化工、冶金、矿业、制药、食品、环保、地质、建材、废物处理以及再加工工业等。以油中各种元素的分析为例。使用SPECTO XEPOS，在氦气保护状态下，在300秒钟之内，对于P、S、Cl、Ca、Cu、Zn、Ba的检测下限在1-7μg/g以上。 XEPOS型X射线荧光光谱仪可广泛应用于各种电子材料及塑料中铅、镉、（汞）等元素分析，检出下限低，灵敏度高、稳定性好，可应对欧洲WEEE、RoHS指令以及SONY STM-0083标准。XEPOS型X射线荧光光谱仪真正做到高性能，多功能，一机多用，是企业单位添置精密仪器的，提升自身综合能力的一个不错选择。

在宇宙深处，像黑洞这样的神秘天体一直吸引着大量的天文学家和天文爱好者的目光，但是目前能够很好观测这种星体的手段并不多。　　而天宫二号空间实验室携带的一台天文观测设备，就有可能在这一领域获得突破，它就是伽马暴偏振探测仪。　　这台设备叫做伽马射线暴偏振探测仪，它的任务是对宇宙当中的伽马射线暴进行探测。在宇宙中，只有温度极高、密度极高、磁场极强的星体里，才可能产生这种射线，因此它的存在可能就是黑洞留下的痕迹。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：因为伽马射线暴，伽马射线的产生，是从极端相对论性的喷流里面产生的，这种极端相对论性的喷流，它的速度接近光速，这是在黑洞附近，或者是在中子星附近，极端的引力场里面所产生出来的。　　在过去，对伽马射线的测量只能测到它的能量，方向，和时间等信息，但是这一次，天宫二号要从全新的领域来探寻这种宇宙中的神秘射线，这就是伽马射线的偏振信息。那么什么是偏振呢?这其实是电磁波，也就是光的一种特性。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：如果我们到海边，我们看到海面，白茫茫的一片，因为从海面来的这种光的偏振的，如果戴上偏振的镜子之后，我们就能够看到海面上的波浪，看得比较清楚。　　同样伽马射线的偏振特性里，也记录了产生它的星体的结构甚至磁场的形态信息。解读这些信息，很可能让我们对黑洞有新的认识。所以天宫二号携带的这台伽马射线偏振探测仪就是要以独特的设计，对伽马暴的偏振性质进行系统性地高精度测量，填补这个国际天文研究的空白。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：它是一种特殊的天文望远镜，它实际上是由1600个，对伽马射线光子敏感的器件组成的，通过分析伽马射线在这1600个敏感器件上的信号分布，我们最终来推算伽马射线的偏振性质。　　为了打造这个探索宇宙秘密的特殊望远镜，来自瑞士和波兰的科学家也参与到了它的研制当中，这也成了天宫二号上所携带的唯一一台国际合作的科学设备，因此，全世界的科学家都在对这次任务充满期待。　　伽马暴偏振探测仪首席科学家 张双南研究员：我们希望这台仪器设计的灵敏度比国际上已有的，专门用于伽马射线暴偏振的仪器的灵敏度提高至少十倍，所以无论是从它的灵敏度和它的精度两方面来讲我们这个仪器都是最好的。

2009年12月29日，“十一五”863对地观测与导航领域专题课题验收会在北京举行，由中科院空间科学与应用研究中心承担的“干涉式毫米波成像辐射计关键技术研究”课题通过验收。　　该课题为“十一五”本领域首批立项的专题课题之一，主要目标是针对当前地球静止轨道气象卫星对微波/毫米波有效载荷的迫切需求，开展以分时采样综合孔径技术为核心的关键技术攻关，以解决真实孔径系统天线口面过大以及传统综合孔径系统单元天线数目过多的问题。在当前全球气候变化加剧、灾害性天气现象频发的大背景下，开展此项研究具有特别意义。　　在课题执行过程中，以吴季研究员为首的空间中心研究团队提出了圆环阵列自旋扫描的方案，在简化系统复杂度、提高运动机构稳定性以及定标可行性上具备明显的优势，并最终形成了自主知识产权，成功进行了外场成像实验。　　