激光垂准仪工作原理

1. 什么是光散射现象？光线通过不均一环境时，发生的部分光线改变了传播方向的现象被称作光散射，这部分改变了传播方向的光称作散射光。宏观上，从阳光被大气中空气分子和液滴散射而来的蓝天和红霞到被水分子散射的蔚蓝色海洋，光散射现象本质都是光与物质的相互作用。2. 颗粒与光的相互作用微观上，当一束光照在颗粒上，除部分光发生了散射，还有部分发生了反射、折射和吸收，对于少数特别的物质还可能产生荧光、磷光等。当入射光为具有相干性的单色光时，这些散射光相干后形成了特定的衍射图样，米氏散射理论是对此现象的科学表述。如果颗粒是球形，在入射光垂直的平面上观察到称为艾里斑的衍射图样。颗粒散射激光形成艾里斑3. 激光粒度仪原理-光散射的空间分布探测分析艾里斑与光能分布曲线当我们观察不同尺寸的颗粒形成的艾里斑时，会发现颗粒的尺寸大小与中间的明亮区域大小一般成反相关。现代的激光粒度仪设计中，通过在垂直入射光的平面距中心点不同角度处依次放置光电检测器进行粒子在空间中的光能分布进行探测，将采集到的光能通过相关米氏散射理论反演计算，就可以得出待分析颗粒的尺寸了。这种以空间角度光能分布的测量分析样品颗粒分散粒径的仪器即是静态光散射激光粒度仪，由于测试范围宽、测试简便、数据重现性好等优点，该方法仪器使用最广泛，通常被简称为激光粒度仪。根据激光波长（可见光激光波长在几百纳米）和颗粒尺寸的关系有以下三种情况：a) 当颗粒尺寸远大于激光波长时，艾里斑中心尺寸与颗粒尺寸的关系符合米氏散射理论在此种情况下的近似解，即夫琅和费衍射理论，老式激光粒度仪亦可以通过夫琅和费衍射理论快速准确地计算粒径分布。b) 当颗粒尺寸与激光波长接近时，颗粒的折射、透射和反射光线会较明显地与散射光线叠加，可能表现出艾里斑的反常规变化，此时的散射光能分布符合考虑到这些影响的米氏散射理论规则。通过准确的设定被检测颗粒的折射率和吸收率参数，由米氏散射理论对空间光能分布进行反演计算即可得出准确的粒径分布。c) 当颗粒尺寸远小于激光波长时，颗粒散射光在空间中的分布呈接近均匀的状态（称作瑞利散射），且随粒径变化不明显，使得传统的空间角度分布测量的激光粒度仪不再适用。总的来说，激光粒度仪一般最适于亚微米至毫米级颗粒的分析。静态光散射原理Topsizer Plus激光粒度分析仪Topsizer Plus激光粒度仪的测试范围达0.01-3600μm，根据所搭配附件的不同，既可测量在液体中分散的样品，也可测量须在气体中分散的粉体材料。4. 纳米粒度仪原理-光散射的时域涨落探测（动态光散射）分析 对于小于激光波长的悬浮体系纳米颗粒的测量，一般通过对一定区域中测量纳米颗粒的不定向地布朗运动速率来表征，动态光散射技术被用于此时的布朗运动速率评价，即通过散射光能涨落快慢的测量来计算。颗粒越小，颗粒在介质中的布朗运动速率越快，仪器监测的小区域中颗粒散射光光强的涨落变化也越快。然而，当颗粒大至微米极后，颗粒的布朗运动速率显著降低，同时重力导致的颗粒沉降和容器中介质的紊流导致的颗粒对流运动等均变得无法忽视，限制了该粒径测试方法的上限。基于以上原因，动态光散射的纳米粒度仪适宜测试零点几个纳米至几个微米的颗粒。5.Zeta电位仪原理-电泳中颗粒光散射的相位探测分析纳米颗粒大多有较活泼的电化学特性，纳米颗粒在介质中滑动平面所带的电位被称为Zeta电位。当在样品上加载电场后，带电颗粒被驱动做定向地电泳运动，运动速度与其Zeta电位的高低和正负有关。与测量布朗运动类似，纳米粒度仪可以测量电场中带电颗粒的电泳运动速度表征颗粒的带电特性。通常Zeta电位的绝对值越高，体系内颗粒互相排斥，更倾向与稳定的分散。由于大颗粒带电更多，电泳光散射方法适合测量2nm-100um范围内的颗粒Zeta电位。NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪在一个紧凑型装置仪器中集成了三种技术进行液相环境颗粒表征，包括：利用动态光散射测量纳米粒径，利用电泳光散射测量Zeta电位，利用静态光散射测量分子量。6. 如何根据应用需求选择合适的仪器为了区分两种光散射粒度仪，激光粒度仪有时候又被称作静态光散射粒度仪，而纳米粒度仪有时候也被称作动态光散射粒度仪。需要说明的是，由于这两类粒度仪测量的是颗粒的散射光，而非对颗粒成像。如果多个颗粒互相沾粘在一起通过检测区间时，会被当作一个更大的颗粒看待。因此这两种光散射粒度仪分析结果都反映的是颗粒的分散粒径，即当颗粒不完全分散于水、有机介质或空气中而形成团聚、粘连、絮凝体时，它们测量的结果是不完全分散的聚集颗粒的粒径。综上所述，在选购粒度分析仪时，基于测量的原理宜根据以下要点进行取舍：a) 样品的整体颗粒尺寸。根据具体质量分析需要选择对所测量尺寸变化更灵敏的技术。通常情况下，激光粒度仪适宜亚微米到几个毫米范围内的粒径分析；纳米粒度仪适宜全纳米亚微米尺寸的粒径分析，这两种技术测试能力在亚微米附近有所重叠。颗粒的尺寸动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试胶体金颗粒直径，Z-average 34.15nmb) 样品的颗粒离散程度。一般情况下两种仪器对于单分散和窄分布的颗粒粒径测试都是可以轻易满足的。对于颗粒分布较宽，即离散度高/颗粒中大小尺寸粒子差异较大的样品，可以根据质量评价的需求选择合适的仪器，例如要对纳米钙的分散性能进行评价，关注其微米级团聚颗粒的含量与纳米颗粒的含量比例，有些工艺不良的情况下团聚的颗粒可能达到十微米的量级，激光粒度仪对这部分尺寸和含量的评价真实性更高一些。如果需要对纳米钙的沉淀工艺进行优化，则需要关注的是未团聚前的一般为几十纳米的原生颗粒，可以通过将团聚大颗粒过滤或离心沉淀后，用纳米粒度仪测试，结果可能具有更好的指导性，当然条件允许的情况下也可以选用沉淀浆料直接测量分析。有些时候样品中有少量几微米的大颗粒，如果只是定性判断，纳米粒度仪对这部分颗粒产生的光能更敏感，如果需要定量分析，则激光粒度仪的真实性更高。对于跨越纳米和微米的样品，我们经常需要合适的进行样品前处理，根据质量目标选用最佳质控性能的仪器。