高精度激光位移计

“坐标”这个概念源于解析几何，其基本思想是构建坐标系，将点与实数联系起来，进而可以将平面上的曲线用代数方程表示。坐标的概念应用到工业生产中解决了大量实际问题，例如，坐标测量机可采集被测工件表面上的被测点的坐标值，并投射到空间坐标系中，构建工件的空间模型等诸多案例。坐标测量机还被用于产品质量控制，测量磨损，制造精度，产品形貌，对称性，角度等工业产品参数，因此需要非常高的移动精度，才能确保测量的准确性。德国attocube公司推出的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪就是辅助坐标测量机提高测量精度的有力手段。图1 皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪是如何帮助坐标测量机实现高精度的呢？图2 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机探测臂上通常坐标测量机要求探测臂位移精度高于1微米，现在坐标测量机位移反馈大多是通过玻璃分划尺来实现的。玻璃分划尺是常用的一种位置测量的方法，分划尺在坐标测量机上位于龙门处，一般情况下，采用玻璃分划尺探测的不是探测臂本身，而是坐标测量机龙门处的位置变化。实际上， 坐标测量机的探测臂与龙门之间有一定长度的距离，它们的位置变化会因存在例如振动、位置差等而有所不同，因此只凭借龙门处位置变化来判断真实的位移反馈是不准确的，影响到实际样品的测量精度。图3 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机上。坐标测量机通过干涉仪探头的配合，可反馈探测臂的位移。德国attocube公司的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪通过非接触式方法测量，可以直接测量探测臂的运动，避免龙门处探测误差，实现高精度测量。如图3，激光探头位于坐标测量机侧边，M12/C7.6激光探头出射的激光可以被探测臂上的反射镜（直径3mm）反射回激光探头，IDS3010干涉仪通过分析干涉信号从而进行位置测量。探测臂能够移动0.8米距离，移动精度达到10微米。干涉仪能够实时测量该探测臂的位移以及振动等信息。图4 IDS3010实时位置测量软件WAVE测量数据。扩展图为中间区域的数据放大。IDS3010配置的软件WAVE可以实时观测与保存测量数据。如图4，坐标测量机的运动数据被测量并记录。图中所示，前15秒与终10秒间的数据是0.8m距离的往复运动。中间时间的数据看似没有变化，但通过WAVE软件的放大功能，我们发现中间时间的探测臂其实进行了10微米的步进运动。同时，通过WAVE软件我们也可以观测到步进运动的详细变化过程。每一个步进大约2秒，在运动初始的时候位移有超过，在大约0.4秒的短时间内位移被调整为10微米的步进长度。而在步进的末尾，也有小幅的位置噪音，该噪音一般是由于振动引入。这对于探测样品位移以及振动信息具有重大意义。IDS3010技术特点：IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪具有体积小、适合集成到工业应用与同步辐射应用中的特点，同时，测量精度高，分辨率高达1 pm，是适合工业集成与工业网络无缝对接的理想产品。除与坐标测量机结合使用外，在工业中的其他应用实例也非常广泛，包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等等。+ 测量精度高，分辨率高达1 pm+ 测量速度快，采样带宽10MHz+ 样品大移动速度 2m/s+ 光纤式激光探头尺寸小，灵活性高+ 兼容超高真空，低温，强辐射等端环境+ 其可靠与稳定+ 环境补偿单元，不同湿度、压力环境中校正反射率参数提高测量精度+ 多功能实时测量界面，包含HSSL、AquadB、CANopen、Profibus、EtherCAT、Biss-C等界面相关产品及链接：1、皮米精度位移激光干涉器attoFPSensor：http://www.instrument.com.cn/netshow/C159543.htm2、EcoSmart Drive系列纳米精度位移台：http://www.instrument.com.cn/netshow/C168197.htm3、低温强磁场纳米精度位移台：http://www.instrument.com.cn/netshow/C80795.htm

p　　近日，中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆逊散射仪。/pp　　今年5月，在“科大一环”磁约束聚变等离子体装置开展实验中，基于重复频率200赫兹、单脉冲能量5焦耳的激光脉冲，实现了小于5电子伏特的电子温度测量精度，电子温度安全预警时间间隔达5毫秒，所获得的预警时间是国际同类系统的一半，指标提高一倍。这标志着我国在该领域进入国际领先水平行列，为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实基础。/pp　　据了解，在磁约束聚变反应装置工作过程中，偏滤器将承受巨大的能量泄放，需要对等离子体电子温度进行提前预警和实时反馈控制，实现脱靶而避免等离子体损伤器壁进而导致灾难性后果。基于高频高能激光的汤姆逊散射测量是精确测量等离子体电子温度的唯一可靠测量手段，激光的工作频率决定了温度预警的采样时间间隔，间隔越小系统预警越及时，装置运行安全系数越高。/pp　　受限于激光器能量和频率水平，我国以往等离子体温度诊断采用数十赫兹的低频激光器，采样间隔宽，遇到紧急情况无法及时预警，导致装置运行存在巨大风险。虽然采用多台低频率激光器合束技术可以满足预警时间间隔要求，但是这种方法可靠性大幅降低。欧洲和日本已经掌握了100赫兹工作频率的高能激光技术，预警时间间隔达到10毫秒，但这个预警时间间隔仍然较长，无法完全保证装置安全运行。/pp　　从2015年起，空天信息研究院联合中国科学院光电技术研究所和同济大学等单位历时3年时间，突破了高能量高光束质量激光传输与放大、激光相位共轭波前畸变校正、大口径/大尺寸激光放大模块、大功率脉冲激光驱动电源等关键技术，于2017年4月在国际上首次发布重复频率200赫兹、脉冲能量5焦耳、脉冲宽度6.6纳秒、光束质量1.7倍衍射极限的高频高能激光指标，将我国纳秒脉宽激光器的功率水平提高了1个数量级。研究团队研发出基本完善的工艺流程，核心器件/部件实现国产化，形成整机工程化制造能力。以200赫兹/5焦耳激光器为光源，中国科学技术大学攻克了大功率激光传输系统综合降噪、收集光学精准对焦、弱光信号探测提取等难题，成功地研制我国迄今精度最高的激光汤姆逊散射检测系统。/pp　　未来，研究团队将开展更高功率、更高频率激光器研发和更高精度的诊断实验，计划将激光器的工作频率提高至500赫兹，检测系统提供2毫秒的安全预警时间间隔和1电子伏特的电子温度测量精度，为下一代磁约束聚变装置安全运行提供高速预警手段。/ppbr//p

资料图：激光雷达成像图　　资料图：激光雷达样机　　近日，空军装备研究院某所领衔的高精度激光扫描设备研发获得科技部“国家重大科学仪器设备开发项目”立项批复，成为该国家级重大项目设立两年来空军唯一入选项目。　　据了解，该项技术通过高速激光扫描测量的方法，可大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的高精度三维数据，是测量技术的一次里程碑式革命，对于实现军事工程和工业测量的精细化管理具有重大意义。　　“军民融合协作科研、联合攻关是成功立项的重要原因。”该所所长、中国工程院院士陈志杰表示。　　据了解，这次项目申报工作由陈志杰领衔，副所长李光伟作为技术负责人牵头整体工作，一方面充分发挥院士领衔专家团队的人才优势和核心技术优势，另一方面与技术支撑单位中国科学院某研究所、联合产业化单位某地方光电技术公司通力合作，把合作从技术层面的项目协作提升为战略层面的联合攻关，从阶段性配合提升为全程式融合，充分发挥各家优势互补的特点，在技术开发、工程化和产业化上实现无缝对接，科研成果一旦出炉，马上投入产业化生产，迅速转化为军事价值和社会效益。

近日，空军装备研究院某所领衔的高精度激光扫描设备研发获得科技部“国家重大科学仪器设备开发项目”立项批复，成为该国家级重大项目设立两年来空军唯一入选项目。　　据了解，该项技术通过高速激光扫描测量的方法，可大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的高精度三维数据，是测量技术的一次里程碑式革命，对于实现军事工程和工业测量的精细化管理具有重大意义。　　“军民融合协作科研、联合攻关是成功立项的重要原因。”该所所长、中国工程院院士陈志杰表示。　　据了解，这次项目申报工作由陈志杰领衔，副所长李光伟作为技术负责人牵头整体工作，一方面充分发挥院士领衔专家团队的人才优势和核心技术优势，另一方面与技术支撑单位中国科学院某研究所、联合产业化单位某地方光电技术公司通力合作，把合作从技术层面的项目协作提升为战略层面的联合攻关，从阶段性配合提升为全程式融合，充分发挥各家优势互补的特点，在技术开发、工程化和产业化上实现无缝对接，科研成果一旦出炉，马上投入产业化生产，迅速转化为军事价值和社会效益。

电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带，它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体，次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在nature上。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性，发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。 图1：实验装置示意图（图片来源：doi:10.1038/nature25156） 值得指出的是，Sebastian Huber教授利用细金属丝将100片硅片组成一个10cmX10cm的平面，以此来模式二维拓扑缘体（如图1所示）。关键点是，当硅晶片被超声激励时，只有中心点有振动；其他角尽管连接在一起仍然保持静止。这种行为类似于二维拓扑缘体的带隙边缘和隙内拐角态的电子行为。而如何探测硅晶片的微小振动是整个实验成功的关键，Sebastian Huber教授利用德国attocube system AG公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪（如图2所示）来测量硅晶片不同位置的微小振动变化，整个测量系统的不确定度达到5pm的精度，测量统计误差达到10pm，后在通过超声激励后测得硅晶片的中心位置的振动位移为11.2pm，通过傅里叶变换之后在73.6KHz（如图3所示）。通过attocube皮米精度激光干涉仪IDS3010成功实现声子四拓扑缘体的次观测。 图2：皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010 图3：测量系统示意图和经过傅里叶频率变换的测量结果（图片来源：doi:10.1038/nature25156）IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪体积小、测量精度高，分辨率高达1 pm，适合集成到工业应用与同步辐射应用中，包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等。同时也得到了国内外众多低温、超导、真空等领域科研用户的认可和肯定。