在课题验收会上，与会评审专家一致认为，课题组在50～56GHz的氧气吸收峰频段成功验证了干涉式综合孔径辐射计体制的可行性，达到了目前国内干涉式辐射计技术的最高频率，并突破了多项具备国际水平的关键技术，包括：分时采样体制下干涉式综合孔径辐射计关键性能指标的分析方法 稀疏天线阵列与分时采样方式的联合优化设计方法 毫米波接收机前端噪声互耦抑制方法 多时延数字相关技术 分时采样干涉式综合孔径系统的整体定标技术等。研究成果有力支持了未来在我国下一代风云四号静止轨道气象卫星上实施综合孔径大气温度探测仪的可行性与必要性。地球静止轨道(GEO)具有大覆盖以及实时性等特点，而微波/毫米波段观测则具有全天候全天时的优势，两者的结合能够实现对整个天气变化动态过程的连续有效观测，为数值天气预报提供高时间分辨率的观测数据，满足短期预报甚至即时预报的要求。　　本课题成果已获“十一五”863重点项目的后续支持，在该成果的基础上进一步研制一台全尺度地面样机，为本成果最终进入工程型号应用奠定基础。

诊断高能量密度(HED)等离子体的特性，例如存在于惯性约束聚变(ICF)中的等离子体，对于理解它们的演化和相互作用至关重要。然而，考虑到所涉及的通常极端的温度和密度条件，以及其中一些相互作用发生的小时间和空间尺度，获得这些测量结果是具有挑战性的。干涉测量法是目前等离子体最灵敏、最成功的诊断方法之一。然而，由于最常见的干涉测量系统的设计，工作波长有限，因此可以探测的密度和温度范围受到严重限制，难以测量对于可见光波段不透明的 HED 等离子体。基于 Talbot 效应的 Talbot-Lau 干涉法，提供了将干涉测量扩展到 X 射线波长的可能性。另一方面，在光子能量从几 keV 到几十 keV 的范围内的硬 X 射线，低 z 物质的弹性散射截面远大于衰减截面，相位对比度比传统的衰减度对比对电子密度的变化更敏感。因此，在成像机制上，基于折射的方法相较于基于吸收的方法有更高的固有对比度。即，基于相位变化的 X 射线成像方法，包括 Talbot-Lau 偏折测量方法，尤其适用于低 z 生物组织、聚合物、纤维复合材料和 HED 等离子体等的表征。约翰霍普金斯大学物理与天文学系的 M. P. Valdivia 与 D. Stutman 等人提出了将TL莫尔光束偏转技术扩展到8 keV 能量，用于 HED 等离子体实验中的密度梯度测量。[http://dx.doi.org/10.1063/1.4885467]该实验采用低能 TL 干涉仪装置采用焦斑为 ~ 15 μm FWHM 的铜阳极管作为 X 射线源。当在 22 kV 下工作时，该管产生 Kα 特征线主导的光谱，在 8 keV 处有一个强峰。同时使用了 30 μm 厚度的 Ni 滤波器，进一步提高特征线与轫致辐射之间的比率。对于微周期 Talbot-Lau 光栅的设计与制造工艺，对于高能量X射线（如20~100keV），难点在于得到高厚度/深宽比的光栅结构；对于低能 X 射线（如10keV）,则应在设计上更多的考虑光栅衬底的影响，即必须使用自支撑结构或者薄衬底的光栅.该实验中使用了由德国 Microworks 公司制造的基底为10 μm 厚聚酰亚胺膜的光栅。如下图所示，源光栅 G0 周期为 2.4 μm，直径有效尺寸为 7 mm，金高度为 21-24 μm；相位光栅G1的周期为 4.0 μm，直径有效尺寸为 9 mm，镍条高度为 3.0 μm。分析光栅 G2 周期为 12 μm，直径有效尺寸为 35 mm，金高度为 17-22 μm。1. Microworks GmbH 提供的 Talbot-Lau 光栅：a)源光栅；b)相位光栅；c)分析光栅该小组使用多种形状（棱柱，圆柱，球型）的多种材料（丙烯酸，铍，PMMA）作为材料进行实验验证。