颗粒的离散程度静态光散射法Topsizer激光粒度仪测试两个不同配方工艺的疫苗制剂动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试疫苗制剂直径激光粒度仪测试结果和下图和纳米粒度仪的结果是来自同一个样品，从分布图和数据重现程度上看，1um以下，纳米粒度仪分辨能力优于激光粒度仪；1um以上颗粒的量的测试，激光粒度仪测试重现性优于纳米粒度仪；同时对于这样的少量较大颗粒，动态光散射纳米粒度仪在技术上更敏感（测试的光能数据百分比更高）。在此案例的测试仪器选择时，最好根据质控目标来进行，例如需要控制制剂中大颗粒含量批次之间的一致性可以选用激光粒度仪；如果是控制制剂纳米颗粒的尺寸，或要优化工艺避免微米极颗粒的存在，则选用动态光散射纳米粒度仪更适合。c) 测试样品的状态。激光粒度仪适合粉末、乳液、浆料、雾滴、气溶胶等多种颗粒的测试，纳米粒度仪适宜胶体、乳液、蛋白/核酸/聚合物大分子等液相样品的测试。通常激光粒度仪在样品浓度较低的状态下测试，对于颗粒物含量较高的样品及粉末，需要在测试介质中稀释并分散后测试。对于在低浓度下容易团聚或凝集的样品，通常使用内置或外置超声辅助将颗粒分散，分散剂和稳定剂的使用往往能帮助我们更好的分离松散团聚的颗粒并避免颗粒再次团聚。纳米粒度仪允许的样品浓度范围相对比较广，多数样品皆可在原生状态下测试。对于稀释可能产生不稳定的样品，如果测试尺寸在两者都许可的范围内，优先推荐使用纳米粒度仪，通常他的测试许可浓度范围更广得多。如果颗粒测试不稳定，通常需要根据颗粒在介质体系的状况，例如是否微溶，是否亲和，静电力相互作用等，进行测试方法的开发，例如，通过在介质中加入一定的助剂/分散剂/稳定剂或改变介质的类别或采用饱和溶液加样法等，使得颗粒不易发生聚集且保持稳定，大多数情况下也是可以准确评价样品粒径信息的。当然，在对颗粒进行分散的同时，宜根据质量分析的目的进行恰当的分散，过度的分散有时候可能会得到更小的直径或更好重现性的数据，但不一定能很好地指导产品质量。例如对脂质体的样品，超声可能破坏颗粒结构，使得粒径测试结果失去质控意义。d) 制剂稳定性相关的表征。颗粒制剂的稳定性与颗粒的尺寸、表面电位、空间位阻、介质体系等有关。一般来说，颗粒分散粒径越细越不容易沉降，因此颗粒间的相互作用和团聚特性是对制剂稳定性考察的重要一环。当颗粒体系不稳定时，则需要选用颗粒聚集/分散状态粒径测量相适宜的仪器。此外，选用带电位测量的纳米粒度仪可以分析从几个纳米到100um的颗粒的表面Zeta电位，是评估颗粒体系的稳定性及优化制剂配方、pH值等工艺条件的有力工具。颗粒的分散状态e) 颗粒的综合表征。颗粒的理化性质与多种因素有关，任何表征方法都是对颗粒的某一方面的特性进行的测试分析，要准确且更系统地把控颗粒产品的应用质量，可以将多种分析方法的结果进行综合分析，也可以辅助解答某一方法在测试中出现的一些不确定疑问。例如结合图像仪了解激光粒度仪测试时样品分散是否充分，结合粒径、电位、第二维利系数等的分析综合判断蛋白制剂不稳定的可能原因等。

p style="text-indent: 2em "strong编者按：/strong如今激光粒度的应用越来越广泛，技术和市场屡有更迭，潮起潮落，物换星移，该如何全方位掌握激光粒度仪的技术和应用发展，如何更好地让激光粒度仪成为我们科研、检测工作中的好战友呢？仪器信息网有幸邀请在中国颗粒学会前理事长，真理光学首席科学家，从事激光粒度仪的研究和开发工作近30年的张福根博士亲自执笔开设专栏，以渊博而丰厚的系列文章，带读者走进激光粒度仪的今时今日。/pp style="text-indent: 2em text-align: center "strong激光粒度仪应用导论之原理篇/strong/pp style="text-indent: 2em "当前，激光粒度仪在颗粒表征中的应用已经非常广泛。测量对象涵盖三种形态的颗粒体系：固体粉末、悬浮液（包括固液、气液和液液等各类二相流体）以及液体雾滴。应用领域则包含了学术研究机构，技术开发部门和生产监控部门。第一台商品化仪器诞生至今已经50年，作者从事该方向的研究和开发也将近30年。尽管如此，由于被测对象——颗粒体系比较抽象，加上激光粒度仪从原理到技术都比较复杂，且自身还存在一些有待完善的问题，作者在为用户服务的过程中，感觉到对激光粒度仪的科学和技术问题作一个既通俗但又不失专业性的介绍，能够帮助读者更好地了解、选择和使用该产品。本系列文章的定位是通俗性的。但为了让部分希望对该技术有深入了解的读者获得更多、更深的有关知识，作者在本文的适当位置增加了“进阶知识”。只想通俗了解激光粒度仪的读者，可以略过这些内容。/pp style="text-indent: 2em "首先应当声明，这里所讲的激光粒度仪是指基于静态光散射原理的粒度测试设备。当前还有一种也是基于光散射原理的粒度仪，并且也是以激光为照明光源，但是称为动态光散射（Dynamic light scattering，简称DLS）粒度仪。前者是根据不同大小的颗粒产生的散射光的空间分布（认为这一分布不随时间变化）来计算颗粒大小，而后者是在一个固定的散射角上测量散射光随时间的变化规律来分析颗粒大小；前者适用于大约0.1微米以粗至数千微米颗粒的测量，而后者适用于1微米以细至1纳米（千分之一微米）颗粒的测量。激光粒度仪在英文中又称为基于激光衍射方法（Laser diffraction method）的粒度分析技术。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 176, 240) "【进阶知识1】严格地说，把激光粒度仪的原理说成是“衍射方法”是不准确，甚至带有误导性的。从物理上说，光的衍射和散射是有所区别的。“光的衍射”学说源自光的波动性已经被实验所证实，但是还没从理论上认识到光是一种电磁波这一时期，大约是19世纪上半叶。在更早的时候，人们认为光的行进路线是直线，就像一个不受外力作用的粒子作匀速直线运动那样。这一说法历史上被称为“光的粒子说”。后来人们发现光具有波动形。那个时候人们所知道的波只有水波，所以“衍”字是带水的。“光的衍射”描述的是光波在传播过程中遇到障碍物时，会改变原来的传播方向绕到障碍物后面的现象，故衍射又称做“绕射”。描述衍射现象的理论称为衍射理论。衍射理论在远场（即在远离障碍物的位置观察衍射）的近似表达称为“夫朗和费衍射（Fraunhofer diffraction）”。