在英国科学与技术设施委员会（STFC-UKRI）中央激光研究所，微靶制造科学家们正积极投身于高功率激光实验的微靶研究。新一代激光器提升了重复频率(高达10Hz)，这让高重复制靶法成为了重要的研究途径。在这些高功率激光实验中，科学家们依赖微流控装置实现亚微米级的液体片靶。然而，他们发现，依赖传统的机械加工或蚀刻来制造微流控通道，既耗时又昂贵。因此，研究小组正在寻求一种创新的解决方案，以便能够快速制作新的靶设计几何体原型来满足他们的实验需求。01、研究开发靶研究团队利用微流控设计了一种液体靶，当液体从微通道流出时产生了液体叶片靶。通道的设计会直接影响到叶片的质量，通过叶片的宽度和厚度判断。设计目标为制造出宽度为几毫米、厚度为几百纳米的叶片，以实现高精度实验需求。图1：当液体从通道中流出时产生的液体叶片靶由于液体的行为随通道的变化而变化，因此通道设计对实验来说尤为关键。需要平滑的通道以减少湍流，同时要严格控制出口的形状，因为它对最后的叶片质量起到重要影响。02、精密3D打印制造通道为了创建液体片，该团队利用摩方精密microArch S240打印出 20mm x 15mm x 5mm 的结构，其中有一个30μm 深的通道和一个 100μm 的出口。当然，与微型且精确的通道相比，该结构尺寸相对较大。但使用摩方精密设备打印较大的零件时，可同时保持通道所需的精度和准确度。现今通道选用钨材质，得益于钨能实现精确加工。在这种背景下，研究团队运用摩方精密 microArch系列设备的高精度 3D 打印系统，迅速准确地构建通道，为科研和快速原型设计提供了高效且成本较低的解决方案。图2：原钨件图3：高精度3D打印制造零件的特定部分原文链接：https://bmf3d.com/resource/high-precision-microfluidic-devices-for-high-power-laser-experiments/microArch S240microArch S240 作为摩方精密一款面向工业批量生产的超高精密3D打印机，不仅荣获全球光电科技领域最高奖—"棱镜奖（Prism Award）"，且具有以下突出特点和优势：高公差低层厚:光学精度高达10μm，±25µ m的加工公差，打印层厚10~40μm 打印体积扩大:满足工业打印的需求，可达100mm×100mm×75mm，实现更大规模的小部件产量；打印速度提升:最高提升10倍以上，快速缩短加工周期，为客户节省时间和成本；多种材料支持:支持多种高粘度陶瓷浆料（≤20000cps），以及耐候性工程光敏树脂、磁性光敏树脂等功能性复合材料的打印；应用领域广泛:卓越的精度、扩大的打印体积和多材料兼容性，满足客户在尺寸、性能和效率方面的多重需求。摩方精密作为目前全球唯一可以生产最高精度达到2μm精度，微尺度3D打印技术及颠覆性精密加工能力解决方案提供商，会持续专注于精密器件免除模具一次成型能力的研发，为客户提供制造复杂三维微纳结构技术解决方案。

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

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

德国萨尔大学21日发表公报说，该校研究人员研发出能观察单个细胞内部情况的新型高精度激光断层扫描仪，可用于检验抗衰老产品效果以及分辨皮肤癌细胞病变等。　　仪器发明者柯尼希介绍说，该仪器的分辨率比传统超声波仪器高上千倍，它不仅能观察单个细胞，甚至能观察线粒体等。借助此仪器能检验出防晒霜等抗衰老产品是否有效。它还能用以检验尼古丁、激素药物等对皮肤老化的影响。　　此外，由于癌细胞在激光照射下会比健康细胞更亮，医生还能借助此仪器提供的三维图像判断皮肤癌患者的皮肤细胞是如何癌变的，而无需取下病人组织细胞进行分析。　　柯尼希以该发明获得了德国贝特霍尔德莱宾格应用激光技术创新奖。

p 日前，“高精度激光调制吸收水气传感器应用技术”科技成果在北京通过专家评审，中科院院士姚建铨等评委会专家一致认为，该系统首次在国内无人机高空湿度测量、文物领域高湿环境监测等开展应用，在文物领域的应用填补了国内外空白，达国际先进水平。而市场上存在的传统测量方法在低温、高湿情况下，存在分辨率低、迟滞和误差大等问题。/pp 北京航天易联科技公司总经理李刚说，该传感器将国外传统水气传感器误差从± 5%提升到本传感器的± 1.5% 将传统传感器响应时间从10—30秒提升至100毫秒，实现了传感器技术的跨越 由于采用半导体光源，光源发出的检测气体特定光谱效率高，并使用信号处理算法，检测精度极高，可达1ppm(百万分之一)量级等。/pp　　此技术由北京航天易联科技发展有限公司、中科院半导体研究所、中科院电工研究所联合研发，具有多项核心自主知识产权。经多年研究和大量试验、测试，该传感器有稳定性和防爆性好、寿命长，环境适应性好等优势，可应用于气象环保、文物保护、石油化工等领域的湿气监测。/ppbr//ppbr//p

据美国科学促进会网站8月18日报道，美国国家标准技术研究院利用世界最黑材料——森林状多壁碳纳米管作涂层，研制出一种激光功率检测器，可用于光通讯、激光制造、太阳能转换以及工业和卫星运载传感器等先进技术领域的高精度激光功率测量。研究论文发表在最新的《纳米快报》上。　　这种新型检测器几乎不会反射可见光。在波长从400纳米的深紫，到4微米的近红外线波段，反射少于0.1%，在4微米—14微米的红外光谱中，反射少于1%。这和伦斯勒理工学院2008年报告的超黑材料相似。2009年一个日本团队也有类似研究。　　正是受到伦斯勒理工学院的研究论文《世界最黑人造材料》的启发，国家标准技术研究院的科研人员对精细碳纳米管进行了较为稀疏的排列，把它作为一种热检测器的涂层，制成了用于测量激光功率的设备。碳纳米管是热的良导体，提供了一种理想的热量检测器涂层。虽然镍磷合金在某些波段能反射更少的光，但不能导热。　　纽约石溪大学的合作研究人员在一种热电材料钽酸锂上，生长出了碳纳米管涂层，涂层吸收激光转换成热量，温度上升产生了电流，通过测量电流大小能确定激光的功率。涂层越黑，光吸收的效果越好，测量结果就越精确。其独特之处在于，纳米管是生长在热电材料上，而其它研究中是生长在硅材料上。　　国家标准技术研究院用过各种各样的材料来做检测器涂层，包括扁平状的单壁纳米管。最新的涂层是一种竖直的森林状多壁纳米管，每根细管直径小于10纳米，长约160微米，深管有助于吸收随机散射光和任何方向的反射光。　　由于技术上要求检测器能测量的反射光谱更加广泛，国家标准技术研究院用了5种不同的方法花了数百小时来测量越来越弱的反射光，结果精确度都能达到要求。研究人员计划将设备的刻度运行范围扩展到50微米甚至100微米波长，这或许可为太赫兹射线功率测量提供一种标准。

北京大学电子学院王兴军教授课题组-常林研究员课题组在两年攻关的基础上，研制出一种全新的硅基片上多通道混沌光源，提出了一种基于混沌光梳的并行激光雷达架构，攻克了激光雷达抗干扰和高精度并行探测这两个世界性难题，保证高性能高安全的同时，极大降低未来激光雷达系统体积、复杂度、功耗和成本。团队的研究成果《突破时间-频率拥塞的并行混沌激光雷达》于日前发表在《自然-光子学》杂志。随着高级别自动驾驶的日益普及，确保行驶舒适安全的激光雷达作为其核心器件，受到越来越多的重视。高性能、小体积、低成本、低功耗、高安全的激光雷达是未来厂商竞相追逐的方向。研究团队通过集成微腔光梳的调制不稳定状态产生天然的多通道随机调制信号，使其信号混沌带宽可超过7GHz，且光梳的调制不稳定态在18GHz的失谐范围内展现出良好的鲁棒性，能够应对外部泵浦光源的频率抖动。同时，材料的高非线性系数使产生的调制不稳定光梳的阈值功率相比其他材料平台低1~2个数量级，能够与片上分布式反馈激光器共集成。在此基础上，研究团队还搭建了并行激光雷达演示系统并对实物目标进行了高精度三维成像，验证了10通道规模的单像素成像，证明了各通道间良好的正交隔离性。此外，研究团队还对接收信号在不同信号干扰混叠下的抗噪功率抑制比进行了测试，实测可得在3dB阈值判据和12.5微秒积分时间下，单路信号的功率动态范围接近60dB，对调频连续波信号的抗噪功率抑制比接近30dB，对自身随机调制信号的抗噪功率抑制比可达22dB，展现出了良好的有源抗干扰能力。上述结果有望推动下一代高性能抗干扰激光雷达的变革。记者了解到，最近几年，研究团队在集成光电子学方面也取得了多项重要进展，包括实现了Tb/s硅基片上大容量光通信和跨C-V波段高精度微波光子信号处理、铌酸锂集成光子芯片、1.04TOPS/mm2高算力密度片上光计算、30nm极小粒径病毒检测、36μW最低功率阈值光学频率梳光源等多个国际领先成果。