其中，以 PMMA 球形样品的测试结果为例：2. 直径1.5mm的 PMMA 球的 Moiré 条纹像（a）及其偏移映射图（b）结果表明，在 8 keV 下的测量足够灵敏，可以测量几到几十微弧度范围内的折射角，从而提供 10-20 到 10-21 mm&minus 2范围内的面密度。在静态模式下论证得出该技术能够为 HED 相关物体提供密度诊断。上述小组进一步改进该实验，使用短脉冲(30–100 J, 10 ps)激光轰击 Cu 箔产生 X 射线作为测量光源，由于激光的脉冲特性，使得对 HED 的时间分辨测量成为了可能。(doi: 10.1063/1.5123919)3. 超短脉冲时间分辨 X 射线 Talbot-Lau 干涉实验前端光路示意图4. Talbot-Lau X 射线干涉法诊断平台波尔多大学的 G. P´ erez-Callejo 与 V. Bouffetier,对特定靶结构在激光作用下产生的 HED 瞬时密度进行了模拟和测量，并提供了相应的干涉图像的后处理工具。（DOI: 10.1063/5.0085822）5. 等离子体靶材结构设计示意图（左）；模拟轰击靶材后30ns 瞬时密度图像6. 瞬时状态下的干涉图像（a）与空光路参考图像(b)7. 经数据处理后的吸收像（a），暗场像（b）与相位像（c）相关阅读- Microworks光栅助力新冠病毒肺部诊断- 实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（上）- 实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（下）Microworks 德国 Microworks GmbH 基于其独特的 LIGA 技术，向广大科研用户提供定制化的微结构加工服务。其中，它的X射线透射光栅在相衬成像领域，有着极高的声誉。Microworks为X射线无损检测（NDT）提供标准化和定制产品。在微纳米技术领域，Microworks代表着高精度，其最高纵横比和精度可以远低于 1 µ m。北京众星联恒科技有限公司作为 Microworks 的中国大陆全权代理商，为中国用户提供所有的售前咨询，销售及售后服务，同时 TALINT EDU 干涉仪套件目前我们开放国内试用, 如果您想体验这款模块化、操作简易的 X 射线相衬、暗场成像套件, 欢迎联系我们。免责声明：此篇文章内容（含图片）部分来源于网络。文章引用部分版权及观点归原作者所有，北京众星联恒科技有限公司发布及转载目的在于传递更多行业资讯与网络分享。若您认为本文存在侵权之处，请联系我们，我们会在第一时间处理。如有任何疑问，欢迎您随时与我们联系。

在过去的十年里，红外（IR）光谱已被广泛应用于哺乳动物组织中的胶原蛋白研究。对有序胶原蛋白光谱的更好理解将有助于评估受损胶原蛋白和疤痕组织等疾病。因此，利用偏振红外光研究胶原蛋白（I型胶原和II型胶原）的层状结构和径向对称性逐渐成为研究热点。目前，基于焦平面阵列检测器的偏振远场（FF）傅立叶变换红外（FTIR）成像、偏振远场（FF）、光学光热红外（O-PTIR）以及散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的纳米红外技术在胶原蛋白领域得到广泛应用。偏振远场（FF）方法可应用于完整肌腱的截面，其纤维平行且垂直于偏振光排列。光学光热IR红外（O-PTIR）和纳米傅立叶变换红外（nano-FTIR）方法则应用于直径为100~500 nm的原纤维，在生物聚合物上共同实现互相印证和互补的结果。 通常，I型胶原蛋白在偏振红外光下反应不同。采用基于焦平面阵列（FPA）检测的远场傅里叶变换IR（FF-FTIR）对其进行成像时，受制于蛋白质酰胺I和II的红外特征峰吸收带的波长（~7 μm）的分辨率限，难以获取高质量的成像结果。