衍射理论不考虑光场与物质（障碍物）之间的相互作用，只是对这一现象的维像描述，所以是一种近似理论。它只适用于障碍物（“颗粒”就是一种障碍物）远大于光的波长（激光粒度仪所用的光源大多是红光，波长范围0.6至0.7微米），并且散射角的测量范围小于5° 的情形。/span/pp style="text-indent: 2em "麦克斯韦（Maxwell）在19世纪70年代提出电磁波理论后，发现光也是一种电磁波。光的衍射现象本质上是电磁场和障碍物的相互作用引起的。衍射理论是电磁波理论的近似表达。严谨的电磁波理论认为，光在行进中遇到障碍物，与之相互作用而改变了原来的行进方向。一般把这种现象称作光的散射。用电磁波理论能够描述任意大小的物体对光的散射，并且散射光的方向也是任意的。不论是早期还是现在，用激光粒度仪测量颗粒大小时，都假设颗粒是圆球形的。如果再假设颗粒是均匀、各向同性的，那么就能用严格的电磁波理论推导出散射光场的严格解析解（称为“米氏（Mie）散射理论”）。/pp style="text-indent: 2em "现在市面上的激光粒度仪绝大多数都采用Mie散射理论作为物理基础，因此把现在的激光粒度仪所用的物理原理说成是衍射方法是不准确的，甚至会被误认为是早期的建立在衍射理论基础上的仪器。/pp style="text-indent: 2em "世界上第一台商品化激光粒度仪是1968年设计出来的。尽管当时Mie理论已经被提出，但是受限于当时计算机的计算能力，还难以用它快速计算各种粒径颗粒的散射光场的数值。所以当时的激光粒度仪都是用Fraunhofer衍射理论计算散射光场，这也是这种原理被说成激光衍射法的缘由。这种称呼一直延用到现在。不过现在国际上用“光散射方法”这个词的已经逐渐多了起来。/pp style="text-indent: 0em text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/d07b19f0-4c57-4748-9d53-229c65c56d4e.jpg" title="图1：颗粒光散射示意图.jpg"//ppbr//pp style="text-indent: 0em text-align: center "颗粒光散射示意图/pp style="text-indent: 2em "激光粒度仪是基于这样一种现象：当一束单色的平行光（激光束）照射到一个微小的球形颗粒上时，会产生一个光斑。这个光斑是由一个位于中心的亮斑和围绕亮斑的一系列同心亮环组成的。这样的光斑被称为“爱里斑（Airy disk）”，而中心亮斑的尺寸是用亮斑的中心到第一个暗环（最暗点）的距离计算的，又称为爱里斑的半径。爱里斑的大小和光强度的分布随着颗粒尺寸的变化而变化。一种传统并被业界公认的说法是：颗粒越小，爱里斑越大。因此我们可以根据爱里斑的光强分布确定颗粒的尺寸。当然，在实际操作中，往往有成千上万个颗粒同时处在照明光束中。这时我们测到的散射光场是众多颗粒的散射光相干叠加的结果。/pp style="text-indent: 2em "strong 编者结：/strong明了内功心法，下一步自然会渴望于掌握武功招式。本文深入浅出地介绍激光粒度仪的原理，激光粒度仪的结构自然是读者们亟待汲取的“武功招式”。欲得真经，敬请期待张福根博士系列专栏——激光粒度仪应用导论之结构篇。/pp style="text-indent: 0em text-align: right "（作者：张福根）/p

p　　粒度仪是用物理的方法测试固体颗粒的大小和分布的一种仪器。根据测试原理的不同分为沉降式粒度仪、沉降天平、激光粒度仪、光学颗粒计数器、电阻式颗粒计数器、颗粒图像分析仪等。/pp　　激光粒度仪是通过激光散射的方法来测量悬浮液，乳液和粉末样品颗粒分布的多用途仪器。具有测试范围宽、测试速度快、结果准确可靠、重复性好、操作简便等突出特点，是集激光技术、计算机技术、光电子技术于一体的新一代粒度测试仪器。/pp　　strong激光粒度仪的光学结构/strong/pp　　激光粒度仪的光路由发射、接受和测量窗口等三部分组成。发射部分由光源和光束处理器件组成，主要是为仪器提供单色的平行光作为照明光。接收器是仪器光学结构的关键。测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便仪器获得样品的粒度信息。/pp　　strong激光粒度仪的原理/strong/pp　　激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以在没有阻碍的无限空间中激光将会照射到无穷远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。/pp　　米氏散射理论表明，当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ，θ角的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小 颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大颗粒引起的 大角度(θ1)的散射光是由小颗粒引起的。进一步研究表明，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。/pp　　为了测量不同角度上的散射光的光强，需要运用光学手段对散射光进行处理。在光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜，在该富氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器，不同角度的散射光通过富氏透镜照射到多元光电探测器上时，光信号将被转换成电信号并传输到电脑中，通过专用软件对这些信号进行数字信号处理，就会准确地得到粒度分布了。/pp　　strong激光粒度仪测试对象/strong/pp　　1.各种非金属粉：如重钙、轻钙、滑石粉、高岭土、石墨、硅灰石、水镁石、重晶石、云母粉、膨润土、硅藻土、黏土等。/pp　　2.各种金属粉：如铝粉、锌粉、钼粉、钨粉、镁粉、铜粉以及稀土金属粉、合金粉等。/pp　　3.其它粉体：如催化剂、水泥、磨料、医药、农药、食品、涂料、染料、荧光粉、河流泥沙、陶瓷原料、各种乳浊液。/pp　　strong激光粒度仪的应用领域/strong/pp　　1、高校材料/pp　　2、化工等学院实验室/pp　　3、大型企业实验室/pp　　4、重点实验室/pp　　5、研究机构/pp　　文章来源：仪器论坛（http://bbs.instrument.com.cn/topic/5163115）/ppbr//p