近期，由中国光学工程学会、辽宁省科学技术协会主办的全国光电测量测试技术及产业发展大会暨辽宁省第十七届学术年会在大连成功召开。会议同期举办首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜颁奖典礼。仪器信息网作为大会独家合作媒体参与了本次会议，并采访了金燧奖银奖获奖单位代表苏州慧利仪器有限责任公司（以下简称“慧利仪器”）市场负责人庄锦程。本次获奖项目为“超高精度相移式激光干涉仪”，由慧利仪器、上海理工大学联合申报。超高精度相移式激光干涉仪集光学干涉与计算机数字化测量技术于一体，可实现纳米级精度的非接触式测量，主要面向国家高端计量、国家大科学仪器装置以及高端装备加工检测等领域，可以检测光学平面、球面的平面度，球面的曲率半径，柱面的表面面形，光学材料的均匀性，光学系统透射波前，光学平板的平行度等关键参数。近年来，国内在光学计量、国家大科学仪器装置、大规模集成电路、强激光系统等项目中对超高精度光学元件的检测需求越来越高，亟需在非稳环境下进行检测，同时对检测精度要求也越来越高。然而国际形势骤变，国外对中国的技术封锁与产品禁运愈发严重。正是在这样的背景下，慧利仪器坚持走产学研用相结合的道路，与上海理工大学、长春理工大学、苏州科技大学等高校合作创新，研制了超高精度相移式激光干涉仪。该成果实现了怎样的创新突破，解决了什么样的关键问题？该成果当前的产业化情况如何，取得了怎样的经济效益或社会效益，未来的市场前景如何？随着技术的进步和产业的发展，未来还将对相关技术提出哪些技术需求和挑战？有哪些发展建议？更多内容请观看视频： 首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜由中国光学工程学会联合多家单位于2022年发起，旨在积极面向国家重大战略需求，进一步突出企业的创新主体地位，促进关键核心技术攻关，突破卡脖子技术。本届“金燧奖”重点围绕分析仪器、计量仪器、测量仪器、物理性能测试仪器、环境测试仪器、医学诊断仪器、工业自动化仪器等7个类别进行广泛征集，得到了社会各界积极的参与和热情的响应。经过严格评审，71个优秀仪器产品脱颖而出，遴选出金奖10项、银奖16项、铜奖28项、优秀奖17项。这些产品都是我国自主研发、制造、生产的专精特新的高端光学仪器，较好地展现了我国在高端科学仪器中的自主核心竞争力，提升了民族品牌在激励市场竞争中的自信心，鼓舞了国产厂商的攻关热情。

全共线多功能超快光谱仪BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大学研究人员成立的科研设备制造公司。该公司致力于研发为半导体研究应用而优化的超快光谱仪和显微镜，突破性的技术可将光学器件和射频电子器件耦合在一起，以稳健的方式测量具有干涉精度的光学信号，真正实现一套设备、一束激光、多种功能。图1. 全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光谱(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多维相干光谱探测(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司研发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT主要技术参数：高精度激光扫描显微镜NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光扫描显微镜NESSIE可用入射激光快速扫描样品，在几秒钟内就能获得高光谱图像。该设备可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器，物镜高度最多可变化5英寸，大样品尺寸同样适用。NESSIE显微镜是具有独立功能，可以与几乎任何基于激光测量与高分辨率成像的设备集成在一起，也非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成。图2. 高精度激光扫描显微镜NESSIE 高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。图3. 使用NESSIE在室温下测量的GaAs量子阱的图像。a） 用相机测量的白光图像。b） 用调谐到GaAs带隙的80MHz激光器（5mW激光输出）进行激光扫描线性反射率测量。c） 同时测量的激光扫描四波混频图像揭示了影响GaAs层的亚表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE应用案例：1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。图4. (a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线【参考】Eric Martin, et al Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。图5. （a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量【参考】Eric Martin, et al Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。黄迪教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学对于理解导致其形成的成对和磁不稳定性至关重要。图6. 单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱【参考】Di HUANG, et al Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)

日前，丹东百特研制的“高精度智能激光粒度仪”项目，在北京通过了由中国建材联合会、中国非金属矿工业协会共同组织的技术成果鉴定。高精度智能激光粒度仪项目是工信部“工业强基”项目中的子项目，由丹东百特、浙江大学和苏州非矿院共同承担。经过两年的不懈努力，采用了许多新技术,于2017年底全面完成了项目任务书中规定的目标。项目产品的创新技术包括，激光散射+显微图像二合一技术、粉体颗粒折射率测量技术、双镜头斜入射光路技术、智能测试技术、粒形分析技术、产品复配技术等，保证了仪器的各项技术指标达到了世界先进水平。丹东百特董青云总经理就项目的研制过程和创新成果向鉴定专家做了详细的汇报。专家通过考察用户、查阅资料、听取汇报的方式，对项目仪器的测量范围、准确性、重复性、分辨力和智能化等主要技术性能进行了验证并给予高度评价。鉴定结论是高精度智能激光粒度仪——Bettersize3000“是中国颗粒检测技术取得的最新成果”，达到了“国际先进水平”。 Bettersize3000采用的激光散射+显微图像技术，使该仪器既能测试粒度，又能分析粒形，实现一机多用；粉体材料折射率测量技术保证了对新粉体材料的粒度分析准确性；高精度探测器、短波长光源和双镜头斜入射技术使散射光探测角度达到0.02-165°，保证了测试范围达到0.01-3500μm；采用智能控制技术实现“一键操作”，十分钟就能学会操作；通过标准样品和多样品混合验证，准确性和分辨力等指标远超国外同类产品。除常规性能出众外，Bettersize3000还有两个绝招，一是能测最大粒径——D100。激光粒度仪不能测量D100这一点在最新激光粒度仪国际标准中有明确的阐述。Bettersize3000通过显微成像系统来精确“捕捉”最大颗粒D100，解决了这一困扰业界的难题。二是具备产品复配功能。如果用户要购买粒度为C的产品，而库存有粒度为A和B两种产品（C粒度居A和B之间），这时Bettersize3000能得出用A和B的复配比例，从而得到C。此项功能降低了库存，提高了效率，节省了成本，降低了能耗，拓展了激光粒度仪的应用领域。鉴定会上，专家组长章少华教授，粉体专家郑水林、盖国胜、唐靖炎教授，仪器专家黄强教授等和协会领导纷纷发言，对项目产品在技术性能上达到新高度、对百特在粒度测试上取得的新成就表示赞赏和祝贺，认为中国激光粒度仪器已经从中低端迈向了高端，希望百特继续努力，创出中国制造的世界品牌。

研究背景 驱动工程行业中的部件需要测试多种机械特性，例如，需要检查齿轮箱的长期平滑度、同步性、齿隙、扭转刚度、摩擦行为和机械弹性[1,2]。测试实验室通常配备各种测试台，以便于在接近真实世界的条件下分析齿轮，确定并确保其技术特性。 WITTENSTEIN alpha是attocube母公司WITTENSTEN SE的战略业务部门，负责精度需求超高的机电伺服驱动系统的开发和机械生产。WITTENSTEIN在垂直线性运动测试台上使用了attocube的皮米精度激光干涉仪-IDS3010。IDS3010能够提供皮米分辨率，1MHz的数据输出，可有效帮助测试齿轮齿条传动系统中行星齿轮箱机械参数的长期稳定性。 实验装置 试验台包含沿垂直轴移动的400 kg负载质量。该负载与齿轮齿条系统相连，齿轮齿条系统由WITTENSTEIN alpha齿轮箱和伺服电机驱动组成。传统的玻璃标尺在精度、灵活性和检测高频振动方面十分受限，无法收集该测试台所需的所有数据。为了更好地了解变速箱的性能，需要精度更高且易于集成到现有装置中的设备。皮米精度激光干涉仪-IDS3010具有皮米级精度、紧凑的传感器头和模块化设计、通过光纤传输激光等特性，工程师将其集成到装置中并实现了快速安装和快速对齐。在开始整合两小时内，使用IDS3010在整个0.747米的工作范围内完成了测量。图1显示了测试台，包括安装在400 kg重量上的角锥棱镜和M12/C7.6准直传感器头，同时以1 MHz带宽从IDS3010读取模拟Sin/Cos数据。 Figure 1: Test bench for mechanical load tests of a gearbox 测试结果分析 图2显示了工作范围内几个周期的位移数据。如下图（a）所示，循环结果接近正弦曲线；图（b）是运动的转折点放大的曲线数据。高分辨率位移数据为同步和传动误差的齿轮箱行为提供了新证据。探索纳米级细节的能力为频率和运动分析提供了新的机会。通过IDS3010和进一步优化，可以可视化完成行星齿轮箱中单齿的影响。此外，如图（e）所示，两种方法的差异表明，玻璃尺读数提供的测量数据准确性较差。两个信号之间差异的周期性明显，表明不是由于噪声或变化造成的数据误差，而是因为玻璃尺编码器位于远离感兴趣的测量点和玻璃刻度不精确。此外，IDS3010及其光学组件具有更明显的优点，例如紧凑的传感器头和质量可忽略的角锥棱镜。 Figure 2: Displacement data of the weight moved by the gearbox. (a) shows the position of the mass that was measured with the IDS3010. (b) is a 160 000 times magnified segment of a) to show the precision of the interferometric measurement. (c) is the speed measurement of the weight movement obtained from the data of a). (d) is the same measurement as a) but with an optical linear encoder – which looks similar until one looks at the detail of the difference – as seen in plot (e).结论 综上所述，IDS3010提高了测试台的精度和分辨率。基于激光的测量和小型化组件对无限接近感兴趣的点进行测量成为可能，且不会影响整个装置的运动行为。这使得测试和开发工程师能够确定更多无法使用玻璃尺检测到的机械和摩擦现象。此外，IDS3010紧凑的设计、易于安装和快速对准的特性，允许在一个实验室内的多个测试台上灵活应用和集成。由于IDS3010可测量长达5米的工作距离，多达三个的光轴，因此干涉仪也可用于更大的测试台。 References [1] R. Russo, R. Brancati, E. Rocca: “Experimental investigations about the influence of oil lubricant between teeth on the gear rattle phenomenon”, Journal of Sound and Vibration, Volume 321, Issues 3-5, 2009, Pages 647-661.[2] Y. Chen, A. Ishibashi: “Investigation of the Noise and Vibration of Planetary Gear Drives”, GEAR TECHNOLOGY, Jan/Feb 2006.相关产品1、皮米精度激光干涉仪-IDS3010