而采用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）方法的纳米FTIR（nano-FTIR）光谱技术，可以获得空间分辨率约为20nm的红外光谱，解决了受限于IR辐射波长的限制（通常5-10 μm）。此外，采用光学光热红外技术（O-PTIR）成像和光谱学的方法，也可以摆脱红外波长的限制，实现亚微米（500nm）的空间分辨率，为完整组织和原纤维胶原蛋白的研究打开了一个新窗口。 近期，在Kathleen M. Gough等人的研究中[1]，作者采用基于光学光热红外（O-PTIR）技术的PSC非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统 mIRage对样品～500 nm单点区域收集振动光谱，如图1所示。该光学光热红外（O-PTIR）技术的工作原理是光热检测，其中红外量子联激光器（QCL）激发样品在1800–800 cm-1光谱范围内的分子振动。产生的光热效应通过短波长探测激光器检测。图2A-B中的光谱表明，固有的激光偏振所获得的高对比度所产生的光谱与使用FTIR焦平面阵列和偏振器组合进行的光谱测试近乎一致。并且对于安装在玻璃显微镜的不同载玻片，样品均获得了具有良好SNR的高质量光谱。图1. 完整肌腱的光学光热IR（O-PTIR）光谱，?500 nm测量点。（A）利用线性偏振量子联激光器（QCL）从CaF2窗口在平行和垂直两个不同方向上获得光谱。插入的可视图像显示了6个采谱位置；比例尺= 70 μm。（B）对比从CaF2（部）和玻璃（底部）载玻片在线性偏振QCL的平行和垂直方向上获得的光谱。 光学光热红外（O-PTIR）技术可以通过在载物台上轻易地旋转样品来测试平行和垂直于红外激光偏振方向的光谱。并利用光学光热红外（O-PTIR）技术在几个单一频率下对原纤维成像，以获得表观物理宽度的确定性估计。如图2右侧所示，在垂直方向上， 1655 cm-1处记录的单波长图像的红黄带表明该原纤维的宽度不超过500 nm。该尺寸将目标物标定为真正的原纤维，并且可与红外s-SNOM实验中检测到的300 nm原纤维相当。光学光热红外（O-PTIR）技术与nano-FTIR的测试结果相互印证，反映了“原纤维”宽度的标准范围。此外作者观察到，来自原纤维的酰胺I和II谱带比完整肌腱的窄，并且相对强度和谱带形状都发生了变化。这些光谱反映出在偏振红外光下正常I型胶原纤维的更多有用信息，并可作为研究胶原组织的基准。图2. 从CaF2窗口利用O-PTIR测试控制肌腱原纤维获得的光谱。用平行于激光偏振的原纤维获得的光谱（红色）；蓝色是垂直方向上的光谱。右侧是在垂直方向基于1655 cm-1的单波长图像。正方形表示光谱采集位置。比例尺= 1 μm。 与基于焦平面阵列检测器的偏振远场傅立叶变换红外（FF-FTIR）光谱相比，光学光热红外（O-PTIR）具有更高的空间分辨率，且可提供单波长光谱。使用FF-FTIR FPA探测往往包括其他非胶原材料。同时，光学光热红外（O-PTIR）还可以提供偏振平行于原纤维取向的原纤维光谱。这也是光学光热红外（O-PTIR）和纳米FTIR光谱对直径为100~500 nm的胶原原纤维给出证实性和互补性结果的次证明。综上所述，这些结果为进一步研究生物样品中的胶原蛋白提供了广阔的基础。 参考文献：[1]. Gorkem Bakir, Benoit E. Girouard, Richard Wiens, Stefan Mastel, Eoghan Dillon, Mustafa Kansiz, Kathleen M. Gough, Molecules 2020, 25, 4295 doi:10.3390/molecules25184295.