激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS）是一种原子发射光谱。它利用高能量聚焦脉冲激光光束激发样品表面，对产生的原子光谱进行分析得到对应元素成分及含量。是一种快速、定性的分析手段。随着激光器以及光谱仪小型化技术的发展，轻便的手持LIBS光谱仪成为现实。其优势在于能将精密的分析仪器带到生产的一线，主要用于铁基、铝基、铜基、镍基等金属合金材料的现场牌号鉴别及合金元素成分的快速鉴定。手持LIBS光谱仪能对生产过程进行高速，高效的监控，完善企业质量管理体系，提高生产效率，是工业生产过程中的一个不可或缺的环节。 手持式LIBS激光诱导击穿光谱仪，它利用高能量聚焦脉冲激光光束激发样品表面，对产生的原子光谱进行分析得到对应元素成分及含量。是一种快速、定性的分析手段。随着激光器以及光谱仪小型化技术的发展，轻便的手持式光谱仪成为现实。其优势在于能将精密的分析仪器带到生产的一线，主要用于铁基、铝基、铜基、镍基等金属合金材料的现场牌号鉴别及合金元素成分的快速鉴定。手持LIBS光谱仪能对生产过程进行高速，高效的监控，完善企业质量管理体系，提高生产效率，是工业生产过程中的一个不可或缺的环节。 手持式LIBS激光诱导击穿光谱仪，其工作原理是利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品中的物质，并通过光谱仪获取被等离子体激发的原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。LIBS作为一种新的材料识别及定量分析技术，既可以用于实验室，也可以应用于工业现场的在线检测。在检测领域中，传统的原子吸收和发射光谱仍然占据主导地位，但其存在试剂消耗量大、检测元素受限，不能便携，难用于现场检测等缺点。由于LIBS技术具有快速直接分析，几乎不需要样品制备，可以检测几乎所有元素、同时分析多种元素，对样品表面风化、尘土层形成清洁，可实现逐层分析且可以检测几乎所有固态样品，远距离探测，适用于现场分析等，因而LIBS弥补了传统元素分析方法的不足，尤其在微小区域材料分析、镀层/薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显，同时，LIBS还可以广泛适用于石油勘探、水文和地质勘探、冶金和燃烧、制药、环境监测、科研、军事及国防、航空航天等不同领域的应用。

据悉，镭测科技公司经过7年的研发，在国内首次研究成功可伐-玻璃组装式的氦氖激光器，并实现批量生产。这一成果终结了我国50年靠玻璃吹制氦氖激光器的历史，有力推动我国高端激光仪器的发展。　　清华大学教授、镭测科技公司顾问张书练表示，氦氖激光器是气体激光器的一种，是气体激光器中最先研发问世的产品类型。氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖为工作物质、由放电管和光学谐振腔构成的激光器，可输出连续激光。氦氖激光器工作在可见光与红外光频段，可输出绿光543.5nm、红光632.8nm、红外光1.15μm和3.39μm等多种波长。其中，红色波长632.8nm在氦氖激光器家族中有独一无二的品质，应用最广泛。波长632.8nm氦氖激光束质量高、光束横截面上光强度非常接近完美的高斯分布，非常小的发散角，传播百米后光斑直径还保有几毫米大小；输出功率稳定，噪声非常低；有天然的频率（波长）稳定点，波长稳定性可以非常高，可以做到1小时时间内632.8nm仅漂移百万甚至亿分之一；造价低，可靠性高，一致性好互换性强等。　　张书练指出，氦氖激光器在仪器仪表、精密测量方面应用广泛，无可替代。国内外的单频干涉仪，双频干涉仪，面型干涉仪，测振仪，椭偏仪，激光陀螺仪等都采用氦氖激光器做光源，这些仪器是精密机床、光刻机、航空、航天、机械和光学加工，薄膜技术等领域精度的保证。我国这些产业向高端发展的速度加快，市场对相关仪器的需求将持续增长，将会拉动我国对可伐-玻璃组装式的氦氖激光器需求规模不断扩大。　　根据某研究中心发布的《2022-2026年氦氖激光器行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，2021年，全球氦氖激光器市场规模约为0.74亿元；预计2021-2026年，全球氦氖激光器市场将以4.2%左右的年均复合增速增长，到2026年市场规模将达到0.91亿元左右。在全球市场中，氦氖激光器生产商主要有美国Lumentum Operations、美国Melles Griot（被Pacific Lasertec收购）、美国Thorlabs、美国Excelitas Technologies、德国Lasos、德国Phywe、日本Neoark。　　张书练表示，多年来，我国依赖玻璃吹制技术生产氦氖激光器（管），激光器之间一致性较差，稳定性不佳，不能达到各类激光仪器的应用要求。过去几十年，虽然国内也有对可伐-玻璃组装式（无吹制）氦氖激光器进行了研究，但没有坚持下来，也曾引进了一条国外（装配）生产线，运行几年，终因没有自己元器件供应链，没有自己的工艺被迫停产。激光仪器仪表仪器装配的氦氖激光器都从国外购买，因为容易频率突跳或不出双频振荡，淘汰率很高。　　镭测科技自主研发的可伐-玻璃组装式的氦氖激光器用已成批用于双频激光干涉仪上和光刻机的失效激光器替换。用作双频激光器时，激光功率可以达到1.3mW以上，激光频率差可选定3MHz、7MHz、10 MHz、20 MHz，或更大，这是国内外以前没有实现的。此外，之前，不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是国外购买，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，可伐-玻璃组装式的氦氖激光器作光源的双频激光干涉仪非线性误差不大于1纳米。