1.IDS3010激光干涉仪在自动驾驶高分辨调频连续波（FMCW）雷达中的应用自动驾驶是目前汽车工业为前沿和火热的研究，其中可靠和高分辨率的距离测量雷达的开发是尤为重要的。德国弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所（Wachtberg，D）Nils Pohl教授和波鸿鲁尔大学（Bochum，D）的研究小组提出了一种全集成硅锗基调频连续波雷达传感器（FMCW），工作频率为224 GHz，调谐频率为52 GHz。通过使用德国attocube公司的皮米精度激光干涉仪FPS1010（新版本为IDS3010），该雷达测量系统在-3.9 um至+2.8 um之间实现了-0.5-0.4 um的超高精度。这种新型的高精度雷达传感器将会应用于许多全新的汽车自动驾驶领域。更多信息请了解:S. Thomas, et al IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67, 11, (2019)图1.1 紧凑型FMCW传感器的照片图1.2 雷达测距示意图，左边为雷达，右边为移目标，attocube激光干涉仪用来标定测量结果 2. IDS3010激光干涉仪在半导体晶圆加工无轴承转台形变测量上的应用半导体光刻系统中的晶圆轻量化移动结构的变形阻碍了高通吐量的半导体制造过程。为了补偿这些变形，需要的测量由光压产生的形变。来自理工大学荷兰Eindhoven University of Technology 的科学家设计了一种基于德国attocube干涉仪IDS3010的测量结构，以此来详细地研究由光压导致的形变特性。图2.1所示为测量装置示意图，测量装置是由5 x 5 共计25个M12/F40激光探头组成的网格，用于监测纳米的无轴承平面电机内部的移动器变形。实验目的是通过对无轴承平面的力分布进行适当的补偿，从而有效控制转台的变形。实验测得大形变量为544 nm，小形变量为110 nm（如图2.2所示）。更多信息请了解:Measuring the Deformation of a Magnetically Levitated Plate displacement sensor图2.1 左侧为5X5排列探头测量装置示意图，右图为实物图图2.2 无轴承磁悬浮机台形变量的测量结果，大形变量为544 nm 3.IDS3010在提高X射线成像分辨率中的应用在硬X射线成像中，每个探针平均扫描时间的减少对于由束流造成的损伤是至关重要的。同时，系统的振动或漂移会严重影响系统的实时分辨率。而在结晶学等光学实验中，扫描时间主要取决于装置的稳定性。attocube公司的皮米精度干涉仪FPS3010（升后的型号为IDS3010），被用于测量及优化由多层波带片（MZP）和基于MZP的压电样品扫描仪组成的实验装置的稳定性。实验是在德国DESY Photon Science中心佩特拉III期同步加速器的P10光束线站上进行的。attocube公司的激光干涉仪PFS3010用来检测样品校准电机引起的振动和冲击产生的串扰。基于这些测量，装置的成像分辨率被提高到了±10 nm。更多信息请了解:Markus Osterhoff, et at. Proceedings Volume 10389, X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III 103890T (2017)图3.1 实验得到的系统分辨率结果 4.IDS3010激光干涉仪在微小振动分析中的应用电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带，它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。全球研究机构苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体，次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在Nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性，发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。德国attocube公司的激光干涉仪IDS3010被用于超声-空气转换器激励后的机械超材料振动分析。IDS3010能到探测到机械超材料不同位置的微小振动，以识别共振频率。终实现了11.2 pm的系统误差，为声子四拓扑缘体的实验分析提供了有力的支持。更多信息请了解：Marc Serra-Garcia, et al. Nature volume 555, pages 342–345 (2018)图4.1 实验中对对机械超材料微小振动的频率分析5. IDS3010激光干涉仪在快速机床校准中的应用德国亚琛工业大学（Rwth Aachen University，被誉为“欧洲的麻省理工”）机床与生产工程实验室（WZL）生产计量与质量管理主任的研究人员利用IDS3010让机床自动校准成为可能，这又将大的提高机床的加工精度和加工效率。研究人员通过将IDS3010皮米精度激光干涉仪和其他传感器集成到机床中，实现对机床的自动在线测量。这使得耗时且需要中断生产过程的安装和卸载校准设备变得多余。研究人员建立了一个单轴装置的原型，利用IDS3010进行位置跟踪。其他传感器如CMOS相机被用来检测俯仰和偏摆。校准结果与常规校准系统的结果进行了比较，六个运动误差（位置、俯仰、偏摆、Y-直线度、Z-直线度）对这两个系统显示出良好的一致性。值得指出的是，使用IDS3010的总时间和成本显著降低。该装置演示了自动校准机床的个原型，而且自动程序减少了机器停机时间，从而在保持相同的精度水平下大的提高了生产率。更多信息请了解：Benjamin Montavon et al J. Manuf. Mater. Process. 2(1), 14 (2018)图5.1 自动校准激光探头安装示意图6.IDS3010激光干涉仪在工业C-T断层扫描设备中的应用工业C-T断层扫描被广泛用于材料测试和工件尺寸表征。几何测量系统是设计的锥束C-T系统的一大挑战。近期，瑞士联邦计量院（METAS）的科学家采用德国attocube公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪用于X射线源、样品和探测器之间的精密位移跟踪。该实验共有八个轴用于位移跟踪。除了测量位移之外，该实验装置还能够进行样品台的角度误差分析。终实现非线性度小于0.1 um，锥束稳定性在一小时内优于10 ppb的高精度工业C-T。更多信息请了解: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, AU6.1激光干涉仪在系统中的测量定位示意图7.IDS3010激光干涉仪在增材制造3D打印中的应用微尺度选择性激光烧结（u-SLS）是制造集成电路封装构件（如微控制器）的一种创新方法。在大多数的增材制造中需要微米量的精度控制，然而集成电路封装的生产尺寸只有几微米，并且需要比传统的增材制造方法有更小的公差。德克萨斯大学和NXP半导体公司开发了一种基于u-SLS技术的新型3D打印机，用于制造集成电路封装。该系统包括用于在烧结站和槽模涂布台之间传送工件的空气轴承线性导轨。为满足导轨对定位精度高的要求，该系统采用德国attocube公司的皮米精度干涉仪IDS3010来进行位置的跟踪。更多信息请了解：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 7.1系统示意图，其中激光干涉仪被用作位移的测量和反馈8. IDS3010激光干涉仪在扫描荧光X射线显微镜中的应用在搭建具有纳米分辨率的X射线显微镜时，对系统稳定性提出了更高的要求。在整个实验过程中，必须确保各个组件以及组件之间的热稳定性和机械稳定性。德国attocube的IDS3010激光干涉仪具有优异的稳定性和测量亚纳米位移的能力，在40小时内表现出优于1.25 nm的稳定性，并且在100赫兹带宽的受控环境中具有优于300 pm的分辨率。因此，IDS3010是对上述X射线显微镜装置的所有部件进行机械控制的不二选择，使得整个X射线显微镜实现了40 nm的分辨率，而在数据收集所需的整个时间内系统稳定性优于45 nm。更多信息请了解：Characterizing a scanning fluorescence X ray microscope made with the displacement sensor 8.1荧光X射线显微镜的高分辨成像结果

p　　 日前，丹东百特研制的“高精度智能激光粒度仪”项目，在北京通过了由中国建材联合会、中国非金属矿工业协会共同组织的技术成果鉴定。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 257px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/ee9cefa6-af36-4f81-8d77-ea132a9a8732.jpg" title="1.jpg" height="257" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp　　高精度智能激光粒度仪项目是工信部“工业强基”项目中的子项目，由丹东百特、浙江大学和苏州非矿院共同承担。经过两年的不懈努力，采用了许多新技术,于2017年底全面完成了项目任务书中规定的目标。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 333px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/efd0b209-a95b-4ac8-be64-d3091ca12bd5.jpg" title="2.jpg" height="333" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp　　项目产品的创新技术包括，激光散射+显微图像二合一技术、粉体颗粒折射率测量技术、双镜头斜入射光路技术、智能测试技术、粒形分析技术、产品复配技术等，保证了仪器的各项技术指标达到了世界先进水平。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/e3fd53df-4414-49f2-b970-63e3e9fe1739.jpg" title="3.png"//pp　　丹东百特董青云总经理就项目的研制过程和创新成果向鉴定专家做了详细的汇报。专家通过考察用户、查阅资料、听取汇报的方式，对项目仪器的测量范围、准确性、重复性、分辨力和智能化等主要技术性能进行了验证并给予高度评价。鉴定结论是高精度智能激光粒度仪——Bettersize3000“是中国颗粒检测技术取得的最新成果”，达到了“国际先进水平”。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 281px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/4fb55b5c-fc99-462b-be82-a948a1fd7613.jpg" title="4.jpg" height="281" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp　　Bettersize3000采用的激光散射+显微图像技术，使该仪器既能测试粒度，又能分析粒形，实现一机多用 粉体材料折射率测量技术保证了对新粉体材料的粒度分析准确性 高精度探测器、短波长光源和双镜头斜入射技术使散射光探测角度达到0.02-165° ，保证了测试范围达到0.01-3500μm 采用智能控制技术实现“一键操作”，十分钟就能学会操作 通过标准样品和多样品混合验证，准确性和分辨力等指标远超国外同类产品。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 266px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/bd50a02e-8783-4b52-8501-641dd359684f.jpg" title="5.jpg" height="266" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp　　除常规性能出众外，Bettersize3000还有两个绝招，一是能测最大粒径——D100。激光粒度仪不能测量D100这一点在最新激光粒度仪国际标准中有明确的阐述。Bettersize3000通过显微成像系统来精确“捕捉”最大颗粒D100，解决了这一困扰业界的难题。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 634px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/4e5abc28-c8e9-421d-ad7c-5cda7719639e.jpg" title="6.jpg" height="634" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp　　二是具备产品复配功能。如果用户要购买粒度为C的产品，而库存有粒度为A和B两种产品(C粒度居A和B之间)，这时Bettersize3000能得出用A和B的复配比例，从而得到C。此项功能降低了库存，提高了效率，节省了成本，降低了能耗，拓展了激光粒度仪的应用领域。/pp style="text-align: center"img style="width: 450px height: 338px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/4ef76a88-e513-40dd-9855-12fb34cdeb2c.jpg" title="7.jpg" height="338" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//pp　　鉴定会上，专家组长章少华教授，粉体专家郑水林、盖国胜、唐靖炎教授，仪器专家黄强教授等和协会领导纷纷发言，对项目产品在技术性能上达到新高度、对百特在粒度测试上取得的新成就表示赞赏和祝贺，认为中国激光粒度仪器已经从中低端迈向了高端，希望百特继续努力，创出中国制造的世界品牌。/pp style="text-align: center "img style="width: 450px height: 268px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/0e8c65fc-e23a-4bb5-9ead-c19c6bde4093.jpg" title="8.jpg" height="268" hspace="0" border="0" vspace="0" width="450"//p