10月30日HORIBA举办了2017 Optical School系列在线讲座第五场——光谱技术在半导体领域中的应用，涉及：拉曼、椭圆偏振、光学光谱和辉光放电，四种光学光谱技术，为大家带来满满的知识技能包。课上同学们积留言互动，那么针对这三种光学光谱技术，大家都有哪些疑问呢，我们一起来看一看。光学光谱1. 什么是CCD TE制冷？CCD探测器的制冷方式一般分为两种：热电制冷（TE）和液氮制冷（LN2）。热电制冷就是通过帕尔贴效应，将热量从芯片带走；液氮制冷是通过液氮气化吸收热量来降低温度。2. 5K和10K的低温是怎么实现的。采用低温恒温器，闭循环低温恒温器或消耗液氦型低温恒温器可以实现5K和10K的低温，将样品放置在低温恒温器中测量。3. PL Mapping测量的是什么？相对宏观测试而言，微观尺寸的光致发光光谱更能表征样品的性质，并且能够展现更多的细节信息，在进行显微测量时，我们对整个样品表面进行扫描，得到所有测量点的光致发光光谱，这个过程称为Mapping。4. MicOS的PL和拉曼光谱仪测试的PL谱是一样的吗？原理上是一样的，都属于光致发光光谱，区别在于：MicOS光谱仪所采用的光谱仪焦距长度跟拉曼光谱仪不一样，光谱分辨率也不一样；拉曼光谱仪主要是为了拉曼测试而设计，它的探测器CCD通常覆盖到1000nm左右，有些型号的拉曼光谱仪不能拓展光谱范围到近红外波段，而MicOS可以灵活方便地拓展光谱范围从紫外到近红外（200-1600nm）。5. 激光测试固体光谱时需要滤光片吗？推荐加滤光片，因为激发激光的能量很强，激发样品的同时，部分激发光会通过反射与信号光一起进入探测系统，可能产生杂散光，为了避免干扰，建议加入滤光片将激发光滤除。因为信号光能量较低，波长比激发光长，所以只需要加入截止波长在激发光和信号光之间的滤光片即可。此外，如果激发光的二级衍射光与信号光波长重叠的话，那么也需要加入滤光片将激发光波长滤除从而消除激发光的二级衍射光。6. 这里的PL发光和寿命测量与荧光光谱仪测得荧光光谱和寿命有什么区别？荧光也是一种光致发光，但是荧光光谱仪通常用氙灯作为激发光源，能量比较低，对于宽带隙材料可能无能为力，定制化光致发光系统用激光作为激发光源，可以成功激发大部分样品。此处提到的寿命测试功能与HORIBA荧光光谱仪的寿命功能原理相同，并无区别，不过MicOS中测量荧光寿命是在显微下测量的，而荧光光谱仪通常是在宏观光路中测量的。7. 使用光纤导入光谱仪（iHR550）时，狭缝的宽度对分辨率还会有影响吗？采用光纤导入信号光到iHR550光谱仪时，一般会采用光纤适配器将光纤连接到光谱仪，此时狭缝宽度对光谱分辨率的影响需要分两种情况讨论：（1）如果光纤出来的信号光光斑通过光纤适配器耦合到光谱仪狭缝上是小于狭缝宽度，那么狭缝宽度的变化对光谱分辨率无影响；（2）如果光纤出来的信号光光斑通过光纤适配器耦合到光谱仪狭缝上是大于狭缝宽度，那么狭缝宽度的变化对光谱分辨率有影响，狭缝越大分光谱分辨率越低。8. 光栅的刻线密度怎么去选择？光栅刻线密度的选择主要考虑两个因素：分辨率和光谱范围。相同焦长光谱仪配置的光栅刻线密度越高，光谱分辨率越高，但是所能使用的长波长范围越窄；光栅刻线密度越低，光谱分辨率越低，但是低刻线密度光栅能覆盖的长波长越长；所以要综合平衡考虑，一块光栅覆盖范围不够可以选择多块光栅以拓展光谱范围。9. MicOS激光照射到样品上的光强和光斑大小?MicOS的激光光斑照射到样品上的光强与所采用的激光器功率大小相关，所采用激光器功率越高照射到样品的光强越大。