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

激光雷达是集激光、全球定位系统（GPS）、和IMU（惯性测量装置）三种技术于一身的系统，相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。随着科技的不断发展，激光雷达的应用越来越广泛，在机器人、无人驾驶、无人车等领域都能看到它的身影，有需求必然会有市场，随着激光雷达需求的不断增大，激光雷达的种类也变得琳琅满目，按照使用功能、探测方式、载荷平台等激光雷达可分为不同的类型。激光雷达类型图激光雷达按功能分类激光测距雷达激光测距雷达是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。传统上，激光雷达可用于工业的安全检测领域，如科幻片中看到的激光墙，当有人闯入时，系统会立马做出反应，发出预警。另外，激光测距雷达在空间测绘领域也有广泛应用。但随着人工智能行业的兴起，激光测距雷达已成为机器人体内不可或缺的核心部件，配合SLAM技术使用，可帮助机器人进行实时定位导航，实现自主行走。思岚科技研制的rplidar系列配合slamware模块使用是目前服务机器人自主定位导航的典型代表，其在25米测距半径内，可完成每秒上万次的激光测距，并实现毫米级别的解析度。激光测速雷达激光测速雷达是对物体移动速度的测量，通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，从而得到该被测物体的移动速度。激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定。这种方法系统结构简单，测量精度有限，只能用于反射激光较强的硬目标。另一类测速方法是利用多普勒频移。多普勒频移是指目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。激光成像雷达激光成像雷达可用于探测和跟踪目标、获得目标方位及速度信息等。它能够完成普通雷达所不能完成的任务，如探测潜艇、水雷、隐藏的军事目标等等。在军事、航空航天、工业和医学领域被广泛应用。大气探测激光雷达大气探测激光雷达主要是用来探测大气中的分子、烟雾的密度、温度、风速、风向及大气中水蒸气的浓度的，以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报的目的。跟踪雷达跟踪雷达可以连续的去跟踪一个目标，并测量该目标的坐标，提供目标的运动轨迹。不仅用于火炮控制、导弹制导、外弹道测量、卫星跟踪、突防技术研究等，而且在气象、交通、科学研究等领域也在日益扩大。按工作介质分类固体激光雷达固体激光雷达峰值功率高，输出波长范围与现有的光学元件与器件，输出长范围与现有的光学元件与器件(如调制器、隔离器和探测器）以及大气传输特性相匹配等，而且很容易实现主振荡器-功率放大器（MOPA）结构，再加上效率高、体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好等导体，固体激光雷达优先在机载和天基系统中应用。近年来，激光雷达发展的重点是二极管泵浦固体激光雷达。气体激光雷达气体激光雷达以CO2激光雷达为代表，它工作在红外波段 ，大气传输衰减小，探测距离远，已经在大气风场和环境监测方面发挥了很大作用，但体积大，使用的中红外 HgCdTe探测器必须在77K温度下工作,限制了气体激光雷达的发展。半导体激光雷达半导体激光雷达能以高重复频率方式连续工作，具有长寿命，小体积，低成本和对人眼伤害小的优点，被广泛应用于后向散射信号比较强的Mie散射测量，如探测云底高度。半导体激光雷达的潜在应用是测量能见度，获得大气边界层中的气溶胶消光廓线和识别雨雪等，易于制成机载设备。目前芬兰Vaisala公司研制的CT25K激光测云仪是半导体测云激光雷达的典型代表，其云底高度的测量范围可达7500m。按线数分类单线激光雷达单线激光雷达主要用于规避障碍物，其扫描速度快、分辨率强、可靠性高。由于单线激光雷达比多线和3D激光雷达在角频率和灵敏度反映更加快捷，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精 确。但是，单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定局限性。当前主要应用于服务机器人身上，如我们常见的扫地机器人。多线激光雷达多线激光雷达主要应用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，而且可以做到3D。目前在国际市场上推出的主要有 4线、8线、16 线、32 线和 64 线。但价格高昂，大多车企不会选用。按扫描方式分类MEMS型激光雷达MEMS 型激光雷达可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。MEMS整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到 2D 扫描模式。Flash型激光雷达Flash型激光雷达能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦，它运行起来比较像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。Flash LiDAR有它的优势，当然也存在一定的缺陷。当像素越大，需要处理的信号就会越多，如果将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。相控阵激光雷达相控阵激光雷达搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。目前大多数相控阵激光雷达还在实验室里呆着，而现在仍停留在旋转式或 MEMS 激光雷达的时代，机械旋转式激光雷达机械旋转式激光雷达是发展比较早的激光雷达，目前技术比较成熟，但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂，且各核心组件价格也都颇为昂贵，其中主要包括激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等。