开路气体分析技术：不同于常见的抽取式采样+闭路气体池技术，开路气体分析技术对浓度变化的响应时间可达0.1秒，不存在采样和预处理通道管壁对分子的吸附和滞后现象。低功耗、部署范围广：无需采样泵降低了整机功耗和质量，方便携带，结合太阳能电池板，有利于在无供电电网地区部署，提高了用户选择研究地点的自由度。波长调制技术：采用预设的程序，在目标气体的吸收范围内选取波长进行扫描式复合测量，以此获得更佳的峰型（用于光谱积分反演），排除非目标气体的干扰。信号噪音屏蔽：优化的模拟电子技术，极低噪声激光电流源，探测器前放，结合锁相放大数字信号处理算法，避免了自然环境中的电磁干扰，以及光电子噪声的影响，以此获得更准确的测量结果。中心波长控制器：通过参考光路以及自动反馈将激光器中心波长锁定在特征吸收谱中心，确保获得更准确的特征波谱。稳定的温度控制：通过被动散热和半导体制冷，保证激光器温度的精准控制。在外界不断变化的温度条件下获得更准确的测量结果。稳定的环境气压和温度测量补偿：对环境温度和压力实时精准测量，结合内置的温度和压力补偿算法，确保在环境条件不断变化下获得更准确的测量结果。冬季/夏季两种工作模式：冬季,夏季模式可根据环境温度进行切换，拓展仪器工作温度范围，提高测量准确度。创新点：海尔欣公司自主研发的大气氨激光开路分析仪采用红外激光吸收光谱技术(LDIR)，结合开路式多次反射气体池，使得测量有效光程达数十米，实现了对大气氨分子进行10Hz，亚ppb精度的高速测量，该大气氨开路分析仪采用车辆移动平台搭载的形式，形成一整套车载巡检系统。1、避开了传统的闭路氨分析仪器由于采样管路的传输时间和吸附效应，响应速度很慢的缺点，创新性的采用开路测量方案，无需采样，响应速度非常快，由高浓度恢复至零点时间小于1秒，尤其适合车载平台高速运动中收集到瞬时浓度变化，避免漏检氨排放源；2、开路分析仪无需采样泵，依靠大气的自然流动经过光路分析，大大降低了整机功耗(50W)和质量(5kg)，因此可使用小型车载电源或电池供电，适合多种巡检车型。海尔欣的分析仪甚至结合太阳能电池板可在无电网覆盖区域部署，提高了用户选择测量点的自由度。

近日，来自安徽科技理工大学、安徽西部大学皖西学院、复旦大学大气与海洋科学学院、上海期智研究院的联合研究团队发表了《通过实施光学条纹噪声抑制方法的激光波长调制光谱技术实现气体测量的高精度和高灵敏度检测》论文。Recently, the joint research team from Anhui University of Science and Technology, West Anhui University, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Fudan University, Shanghai QiZhi Institute published an academic papers High precision and sensitivity detection of gas measurement by laser wavelength modulation spectroscopy implementing an optical fringe noise suppression method.可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）已被开发用于痕量气体测量，因其高精度、高灵敏度和无需任何样品准备的原位自校准的独特优势。通常，长光程的多次通过腔体（MPC）被应用于增强基于TDLAS的传感器的检测精度和灵敏度。然而，MPC中出现的意外光学干涉纹严重影响了传感器的检测精度和灵敏度。基于MPC的TDLAS传感器的检测精度和灵敏度通常受到光学干涉纹的限制，这些干涉纹由衍射、镜面表面瑕疵的散射、镜面畸变、热膨胀、冷收缩或应力变形引起。因此，MPC中观察到的光学干涉纹由不同的光学干涉纹组成。这些光学干涉纹主要是由于少量的激光以与主激光束相差ΔL的光程到达探测器所致。这些问题对于TDLAS是普遍存在的，尤其是在使用密集重叠斑点模式的MPC时，提出了一些不同的方法来消除光学干涉纹的负面影响。The Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) has been developed for trace gas measurement, as its unique advantages of high precision, high sensitivity and self-calibration in situ qualification with-out any sample preparation. The multi-pass cell (MPC) with a long optical path is usually applied to enhance TDLAS-based sensor’s detection precision and sensitivity. However, the unexpected optical fringes occurring in the MPC often spoil the sensor’s detection precision and sensitivity seriously. The detection precision and sensitivity of the TDLAS-based sensors containing an MPC are often limited by the optical fringes that result from diffraction, scattering on the mirror surface imperfections, mirror aberration, thermal expansion, cold contraction, or stress deformation. Therefore, the complex optical fringe consisting of different optical fringe will be observed in the MPC. These optical fringes are due largely to a small amount of laser reaching the detector with an optical path length differing by ΔL from the main laser beam. Those problems are common for TDLAS, especially using dense overlapped spot pattern MPC and some di&fflig erent methods are proposed to eliminate the negative influence of the optical fringes.研究团队提出了一种抑制可调二极管激光吸收光谱中光学条纹噪声的新方法，并将其应用于由光学条纹扰动的CH4气体传感器，以提高检测精度和灵敏度。所开发的CH4检测仪的示意图如图1所示。宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供锁相放大器（HPLIA 微型双通道调制解调锁相放大器），从光电探测器输出的信号发送到锁相放大器，锁相放大器相对于同步信号对2f模式进行解调，锁相放大器的时间常数设为1ms。In this work, a novel method to suppress optical fringe noise in the tunable diode laser absorption spectroscopy is proposed and applied to the CH4 gas sensor perturbed by optical fringes for higher detection precision and sensitivity.The schematic diagram of the developed CH4 detection instrument is shown in Fig. 1 . HealthyPhoton Co.,Ltd provided a HPLIA Miniature dual-channel modulated demodulation lock-in amplifier for this project. The lock-in amplifier demodulates the signal in the 2f mode with respect to the sync signal. The time constant of the lock-in amplifier is set to 1 ms.Fig.1. Schematic diagram of the developed CH 4 detection systemlock-in amplifier (Healthy Photon, HPLIA)对于被光学条纹和随机噪声干扰的20 ppm CH4的二次谐波(2 f)信号，通过该新方法，2f信号的信噪比(SNR)从17提高到182，优化平均光谱范围Δ𝜆 。与未经处理的原始信号相比，CH4测量精度改善了约1.5倍。相应的最小可检测浓度可从3 ppb改善到0.78 ppb。系统的相应噪声当量吸收灵敏度(NNEA)和噪声当量浓度(NEC)分别为6.13 ×10-11 cm&minus 1 W Hz&minus 1/2 and 0.181 ppm。For the 2nd harmonic(2f) signal of 20 ppm CH4 spoiled by optical fringes and random noise, by the novel method, the signal-to-noise ratio (SNR) of the 2f signal is improved about 6.5 times from 17 to 182 with an optimal averaging spectral range Δ𝜆 . A &sim 1.5 times improvement in the measurement precision of CH4 is achieved compared to unprocessed raw signal. The corresponding minimum detectable concentration can be improved from 3 ppb down to 0.78 ppb. The corresponding noise equivalent absorption sensitivity (NNEA) and the noise equivalent concentration (NEC) of the system is 6.13 ×10-11cmW-1Hz-1/2 and 0.181 ppm, respectively.Violet line from traditional averaging method and magenta line from the novel optical fringe noise suppression method.Histogram plot of the 20 ppm CH 4 deviation.20 ppm CH 4 Allan-deviation stability of developed overlapped spot pattern MPC.参考文献：Reference:Yanan Cao, Xin Cheng, Zong Xu, Xing Tian, Gang Cheng, Feiyan Peng, Jingjing WangHigh precision and sensitivity detection of gas measurement by laser wavelength modulation spectroscopy implementing an optical fringe noise suppression method, Optics and Lasers in Engineering 166 (2023) 107570www.elsevier.com/locate/optlaseng

p 近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员与国家纳米中心刘前研究员合作，在NanoLetters上发表了研究论文，报道了一种他们开发的新型5nm超高精度激光光刻加工方法。 　　/pp　　据悉，研究团队设计开发了一种新型三层堆叠薄膜结构。在无机钛膜光刻胶上，采用双激光束交叠技术，通过精确控制能量密度及步长，实现了1/55衍射极限的突破，达到了最小5nm的特征线宽。/pp　　此外，研究团队利用这种超分辨的激光直写技术，实现了纳米狭缝电极阵列结构的大规模制备。同时，该团队还利用发展的新技术制备出了纳米狭缝电极为基本结构的多维度可调的电控纳米SERS传感器。/pp　　值得一提的是，研究团队所开发的具有完全知识产权的激光直写设备，利用了激光与物质的非线性相互作用来提高加工分辨率，其有别于传统的缩短激光波长或增大数值孔径的技术路径；并打破了传统激光直写技术中受体材料为有机光刻胶的限制，可使用多种受体材料，极大地扩展了激光直写的应用场景。/pp　　目前，该工作得到了国家重点研究计划项目、国家自然科学基金、Eu-FP7项目、中国博士后科学基金的支持。/p