激光照射到样品的光斑大小与耦合方式（光纤耦合还是自由光路耦合）以及所采用的物镜倍率相关，如采用100倍物镜，采用光纤耦合激光，光斑小于10um；采用自由光路耦合激光，光斑小于2um。拉曼光谱1. 用532nm激光测试的深度为多少？（实验中测试不到厚度为100nm薄膜的Raman光谱）总体来说，入射深度与激光器的波长和材料本身消光系数相关。激光越偏红光，其入射深度越深；消光系数越小，入射深度越深。所以，532 nm针对不同材料的入射深度不一样，一般来说，对单晶硅的入射深度约为1微米。厚度不到100 nm的薄膜需要考虑使用325 nm激光器检测。2. 老师，实际测试比如石墨烯，532,633,785测试D,G,2D频移和相对强度都不一样，这是什么原因呢？可以考虑的原因：三个激光器是否校准好；激光器的能量是否合适，是否某一个激光能量过高将样品破坏。一般石墨烯测试，激光能量的选择建议从低到高尝试；考虑机理方面解释，激光和样品的是否有耦合效应。墨烯测试，推荐532 nm激光器。3. HORIBA提供拉曼与SEM联用的改装服务吗？我们实验室对这个比较干兴趣，想了解一下我们的电镜可不可以改装？国内和国外都有已经完成的案例。若有需求，请进一步联系！4. 我们处理拉曼光谱的时候有时候要使用归一化的方法，这个对结果分析会有影响吗？归一化一般不会对结果分析产生影响。归一化操作是对光谱中所有的拉曼峰等比例的放大和缩小，不会影响峰的位置和形状。若还有担心，可以考虑提高光谱的信噪比。5. 半高宽和强度是怎么成像的？若使用的是Labspec 6软件，至少有两种成像方法可以实现半高宽和强度成像。夹峰法：用线夹住需要成像的峰，在Analysis中，进入 Map characterization中选择对应的Height, area, position, width进行成像。分峰拟合法：对所需成像的峰进行分峰拟合后，直接选择各参数成像。夹峰法，目前多同时可以做三个峰的成像；分峰拟合理论上可以实现所有峰的成像。6. 如何用325nm激光器测拉曼光谱，PL和BPF这两块滤光片怎么用？使用325nm测试和其它的激光器测试类似，需要注意的是：激光器稳定半小时，软件中勾选紫外测试，使用紫外物镜，激光光斑进行聚焦。PL和BPF滤光片都是为了滤去激光器的等离子体线，PL和BPF分别针对测试PL和拉曼。7. 老师，做拉曼成像的时候勾选SWIFT，老是提示不兼容是怎么回事？可以考虑：是否工作在单窗口的模式下；成像区域的选择是否是长方形；控制盒上的开关是拨到SWIFT模式下。8. 100nm薄膜测试不到信号（532nm激发）答案见问题一。9. 老师，可不可以用显微共聚焦拉曼测重金属的浓度？重金属的浓度目前还没有用拉曼直接测试的好方法。但有间接的方法：加入指示剂，通过指示剂间接测试重金属的浓度；做成传感器（DNA/蛋白/小分子等为传感元件），以拉曼信号为输出。10. 老师您好，树脂样品532nm激光器基线上飘严重，降低hole值仍然，切换785nm后基线下飘，这个是荧光引起的吗，应如何调节或者加激光器呢？荧光背景干扰的可能性比较大。缩小Hole只能抑制荧光，不能消除荧光。建议先利用532 nm做个PL光谱看一看。降低激光能量；更换测量点；若荧光背景还是比较高，可以考虑选用紫外和更红外激光器试一试。椭圆偏振1. 请问在测试的时候起偏器不动但是检偏器旋转吗？