由于硬件成本高，导致量产困难，且稳定性也有待提升，目前固态激光雷达成为很多公司的发展方向。按探测方式分类直接探测激光雷达直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。相干探测激光雷达相干探测型激光雷达有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。按激光发射波形分类连续型激光雷达从激光的原理来看，连续激光就是一直有光出来，就像打开手电筒的开关，它的光会一直亮着（特殊情况除外）。连续激光是依靠持续亮光到待测高度，进行某个高度下数据采集。由于连续激光的工作特点，某时某刻只能采集到一个点的数据。因为风数据的不确定特性，用一点代表某个高度的风况，显然有些片面。因此有些厂家折中的办法是采取旋转360度，在这个圆边上面采集多点进行平均评估，显然这是一个虚拟平面中的多点统计数据的概念。脉冲型激光雷达脉冲激光输出的激光是不连续的，而是一闪一闪的。脉冲激光的原理是发射几万个的激光粒子，根据国际通用的多普勒原理，从这几万个激光粒子的反射情况来综合评价某个高度的风况，这个是一个立体的概念，因此才有探测长度的理论。从激光的特性来看，脉冲激光要比连续激光测量的点位多几十倍，更能够精确的反应出某个高度风况。按载荷平台分类机载激光雷达机载激光雷达是将激光测距设备、GNSS设备和INS等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的三维信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。在军民用领域都有广泛的潜力和前景。机载激光雷达探测距离近，激光在大气中传输时，能量受大气影响而衰减，激光雷达的作用距离在20千米以内，尤其在恶劣气候条件下，比如浓雾、大雨和烟、尘，作用距离会大大缩短，难以有效工作。大气湍流也会不同程度上降低激光雷达的测量精度。车载激光雷达车载激光雷达又称车载三维激光扫描仪，是一种移动型三维激光扫描系统，可以通过发射和接受激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用收集的目标对象表面大量的密集点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出目标的三维模型及各种图件数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。车载激光雷达在自动驾驶“造车”大潮中扮演的角色正越来越重要，诸如谷歌、百度、宝马、博世、德尔福等企业，都在其自动驾驶系统中使用了激光雷达，带动车载激光雷达产业迅速扩大。地基激光雷达地基激光雷达可以获取林区的3D点云信息，利用点云信息提取单木位置和树高，它不仅节省了人力和物力，还提高了提取的精度，具有其它遥感方式所无法比拟的优势。通过对国内外该技术林业应用的分析和对该发明研究后期的结果验证，未来将会在更大的研究区域利用该技术提取各种森林参数。星载激光雷达星载雷达采用卫星平台，运行轨道高、观测视野广，可以触及世界的每一个角落。为境外地区三维控制点和数字地面模型的获取提供了新的途径，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大意义。星载激光雷达还具有观察整个天体的能力，美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载激光雷达，其所提供的数据资料可用于制作天体的综合三维地形图。此外，星载激光雷达载植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。通过以上对激光雷达特点、原理、应用领域等介绍，相信大家也能大致了解各类激光雷达的不同属性了，眼下，在激光雷达这个竞争越来越激烈的赛道上，打造低成本、可量产、的激光雷达是很多新创公司想要实现的梦想。但开发和量产激光雷达并不容易。丰富的行业经验和可靠的技术才能保障其在这一波大潮中占据主导地位。

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。

激光跟踪仪技术及应用周维虎1，周培松2，石俊凯11. 中国科学院微电子研究所2. 海宁集成电路与先进制造研究院一、引言激光跟踪仪是一种大尺寸空间几何量精密测量仪器，具有测量功能多（三维坐标、尺寸、形状、位置、姿态、动态运动参数等）、测量精度高、测量速度快、量程大、可现场测量等特点，是大型高端装备制造的核心检测仪器。目前，国际上主要有瑞士Leica、美国API和美国FARO三家公司生产销售激光跟踪仪。其中Leica公司凭借自身百年光学仪器制造优势，全球市场占有率最高，目前该公司主推产品型号为AT960，该仪器最大测量距离为80m，空间坐标测量精度为15μm+6μm/m，数据输出速率为1000点/秒；API公司激光跟踪仪小型灵巧，安装和校准快捷，移动方便，便于携带，目前主推产品为Radian系列，其中Radian Pro最大测量距离可达80m，三维坐标测量精度为为10μm+5μm/m；FARO公司财力雄厚，研发投入高，销售网络强大，目前主推产品为Vantage系列，其中VantageS6最大工作范围为80m，角度测量精度为为20μm+5μm/m，数据输出速率为1000点/秒。自1997年开始，国内天津大学、清华大学、中国科学院光电研究院等科研院所先后对激光跟踪测量技术及设备进行了相关研究，其中天津大学最先对单站式结构跟踪仪坐标测量系统进行了研究，并开展了测量功能实验，为激光跟踪仪的后续开发奠定了基础；清华大学对组合式多自由度跟踪测量系统进行了研究，基于三组跟踪测量系统构建空间位置姿态测量系统；中国科学院光电研究院团队（该团队于2018年划转至中科院微电子研究所）自2009年开始研究激光跟踪仪，在中科院装备项目、国家重大仪器设备开发专项、国家重点研发计划、装备发展部、国防科工局等项目的支持下，经过10余年研发和技术积累，实现了激光跟踪仪的自主研制，打破了国外技术封锁和垄断。