1. 产品简介近几年国内机动车尾气遥感监测技术得到快速发展。技术路线由一、二代的NDIR非分散红外光谱、DOAS 紫外差分吸收光谱，逐渐演变至第三代TDLAS可调节半导体激光吸收光谱技术。 传统的尾气遥测系统采用 NDIR、DOAS 相结合的方式，设备造价低，但在户外尾气遥感监测应用领域受环境的温度、湿度以及其它背景气体影响较严重，测量响应时间慢，存在严重的漂移，导致无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。新一代的TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱技术路线，在抗干扰能力、测量分辨率、信号稳定性、光源寿命、运维成本以及测量响应时间等方面具有明显的优势。 海尔欣科技依托丰富的中远红外激光气体检测领域的技术积累，全新推出OPGM-2000系列高精度气体遥感全激光监测模块。采用近-中红外半导体激光器（QCL）测量 CO、CO2、NO、HC，四个气体组分采用独立灵活的单组分模块化设计，体积小，性价比高。既方便工程公司进行系统集成，也适合对传统非激光方案的遥测模组进行升级改造。单组分遥测模块示意图测量原理示意图2. 产品特色1. 基于激光吸收光谱遥感技术，非接触式测量，无背景气体交叉干扰，检测精度高；2. 采用单组分独立模块化设计，适合替换现有非激光NO、CH等测量方案，保留其他组分；3. 系统响应时间约为0.5秒，快速检测尾气排放；4. 内置参比校准池，实时校准波长和精度，系统漂移小；5. 集成温度和气压传感器，自动进行温度气压补偿，测量准确度高；6. 采用逆反射技术，实现高效的反射光信号收集，自动进行信号强度补偿，降低扬尘等引起信号衰减导致的测量误差；7. 利用绿色激光测量不透光度，同时作为引导光便于光路的调节；8. 适合同时测量汽油车和柴油车排放；9. 符合《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求（遥感检测方法）》（HJ845-2017）标准要求；技术参数表针对汽车尾气遥测应用的激光模块测量原理红外TDLAS技术,每组分由单独模块测量技术指标检测气体独立组分NO\CH\CO\CO2检测量程NO：0-10000ppmCO2：0％～16％CO：0％～10％HC：0-10000ppm检测精度NO精度：相对误差±10％且绝对误差±20ppm；CO2精度：相对误差±10％且绝对误差为0.25％；CO精度：相对误差±10％且绝对误差为0.25％；HC精度：相对误差±10%且绝对误差±10ppm；不透光度0-100%绝对误差为±2%且相对误差为±5％测量距离可实现4车道往返30米光程测量响应时间0.5秒信号接口信号传输RS232/RS485输出频率10/20/50/100Hz可选工作条件环境温度-10～50 ℃环境气压80～120 kPa电源功耗24 VDC @ 200 W安装方式水平/垂直固定式安装尺寸/重量光学系统380′140′100 mm3（护罩内），～5 kgSDK 软件界面（示例） 设备清单序号名称数量备注1气体遥测主机1部2中控机1台3通信电缆1根RS232或以太网口选配件4SDK软件1套 不同遥测技术方案对比

2020 DMP大湾区工业博览会于11.24-11.27在深圳举办。天远三维于本次展会上重磅推出新款蓝光激光手持三维扫描仪 —— FreeScan UE。FreeScan UE激光手持三维扫描仪继承FreeScan系列“高精度”“稳定的重复精度”的标志性特点，同时着力于人体工学与轻量化的设备设计，握持设备操作更轻松，为汽车工业、交通运输、航空航天、模具检测、能源制造及机械制造等行业提供计量级的高精度检测方案。高精度不放过尺寸偏差上的“蛛丝马迹”。重复精度很稳定，多次测量同一工件，结果依然“从一而终”。仅670g，长时间握持扫描变得“轻而易举”。不惧黑色和反光，蓝色激光光源让扫描“不拘一格”。最大幅面达到510mm*520mm，大幅面配合高帧率，扫描就是如此“顺畅高效”。软件清晰易懂，引导的流程让扫描变得“易学易用”。实现无缝对接检测软件，只需一个按键，实现扫描数据从扫描软件到检测软件的“瞬间移动”。出色的性能带来更广泛的应用关于先临三维先临三维专注3D数字化及3D打印技术十余年，总部位于杭州，在德国斯图加特，美国旧金山设有子公司，是全球为数不多的拥有自主研发的“从3D数字化数据设计到3D打印直接制造”的软硬件一体化完整技术链的科技创新企业，提供“3D数字化-智能设计-3D打印”系统解决方案，应用于高端制造，精准医疗，定制消费等领域。公司致力于实现复杂结构产品的柔性生产，助力制造业高质量发展，让个性化产品走进亿万家庭，引领中高端消费。公司官网：www.shining3d.com

德国attocube公司推出的皮米精度激光干涉仪IDS3010凭借其特的设计原理、超高的稳定性并且可在端环境中使用的特点，获得了全球工业设计奖项之一的“iF设计奖”。图1：德国attocube公司IDS3010皮米精度激光干涉仪“iF Design Award”由德国设计协会创立，与德国“Red dot奖”、美国“IDEA奖”并称为三大设计奖。这个让人梦寐以求的奖项次授予了激光位移传感领域，具有非常重大的意义，这也是对IDS3010皮米精度激光干涉仪这一颠覆性产品的认可。IDS3010皮米精度激光干涉仪分辨率高达1pm，采样速率达到10MHz，样品大移动速度2m/s，小激光探头为1.2mm。广泛应用于闭环扫描器校准、纳米精度位移标定、无损测量振动频率及轴承误差、精密仪器制造、角度测量以及同步辐射光路准直等领域。图2：IDS3010皮米精度激光干涉仪应用领域：计量学研究、显微镜控制、超精密加工、同步辐射应用、真空/低温系统、加工机床校准值得指出的是，IDS3010皮米精度激光干涉仪获得了德国PTB的认证，大程度地保证了其测量的可靠性和准确性。图3：德国PTB计量证书德国attocube公司的皮米精度激光干涉仪IDS3010在国内已经拥有清华大学、天津大学、中国计量科学院、中科院高能物理研究所、中科院应用物理研究所、南方科技大学等用户，并在国际上受到广泛青睐，用户包括哈佛大学、斯坦福大学、耶鲁大学等科研单位。

孚光精仪在上海，天津同时发布一款新型激光直写式雾无掩模光刻系统。这款无掩模光刻机是一款高精度的激光直写光刻机。这套无掩模光刻机具有无掩模技术的便利，大大提高影印和新产品研发的效率，节省时间，是全球领先的无掩模光刻系统。这款激光直写无掩模光刻机直接用375nm或405nm紫外激光把图形写到光胶衬底上。 激光直写无掩模光刻系统特色尺寸：925x925x1600mm内置计算机控制接口激光光源：375nm或405nm视频辅助定位系统自动聚焦设置 详情浏览：http://www.f-opt.cn/guangkeji.html 激光直写无掩模光刻机参数线性写取速度：500mm/s位移台分辨率：100nm重复精度： 100nm晶圆写取面积：1—6英寸衬底厚度：250微米-10毫米激光点大小：1-100微米准直精度：500nm Email: info@felles.cn 或 felleschina@outlook.com Web: www.felles.cn （激光光学精密仪器官网） www.felles.cc （综合性尖端测试仪器官网） www.f-lab.cn （综合性实验室仪器官网） Tel: 021-51300728, 4006-118-227

近期，中国科学院南京天文光学技术研究所（以下简称南京天光所）研究员肖东团队设计研制了一种可用于高精度光谱定标的基于真空法珀标准具（FPE）的高稳定定标光源系统。日前，相关研究成果分别发表于《天文学杂志》（The Astronomical Journal）和国际光学工程学会会刊（Proc SPIE）。 《中国科学报》从南京天光所获悉，高精度光谱定标技术是运用视向速度法进行系外行星探测的关键技术之一，具有重要的科学意义。类地行星的探测和研究将定标精度的要求提高到10厘米/秒。 由于FPE对入射角度、腔长和折射率变化敏感，肖东团队从照明、气压和温度稳定性等方面开展研究，严格控制定标谱线稳定性。 肖东团队结合光纤扰模技术的研究基础，通过数值模拟和实验测试定量研究了耦合偏移和光纤扰动对定标光源输出谱线特性的影响，八边形光纤和双光纤扰模器可以极大提高光纤出射场稳定性，从而有效降低这种影响导致的谱线漂移。 在此基础上，肖东团队研制了满足定标谱线设计要求的光机系统和真空恒温系统，预期谱线自身稳定性能到10厘米/秒。后续，团队将利用激光频率梳同步定标技术对此定标光源谱线的漂移特性进行研究，并进一步探索验证此类定标光源的使用方法和实测定标精度。