在UVISEL系列椭偏仪中，起偏器和检偏器均保持固定，由相位调制器PEM起到调制偏振光的作用，没有机械转动的干扰，保证了仪器对椭偏角测试的高精度。2. 为什么可以测SIGe的组分？研究表明SiGe合金的含量与介电方程的实部有关，介电方程实部是通过椭偏仪分析得到的，因此在进行了大量标准样品与实部的关系推导后，可以根据未知含量样品的介电方程实部推算出合金含量。3. 要测试膜厚度，需要这个样品是透明的吗?样品可以是不透明的硅基底或透明的玻璃基底等，待测试薄膜需要是光学透明的，以便椭偏仪分析反射之后的偏振光信号。4. 不转怎么测椭偏角？UVISEL系列椭偏仪采用PEM相位调制技术，调制器虽然保持静止，但其内部光学元件的双光轴相位以50KHz高频发生变化，从而实现偏振光的调制。5. 椭偏仪的入射角是可调的吗？是固定几个值还是连接可调？入射角是连续可调的，但通常测试使用55-75度，主要与样品的布儒斯特角相近即可。例如，大多数半导体样品的布儒斯特角在70度附近，玻璃等样品在55度附近。6. 测SiGe的组分与测带隙宽度有关吗？没有7. 椭偏仪可以测不透明的样品吗？无法用肉眼判断样品是否光学透明，一般来说肉眼看到透明的样品，可透过可见光，而有些样品如SOI中的顶层硅薄膜，可见不透过，但仍然可以使用椭偏测试分析，因为其对近红外透过。8. 可以测碳纳米管吗？可以测试均匀的CNT薄膜，由于光斑大小限制不能测试单根纳米管9. 是相位调制器每变一下，收集一组光强吗？那请问相位改变一个周期内会采集多少组数据来计算psi 和delta。是的，通常8-16点HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 多年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

对于光谱仪的功能还一知半解？想提高使用效率？有没有一些小技巧可以改善分析方法？您可以通过这次在线培训与我们的工程师进行直接沟通。本次在线讲座汇集了三种常用光谱技术中常见的使用问题，11月13日工程师将通过实例教会您如何更好地驾驭您手中的“利器”。11月13日14:00 PM只要准备电脑和网络，即可参与谁应该参加相关光谱仪使用者讲座日程14:00~14:30 荧光光谱14:35~15:05 椭圆偏振15:10~15:40 拉曼光谱主讲老师王红静，应用工程师文豪博士，应用工程师研究方向：椭圆偏振光谱毕业于上海硅酸盐研究所，擅长光谱椭偏建模、薄膜分析，长期为用户提供椭偏技术培训等工作。鲁逸林博士，应用工程师研究方向：SPRi、拉曼等从事拉曼光谱、AFM和表面等离子共振成像的技术支持，负责样品分析、数据解析、应用方案设计、用户培训等，在材料、生物、锂电池等领域积累了丰富的经验。报名手机扫描识别二维码报名即可 扫描 识别 报名 HORIBA Optical SchoolHORIBA一直致力于为用户普及光谱基础知识，其旗下的Jobin Yvon有着近200年的光学、光谱经验，我们非常乐意与大家分享这些经验，为此特创立 Optical School（光谱学院）。无论是刚接触光谱的学生，还是希望有所建树的研究者，都能在这里找到适合的资料及课程。我们希望通过这种分享方式，使您对光学及光谱技术有更系统、全面的了解，不断提高仪器使用水平，解决应用中的问题，进而提升科研水平，更好地探索未知世界。