当前，激光跟踪仪技术正向高精度、小型化、多功能、智能化等方向发展。激光跟踪仪是机器人校准的理想仪器，可以配合机器人实现高精度智能制造。高端激光跟踪仪含有大范围超清摄像头，用于测量过程断光后靶标的自动寻找和测量续接。除此之外，激光跟踪仪结合不同的测量靶标还可以实现隐藏点测量、工件局部形貌高密度扫描测量以及六自由度测量。随着激光跟踪仪在航空航天、舰船、核工业等大型装备制造中的重要性日益凸显，国内用户对仪器国产化的要求越来越高，随着中美贸易战的加剧和发达国家对我国高技术产品的打压，激光跟踪仪国产化替代势在必行。二、激光跟踪仪测量原理激光跟踪仪基于球坐标测量系进行测量，主要用于大尺寸坐标测量以及大型构件尺寸及形位误差测量，亦可对运动部件进行动态跟踪测量。2.1三自由度激光跟踪仪如图2.1所示，当激光跟踪仪工作时，激光测距系统获得靶球到仪器的精确距离r，方位编码器和俯仰编码器测角系统分别测出目标方位角A和俯仰角E，利用这三个原始测量值，就可以通过球坐标与直角坐标之间的转换关系获取空间三维直角坐标（X，Y，Z）。图2.1 三自由度激光跟踪仪原理图合作靶球在空间移动时，从合作靶球返回的一部分光会进入激光跟踪仪内部的位置检测器（PSD，Position Sensitive Detector），随着合作靶球的移动PSD将探测偏移值，跟踪控制系统根据这个偏移值控制方位和俯仰电机转动直到偏移值为零，从而达到跟踪的目的。测量组合参数(A，E，r) 经过坐标转换得到空间三维直角坐标（X，Y，Z）后，经过数据分析软件可以得到被测对象各种几何量参数。激光跟踪仪数据采集系统将测量数据发送至上位机以后，经上位机解析可以确定目标的三维尺寸、几何形貌等信息，并通过计算机实时显示并打印测量结果。2.2 六自由度激光跟踪仪图2.2 六自由度激光跟踪仪原理图六自由度激光跟踪仪为三自由激光跟踪仪的升级产品，在空间位置信息测量的基础上加入了视觉测量、光电测量和惯性测量等模块，用以获取目标空间姿态信息。首先需要建立激光跟踪仪坐标系与上述测量模块之间的转换关系，并通过视觉测量中纵向投影比不变的约束实现横滚角测量；在上述基础上，基于光束向量唯一性约束和激光准直传感原理实现方位角和俯仰角的测量，最后实现三个空间姿态角的测量；除此之外，还融入了惯性测量单元IMU的测量信息，用于动态条件下的辅助测量。三、激光跟踪仪产业和市场分析随着我国制造业产业升级和科技领域的迅猛发展，高端制造、精密制造、智能化制造成为我国未来工业和科技领域的主流方向，激光跟踪仪等精密测量仪器具有巨大的应用前景。在大尺寸精密测量领域，激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、功能多、可现场测量等优点，取代了大型固定式三坐标测量机、经纬仪、全站仪等许多传统测量设备，在设备校准、部件检测、工装制造与调试、集成装配和逆向工程等应用领域显示出极高的测量精度和效率，激光跟踪仪已成为大尺寸精密测量的主要手段，激光跟踪仪应用领域主要包括航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、能源、科研、医疗等领域。根据国外市场研究机构，2017年全球激光跟踪仪市场规模为2.595亿美元，2020年全球激光跟踪仪市场规模为3.438亿美元，预计2023年有望达到5.216亿美元，2028年有望达到8.364亿美元，市场主要驱动力来自质量控制和检验、对准、逆向工程和跨行业校准的需求。按应用细分，质量控制和检验占据最大的市场份额。这是因为激光跟踪仪被越来越多地用于监控和测量跨行业的质量，如汽车、航空航天和国防。为确保客户的要求和规格，质量控制和检验是汽车、航空航天和国防工业的重要参数。为了做到这一点，这些行业主要依靠激光跟踪仪来检查和监测元器件、组装件和成品质量。激光跟踪仪在建筑产品测量、过程优化和通过快速精确测量提供解决方案方面具有精确度高和易便携等不可替代的优势。按行业细分，汽车、航空航天和国防有望引领整个激光跟踪仪市场。在航空航天和国防行业中，激光跟踪仪用于三维测量、逆向工程、武器系统、轴与导轨对准、雷达罩剖面图、飞行器传动装置，以及许多其他测量产品和服务。在航空航天行业中，激光跟踪仪最常应用于夹具部件检查和机翼部件装配。在汽车行业中，激光跟踪仪被用于自动化生产线校准、铰接线和车身部件对准、大型面板和装配主体面板测量、逆向工程、部件验证表面测量、工业机器人调整、变形和动态测量、质量控制和检验等。按地区细分，欧洲占据激光跟踪仪市场的最大份额。为了满足生产过程中的质量和安全要求，欧洲的原始设备制造商（OEMs）早已经开始使用激光跟踪仪。在汽车行业中，激光跟踪仪也得到了多种应用，例如质量检查、对准和校准。因此，日益增长的汽车行业对激光跟踪仪需求也在逐渐增加。德国、英国和法国有望成为欧洲激光跟踪仪市场的三大贡献国。亚太地区市场预计将获得最高的复合年增长率，该地区市场增长的关键驱动因素是市场参与者对新技术的日益关注和采用，这一地区已成为全球投资的焦点和业务拓展的机会。四、国产激光跟踪仪新成果及应用国内开展激光跟踪仪研发主要有中国科学院微电子研究所周维虎团队、深圳中图仪器公司、海宁集成电路与先进制造研究院等，近年来在国家和地方相关部门的支持下仪器研发取得了快速发展，主要体现在以下方面：1）与绝对测距技术相融合，提高仪器的测量精度和测量方便性。激光跟踪仪都是基于球坐标的测量系统，在没有绝对测距之前，没有测量信息冗余，测量过程中任意一个参数丢失，都直接影响测量数据的准确性。新一代激光跟踪仪都增加了激光绝对测距功能，这使得激光跟踪仪的测量信息有了冗余，保证了测量的精确性，在测量过程中丢失部分信息依然可以完成测量工作；同时，由于被挡光时不需要重回基准点复位，这也提高了使用方便性和测量效率。2）与视觉测量系统相结合，实现六自由度测量功能。激光跟踪仪与视觉测量系统相结合不仅能精确定位目标的三维位置，而且还能通过配合特定的靶镜对目标的空间三维姿态进行检测。不仅如此，视觉测量系统还可以识别目标靶镜，保证光路中断后可以通过视觉方式重建测量光路，且无需用户介入。3）测量靶镜多样化。针对三自由度、六自由度等测量需求需要提供不同的测量靶标，另外，仪器还配有隐藏点靶标、扫描测头等附件，使仪器具有隐藏点测量功能和局部区域扫描功能，不仅使仪器测量复杂结构的能力大大提高，还拓展了系统的通用性。