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

随着工业4.0浪潮的持续深化，高精度、智能化、集成化的测量仪器成为推动制造业转型升级的关键力量。2024年上半年，众多仪器厂商凭借其深厚的技术积累和创新能力，推出一系列几何量精密测量仪器新品，不仅提升了测量技术的边界，更为智能制造注入了新的活力。本文特对2024年上半年上市新品进行盘点，以飨读者。（本文产品信息来源网络公开信息，如有遗漏，欢迎留言补充。联系邮箱:niuyw@instrument.com.cn）海克斯康 SmartScan VR800智能蓝光扫描系统3月，海克斯康发布SmartScan VR800智能蓝光扫描系统。该新品是首款配备自动变焦镜头的结构光3D扫描仪，拥有智能分辨率、智能变焦和智能抓拍三大创新功能。它专为提高工作效率而设计，通过简单的软件设置，即可完成扫描分辨率和测量范围的快速调整，为用户实现精确、高效的扫描测量提供了前所未有的创新体验。 OCTAV HP高精度复合式影像测量专机4月，在2024中国数控机床展览会（CCMT）期间，海克斯康发布重量级新产品——OCTAV HP高精度复合式影像测量专机。该产品精度高达0.4μ+，是一款为满足用户对于高精度、高性能、高稳定性测量需求而设计的高端复合式影像测量专机。该新品将行业内先进的测量传感技术，包括高精度的接触式触发和扫描技术，基于影像测头的视觉检测技术，基于共聚焦白光测头的光学扫描测量技术等，定制化集成到一台测量设备上，实现了一机多能以及高精度复合式测量。OCTAV HP亚微米级别的影像测量功能结合先进的多传感器融合技术，适用于航空航天、半导体、新能源、3C电子、医疗等行业领域。蔡司CAPTUM三坐标测量机3月 28 日，深圳ITES展会现场，蔡司盛大推出全新三坐标测量机CAPTUM。新品具有安装快捷、服务便利、操作简便等优势，为企业提供坚实可靠的质量保障。值得一提的是，CAPTUM 家族首次引入“Plug and Play”即插即用设计概念，让用户操作更为便捷。其高适配的应用场景特点，更是让三坐标的应用变得更简单易用。4月，在第十六届重庆国际电池技术交流会/展览会（CIBF 2024）上，蔡司发布O-INSPECT 863 Duo多用途复合式坐标测量机，该新品是一款集成了三坐标测量功能、影像测量以及显微镜检测功能的复合式测量设备，配备连续扫描接触式测量、高倍率变焦影像镜头等，广泛应用于电子、医疗、汽车、航空航天领域的复杂工件的形位公差测量及缺陷检测。天准科技CM系列三坐标测量机4月，在第十三届中国数控机床展览会（CCMT 2024）上，天准科技发布CM系列三坐标测量机，该新品以超高精度 0.3μm 国家重大专项复合测量机技术背景为研发基础，目前拥有CMZ/CMU/CME 三大系列，集Vispec Pro软件系统、HSP测头/TR50旋转测座探测系统、驱控一体TCC电控、直线电机驱控技术四大自研技术为一体，同时创新性地将工业级的碳化硅陶瓷材料运用在高端系列机型上，重新定义行业精密测量标准，广泛应用于汽车、模具、机械加工、精密制造、计量院所、航空航天等领域。6月18日，在第十六届中国国际机床工具展览会(CIMES)上，天准科技发布了全新VMZ超高精度影像仪。该新品在测量精度以及稳定性上实现了跨越式提升，测量精度高达0.8μm，最大倍率高达4000倍。出色的测量精度和稳定性，使其能够轻松应对各种复杂测量任务，适用于半导体、微组装、光通信等高精度测量场景。思看科技NimbleTrack灵动式三维扫描系统4月9日，思看科技发布NimbleTrack灵动式三维扫描系统和NimbleTrack灵动式三维扫描系统。NimbleTrack集全无线、不贴点、双边缘计算、一体成型架构于一身，精准驾驭中小型场景动态三维测量场景，其扫描仪和跟踪器深度集成高性能芯片与嵌入式电池模组，实现了全域无线测量和高速稳定的数据传输，开启工业计量智能无线新时代。AM-CELL C系列自动化3D检测系统AM-CELL C系列自动化3D检测系统创新性融入核心单元设计理念，集易部署、易操控、高拓展性、全方位安全于一体，为中小型零部件检测打造自动化交钥匙解决方案，探寻智能制造更多可能。中图仪器WD4000系列无图晶圆几何量测系统2月，中图仪器针对晶圆几何形貌量测需求，基于在精密光学测量多年的技术积累，历经数载，自研了WD4000系列无图晶圆几何量测系统，适用于线切、研磨、抛光工艺后，进行wafer厚度（THK）、整体厚度变化（TTV）、翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）等相关几何形貌数据测量，能够提供Thickness map、LTV map、Top map、Bottom map等几何形貌图及系列参数，有效监测wafer形貌分布变化，从而及时管控与调整生产设备的工艺参数，确保wafer生产稳定且高效。3月，中图仪器发布Mizar Silver三坐标测量机，融汇多项核心创新技术，采用低热膨胀花岗岩导轨系统、环抱式气浮支撑系统、Z轴柔性平衡设计、高刚性传动系统、空间21项结构误差补偿技术等，并装载全自主化运动控制器与测头测座系统，自主化三坐标测量软件PowerDMIS。先临三维FreeScan UE Pro2 无线高速激光手持三维扫描仪5月，先临三维发布FreeScan UE Pro2 无线高速激光手持三维扫描仪。此番创新融合了嵌入式边缘计算模块，实现无线传输功能，为用户带来了前所未有的操作自由。这款新品借助内置的嵌入式边缘计算模块与灵活的移动电源支持，可以更加游刃有余地获取高精度三维数据。基恩士VM-6000大范围三坐标测量仪5月，基恩士发布VM-6000大范围三坐标测量仪，通过接触探头、激光扫描探头，单人即可在现场测量大型产品的尺寸、形状。新品测量范围由原来的15m扩大到25m，适用于各行各业的大型产品。Qualifire&trade 激光干涉仪2024年初，阿美特克 旗下Zygo公司宣布发布其最新的激光干涉仪Qualifire&trade 。Qualifier加入了一系列高端干涉仪解决方案，旨在支持半导体、光刻、星载成像系统、尖端消费电子产品、国防等行业中最苛刻的计量应用。这款干涉仪在不牺牲性能的情况下，将显著的增强功能集成到一个更轻的小型封装中。秉承Zygo在计量领域的卓越标准，Qualifire&trade 不仅确保了高精度，更通过精细化的人体工程学设计优化了用户交互体验，使操作更为高效，部署更加灵活，完美平衡了性能与便捷性。综上所述，2024年上半年发布的一系列新品，在高精度、集成化、智能化、自动化、便捷性与易用性等多个维度实现了显著突破与创新。这些技术的深度融合可大幅提升生产效率与灵活性，降低对人工的依赖，助力企业降本增效。这一系列创新成果，无疑为工业4.0智能制造的加速推进提供了强有力的技术支持和保障。