科技日报北京6月19日电 （记者张梦然）据近日发表在《科学进展》上的一篇论文，英国牛津大学研究人员开发了一种使用光的偏振来实现最大化信息存储密度的设备。新研究使用多个偏振通道展开了并行处理，计算密度比传统电子芯片提高了几个数量级。自1958年第一块集成电路发明以来，将更多晶体管封装到特定尺寸的电子芯片中，一直是实现最大化计算密度的首选方法。然而，人工智能和机器学习需要专门的硬件突破现有计算的界限，因此电子工程领域面临的主要问题是：如何将更多功能打包到单个晶体管中？科学家已知不同波长的光不会相互影响，同样，不同偏振的光也不会相互影响。因此，每个极化都可作为一个独立的信息通道，使更多信息可存储在多个通道中，这就大大提高了信息密度。而光子学相对于电子学的优势在于，光在大带宽上速度更快，功能也更强大。新研究的目标就是充分利用光子学与可调谐材料相结合的这些优势，实现更快、更密集的信息处理。鉴于此，十多年来，牛津大学研究人员一直致力于使用光作为计算手段。团队此次开发了一种HAD（混合活性电介质）纳米线，该纳米线使用一种混合玻璃材料，该材料在光脉冲照射时具有可切换的特性，每条纳米线都显示出对特定偏振方向的选择性响应，因此可使用不同方向的多个偏振同时处理信息。利用这个概念，研究人员开发出第一个利用光偏振的光子计算处理器。光子计算通过多个偏振通道进行，纳米线则由纳秒光脉冲调制，与传统电子芯片相比，其计算速度更快，计算密度因此提高了几个数量级。研究人员表示，对于人们希望看到的未来愿景来说，现在仅仅是个开始，这种偏振光子计算处理器结合了电子、非线性材料和复杂计算，已经是一个超级令人兴奋的想法。总编辑圈点 　　随着传统电子芯片尺寸越来越小，芯片上的晶体管数量接近极限，摩尔定律也日益逼近“天花板”。这些年，科学家和工程师们开始为芯片发展寻找新的“增长点”，利用光子计算便是思路之一。例如，2015年美国科学家研发出用光处理信息的光电子芯片，它依旧使用电子来计算，但是可以直接使用光来处理信息。上述成果则利用了光的偏振特性。这些研究都为芯片迭代升级提供了更多可能。

p　　据物理学家组织网20日报道，美国麻省理工学院(MIT)的工程师最近开发出一种激光偏振检测新技术，不仅能确定太空垃圾位置，还能分析其成分。/pp　　在地球空间轨道上，数以亿计的太空垃圾高速旋转着，给航天器和卫星带来巨大威胁。目前，美国国家航空航天局(NASA)和国防部在用陆基望远镜和激光雷达(Ladars)跟踪17000块碎片，但这一系统只能确定目标的位置。研究人员指出，新技术能分析出一块残骸由什么组成，有助于确定其质量、动量及可能造成的破坏力。/pp　　该技术利用激光来检测材料对光的偏振效应。MIT航空航天系的迈克尔· 帕斯科尔说，涂料的反射光偏振模式和金属铝有明显区别，所以识别偏振特征是鉴定太空残骸的一种可靠方法。/pp　　为检验这一理论，研究人员设计了一台偏光仪来检测反射光的角度，所用激光波长为1064纳米，与Ladars激光类似，并选择了6种卫星中常用的材料：白色、黑色涂料、铝和钛，还有保护卫星的两种膜材料聚酰亚胺和特氟龙(聚四氟乙烯)，用偏振滤镜和硅探测器检测它们反射光的偏振状态。他们识别出16种主要的偏振态，并将这些状态特征与不同材料对应起来。每种材料的偏振特征都非常独特，足以和其他5种区别开来。/pp　　帕斯科尔认为，其他航天材料如防护膜、复合天线、太阳能电池、电路板等，其偏振效应可能也各有特色。他希望用激光偏振仪建一个包含各种材料偏振特征的数据库，给现有陆基Ladars装上滤波器，就能直接检测太空残骸的偏振态，与特征库数据对比，就能确定残骸构成。/p