科研人员在为光栅检测做准备工作。　罗浩摄(资料图片)　　在1毫米距离里划出6000道刻槽，且槽型均匀，这意味着在20公里的刻距内，刻槽间距误差小于一根头发丝的千分之一。这正是不久前，中科院长春光学精密机械与物理研究所研制的“大型高精度衍射光栅刻划机”达到的刻划精度。　　走进长春光机所实验室，项目组科技人员向记者介绍了一块银灰色、近似不透明“玻璃窗”的光栅，它是这套“精密机械之王”的杰作，也是目前世界上面积最大的高精度中阶梯光栅。打造这台“精密机械之王”的，正是长春光机所光栅刻划机老中青三代研制项目组。　　光栅是分析万物光谱信息的“芯片”，应用遍及海陆空、吃穿用　　人类如何通过光认识世界?项目负责人、长春光机所研究员唐玉国说，人类借助光认知世界有两种方式：一是光学成像，二是光谱分析。光学成像可以看到物质世界的形状、尺寸等外在信息 地球上所知的元素及其它们的化合物都有自己的特征光谱线，光谱分析可以获得物质成分信息，帮助我们看清事物的本质。　　但要“抓”住光谱信息并不容易。日常生活中的光，是由红、橙、黄、绿等各种单色光组成的复色光，而单色光才能更好地记录下物质的光谱信息。光栅是一种非常精密的光学元件，它的神奇在于，它能从复色光中解析、提取出单色光。　　日常生活中，人们很少看到光栅，但其实它的作用无处不在。“人们去医院抽血检验，原理就是依靠光谱仪器里的光栅，来实现观察血液里的成分是否符合健康标准。”项目组成员、长春光机所研究员巴音贺希格说，“简单地说，光谱分析需要光谱仪器，光栅之于光谱分析的作用，就如芯片之于计算机，是核心和‘大脑’。”　　与血液检查原理类似，分析不同物质的光谱，可以探查出农药残留、钢材质量、爆炸物特性等许多重要信息。唐玉国表示，光栅的价值不限于光谱仪，其应用“遍及农轻重、海陆空、吃穿用等各行各业。既能看天，也能看地、看人”。在天文观测中，通过光谱测量得到天体的组成及其与地球的距离，从而揭示宇宙诞生及演化规律 在光通信领域，光栅的分光作用使得不同波长的光能够携带信息顺着光纤飞入千家万户̷̷　　通常，光栅性能越强，能分析出的物质成分就更精细。光栅面积越大，集光率和分辨本领就越高 光栅的精度越高，信噪比就越高。2009年，中科院长春光机所启动光栅刻划系统研制工作，一开始就瞄准世界领先水平，攻克光栅同时“做大”和“做精”的难题。　　“精密机械之王”成功刻划出了400毫米×500毫米的大面积中阶梯光栅，标志着我国大面积光栅制造技术已达到国际领先。这一块光栅有多强?唐玉国说，最有经验的油漆工能辨别出1000多种色彩的微妙变化，而光栅理论上能够分辨出超过4亿种，可谓世界上感知色彩的最强利器。　　光栅刻划机是制作光栅的母机，“做大”“做精”光栅是世界性难题　　以防尘服武装，再经风淋室除尘，记者才得以获准进入实验室。这里有一套精密的环境保障系统，要求在30天内温差控制在± 0.01℃之内。　　项目组成员、长春光机所研究员齐向东参与了光栅刻划机的设计、研制、调试等全过程，并长期在一线担任指挥。他说，这台仪器对环境要求极为严苛，气温、气压、空气成分等哪怕极其微小的变化，在纳米的尺度下，也可能带来巨大的刻划误差。　　对环境的苛刻要求源自光栅刻划机自身的高精度。它由上千个元件、部件精妙配合而成，几乎所有关键部件冲击世界极限水平。加工装调精度难、运行保障环境要求之高，前所未有。　　丝杠、蜗轮、导轨是刻划系统“三大件”，项目启动之时，国内现有机床技术根本达不到精度要求，研究组不得不采取土办法——手磨加工。　　丝杠被誉为刻划机的“心脏”，其精度水平直接影响整机性能。国内不能造，国外买不到，已经退休的80岁高龄老专家张泰返聘回所，并亲自上阵，带领青年团队不分昼夜加工和检测。历时近1年时间，终于研磨出这根丝杠。这也是目前世界上精度最高、行程最长的三角螺纹丝杠。　　用同样的方法，项目组费时6个月加工出蜗轮，8个月加工出V形导轨。这些具有亚微米、纳米量级的关键器件，都是科研人员用双手研磨出来的。此外，项目组成员为了攻克金刚石刻划刀、光栅镀膜等技术难题，也屡屡实验、研磨、调整，方才达到了光栅刻划机的要求。“有一次，项目组去外面交流。一握手，对方都说，你们的手不像科学家，倒像工人。”巴音贺希格回忆。　　立项之初，研制计划时间是三年半，但由于整个过程比预料困难太多，前后花费了近8年，成为“严重耽搁的项目”。“研制期间，我们承受着巨大的压力，往往‘按下葫芦又起了瓢’，好不容易攻克一个困难，新的问题又立马出现。”齐向东说，科研人员不停地寻找问题产生的根本原因，有时候甚至要推翻之前花了很长时间建立起来的假设，否定自己重新开始。“这8年中，我曾多次感到绝望，以为进行不下去了。大光栅通过验收时，又觉得一切都很值得。”　　这项成果使我国在光栅领域不再受制于人，并将精密机械加工技术推向世界前沿　　国际上掌握光栅研制技术的国家很少，大面积高精度光栅是科技强国竞争的焦点。在此之前，只有美国能够制作300毫米以上中阶梯光栅。　　大面积、高精度光栅刻划机的成功研制，使我国战略高技术领域所需的光栅不再受制于人，还将我国精密机械加工技术推向了世界前沿。　　“我们这一代科研人员做出这台机器，离不开长春光机所几代人的努力。我们只是属于摘桃子的人，没有前辈的积累，没有青年梯队人才的付出，都不可能完成这项艰巨任务，是老中青三代人的结晶。”齐向东感慨。　　1959年，长春光机所自主研制出了我国第一台光栅刻划机和第一块光栅。项目期间，我国第一代光栅刻划机的领军人、机械刻划光栅创始人梁浩明回到长春光机所，在重要问题上给出了指导意见 带领团队手工研磨丝杠等精密零部件的张泰先生，也是我国第一台光栅刻划机研制的参与者 已经退休的郝德阜研究员参与了系统的总体结构设计。　　目前，我国第一台光栅刻划机依然没有“退休”。半个多世纪前，仅仅借助少量公开发表的相关文献，梁浩明等人开始了光栅刻划机的研制工作。没有专门设计的计算机软件，设计人员就靠手工绘制来画图 没有数控机床，科研人员就靠双手打磨加工零部件，精度甚至比当今数控机床加工还要高。　　上世纪80年代，长春光机所计划研制高精度大面积光栅刻划机，由于资金等种种限制，项目搁浅，我国遗憾地错失了追赶光栅制造强国的机会，制造大光栅也成为我国光栅人的梦想。　　“我们有信心，也有信念能够完成项目。长春光机所具有数十年的技术积累，此外，现代精密仪器加工技艺水平更高，技术条件更好。老一辈在物质匮乏年代都能够制造出精度非凡的光栅刻划机，我们有条件也有责任把新一代刻划机做好。”齐向东说。　　八年磨一剑，项目组研制的这套大型高精度光栅刻划系统，攻克18项关键技术，取得9项创新性成果。　　让唐玉国欣喜的是，经过光栅刻划机项目历练，一批青年人才成长起来了，关键技术得到有效传承。他还说，研制成功并不是刻划机的重点，未来项目组还将从“精稳快新”四个方面对它进行持续改进和技术升级、提升性能，使其在满足国家重大科研对大光栅需求的同时，始终保持国际领先。

在赛车文化中，存在着一些经典车型让赛车迷为之疯狂，今天，我们案例的主角福特GT40就是其中之一。从1966年到1969年，福特GT40主宰了赛车世界，人们至今还可以在众多纪录片和电影中重温这段历史。为了重温这份激动，CP Tech、Saurrer Historic Racing、SHINING3D（先临三维-天远三维母公司）、Verisurf这几家公司强强联合，通过专业的赛车制造技术和3D数字化技术，在欧洲重新打造了一辆福特GT40，还原了当初的那个神话。接下来，就让我们一起来看看GT40是如何重生的。案例背景CP Tech公司在赛车运动行业是独一无二的存在，拥有超过20年的成熟经验，Saurrer Historic Racing则致力于改造和修复经典车辆，如Bizzarrini、福特GT40或Austin Healey等著名品牌。此次，先临三维德国团队和Verisurf公司也加入到这个项目中，打造了一个整体的3D数字化方案，通过3D扫描、数字化三维检测和逆向工程等数字化技术实现了GT40的复原制造。GT40重生之路3D扫描在3D扫描前，在GT40的车架上进行了贴点，以更好地获取精准数据。随后，使用先临三维的FreeScan UE 11激光手持三维扫描仪扫描GT40的完整框架，由于FreeScan UE具有良好的材质适应性，可以轻松扫描反光的金属材质，快速获取包括小的钻孔、附件、板材相关的车身细节在内的汽车框架完整三维数据。数据检测及逆向设计扫描结束后，三维扫描的数据可以直接的导入Verisurf软件中，无需通过别的接口即可完成。在Verisurf中，数据被检查并进行最佳拟合比较，以确定这些数据准确无误，再进行接下来的逆向设计。紧接着，在Verisurf中逆向设计出GT40的外观等模块，复原了GT40的CAD数据，并将其整合起来。赛车装配接下来，将逆向设计得到的模块进行制作组装，实现了GT40的重生。3D数字化一体式解决方案在此案例中，先临三维与Verisurf合作，能够将三维扫描数据直接导入至Verisurf软件中，无需使用接口，这能够帮助用户更加便捷顺畅地完成3D扫描-三维检测/逆向设计的数字化应用，简化了GT40的复刻流程。“ “The system convinces with the features of mobility, repeatability and precision. Coming in a flight case, the system can be easily taken anywhere you want. In this version the laser system can be used for track measurement. Laser measuring enables the measuring of larger distances and a much higher precision can be achieved than in conventional vehicle measuring. ”“这个系统的优势在于移动性、稳定性和高精度。其可以装在飞行箱中，轻松携带至任何你想去的地方。在这个系统中，激光可以用来跟踪测量。相比于传统的测量方式而言，激光测量系统可以测量更加远距离和完成具有更高精度要求的汽车测量任务。”—— MATTHIAS BUCHHEIMCP Tech 工程师“I´m glad that, together with SHINING 3D, we can showcase the full workflow from 3D Scanning, through Reverse Engineering and Inspection with the historic Ford GT 40. The special thing about this solution is, that the scan data can be imported from the SHINING 3D software directly into Verisurf without the need of using an interface. In conclusion, one needs to admit that the price-performance ratio of this full solution is remarkable.”“我很高兴，可以和先临三维一起展示整个工作流程，从三维扫描到逆向设计和检测。这个解决方案的特殊之处在于扫描数据可以直接从先临三维的软件中导入到Verisurf ，不需要另外的接口。最后，我们不得不承认，这套方案的性价比是卓越的。”—— Kai GärtlingVerisurf欧洲区销售经理”在福特GT40的复原中，高精度3D数字化技术提供了极大的助力，通过3D扫描和逆向设计等实现了CAD数据的找回，并以现代化的生产方式将其制造出来。这也是3D数字化技术在制造行业的应用缩影，随着智能制造的不断发展，3D数字化技术以其高精度、高效、灵活等特点，在众多制造行业的原型设计、质量检测、维修保养等应用领域内发挥重要作用。先临三维、天远三维以及海外团队，也将不懈努力，不断以高精度3D数字化技术助力智能制造的良好发展。关于CP TechCP Tech公司在赛车运动行业是独一无二的存在。它将卓越的技术、激情和性能融为一体，在赛车、汽车和未来交通领域拥有成熟的客户基础。CP Tech拥有超过20年的成熟经验，从动力系统和底盘设计、驾驶动力学到生产和最终制造，他们所做的项目都散发着卓越的工程创新和设计天赋。CP Tech同时也专注于单个零件的设计和开发，或运用其工程专家的能力，从概念到成品，实现客户要求的原型生产或甚至小批量生产。关于VerisurfVerisurf软件公司是一家测量解决方案公司，致力于提供先进的表面分析、质量检测、装配指导和逆向工程。 Verisurf产品和流程对于保持设计、工程、制造和成品部件验证之间的数字线索至关重要。 基于强大的CAD平台，Verisurf致力于基于模型的数字化再定义（MBD），开放标准，以及与所有坐标测量机和CAD软件的互操作性。Verisurf解决方案帮助制造商在更短的时间内生产更高质量的产品。关于Verisurf的更多信息。