4）自我诊断功能。精密测量要求仪器在各种测量环境下保证稳定的工作状态，所以仪器在测量中对自身状态的检测和诊断显得特别重要，自我诊断能在系统工作时实时显示系统的状态，排除微振、升温、光强不足等因素带来的影响。5）飞秒激光频率梳测距技术。飞秒激光频率梳绝对测距技术能够实现大量程、高精度和快速测量三者的完美统一，是激光测距领域的重大突破，有望为大型零部件外形测量、大型设备装配对接，尤其是未来空间任务提供新的技术支撑，在激光跟踪测距、高精度激光雷达测距、卫星编队位置测量、导航星间链路测距、深空探测、引力波测距等领域具有广阔的应用前景。6）组网协同测量技术。针对大型复杂设备装配测量中被测目标尺寸较大或者存在遮挡，单测站难以完成测量任务的难题，通过激光跟踪仪多次设站或者利用多台跟踪仪组网可实现对于大型复杂装备的测量。组网测量技术基于空间多公共点约束，建立激光跟踪仪多测站平差模型，利用平差的权重、约束条件等进行多测站空间位置和姿态的解算，同时求解出所有被测点的三维坐标，得到空间被测物体关键尺寸和特征信息的最优解。7）功能强大的测量软件。激光跟踪仪软件是测量系统的重要组成部分之一，系统软件通过TCP/IP通讯与硬件进行实时数据交互，对硬件上传的数据进行处理和分析，并控制硬件系统执行相应的测量等控制指令。软件系统为用户操作提供人机交互接口，通过数据库管理可实现用户对测量数据的编辑和输入输出等操作，在此基础上通过三维显示操作可面向用户实现测量数据和拟合数据的直观显示和交互操作。为了进一步提升系统测量精度，激光跟踪仪软件系统利用误差补偿算法对激光跟踪仪测距、测角和几何误差进行实时修正，结合激光跟踪仪硬件系统实现大型复杂工件或设备的高精度测量。近年来由中国科学院微电子研究所和海宁集成电路与先进制造研究院共同组建的研发团队（以下简称该团队）致力于实现激光跟踪仪国产化。该团队在激光跟踪仪领域取得了一系列具有自主知识产权的研究成果，共申报发明专利45项（已授权32项），软件著作权5项，发表研究论文130余篇。 2020年激光跟踪仪成果通过了中国仪器仪表行业协会组织的成果鉴定，鉴定委员会认为：“本研究成果技术难度很大，创新性很强，取得了多项自主知识产权。整体达到国际先进水平，研制的激光跟踪仪填补国内空白，飞秒激光跟踪仪属国际首创，其中绝对测距精度、断光续接精度达到国际领先水平。”该成果于2020年分别荣获中国机械工业技术发明特等奖、中国计量测试学会科技进步一等奖。该团队目前主推三自由度激光跟踪仪ICAM-LT-3DOF、六自由度激光跟踪仪ICAM-LT-6DOF如图4.1所示。图4.1(a) ICAM-LT-3DOF型激光跟踪仪图4.1(b) ICAM-LT-6DOF型激光跟踪仪ICAM-LT-3DOF型激光跟踪仪与ICAM-LT-6DOF型激光跟踪仪的主要技术指标如表4.1和表4.2所示。表4.1 ICAM-LT-3DOF型激光跟踪仪主要技术指标指标参数最大测量范围（半径）80m空间坐标测量精度15μm+6μm/m水平角测量范围±320°垂直角测量范围-45°~+60°数据采集速度1000 点/秒跟踪速度＞4m/s表4.2 ICAM-LT-6DOF型激光跟踪仪主要技术指标指标参数空间坐标测量范围（半径）80m空间坐标测量精度15μm+6μm/m姿态测量范围（半径）25m姿态测量精度≤0.05°水平角测量范围±320°垂直角测量范围±145°角度测量误差≤1’’数据采集速度1000 点/秒跟踪速度＞4m/s截至目前，该团队研制的国产激光跟踪仪已在航天五院514所、航空304所、武船公司、中科院高能所、中科院国家空间科学中心、航天科工集团三院三十一所等多个科研院所和企业进行了应用。1）航天领域应用图4.2 激光跟踪仪在航天五院514所应用激光跟踪仪在航天五院514所进行了如下应用：① 紧缩场结构测试：完成紧缩场实验室结构测量，测得最大反射面尺寸10m×15m，最大测量距离35m，最高公差1mm；② 卫星壳体焊接工装结构测量：完成典型零件测量，测得工件尺寸1.5m-3m，测量距离：10m，最高公差0.2mm。在上述测量工作中，使用激光跟踪仪突破了传统测距在测程、精度和测量速度方面难以协调的瓶颈，提高了卫星和空间有效载荷的制造及组装精度。2）航空领域应用图4.3 激光跟踪仪在航空304所应用激光跟踪仪在航空304所进行了如下应用：① 航空工装测试：坐标不确定度达0.05mm，满足航空制造对精度溯源要求；② 飞机水平飞控部件姿态测量：位置传感器测量精度在线校准精度达0.018mm。在上述测量工作中，使用激光跟踪仪主要解决了两个问题：① 解决了大尺寸航空工装测量问题，提供了可供溯源的依据和测量基准，为数字化制造提供了可靠的计量保证；② 解决了飞机水平飞控部件姿态测量问题，实现了飞机部件姿态高精度高效率数字化测量，为航空制造安全提供了保障。3）船舶领域应用图4.4 激光跟踪仪在武船公司应用在船舶领域中，激光跟踪仪在武船公司进行了如下应用：① 与API激光跟踪仪测试数据进行比对，验证本激光跟踪仪的准确性、可靠性、稳定性、可操作性等综合性能；② 对船台建造过程中的分段结构外形尺寸、装配尺寸、位置偏差等进行了测量，突破了大尺寸测量仪器三维坐标测量方法关键技术。根据应用结果，在船舶领域应用激光跟踪仪，建立了相应的应用方法/规程，可逐步推广到船舶建造其他阶段，为船舶建造精度控制提供新的方向。4）大科学装置应用在大科学装置方面，激光跟踪仪在中科院高能所进行了如下应用：① 对北京正负电子对撞机储存环部分设备进行了准直调整，调整精度达0.1mm；② 在中国散裂中子源建设过程中，对隧道控制网进行测量，相对点位测量精度0.08mm，绝对点位测量精度0.05mm。图4.5 激光跟踪仪在中科院高能所应用在上述测量测试工作中，使用激光跟踪仪主要解决了两个问题：① 利用标准杆进行空间测量，大跨度搭接测量控制网，提高了控制网测量精度和效率；② 采用边长法进行高精度设备标定，彻底消除了测角误差的影响，提升了大科学装置安装精度。此外，该团队研发的激光跟踪仪还广泛应用于机器人磨削、航天钻孔及铣削、机器人校准等场景中，如图4.6所示。图4.6 激光跟踪仪在机器人场景的应用机器人磨削（左），航天钻孔及铣削（中），机器人校准（右）随着现代工业技术的迅猛发展，高端制造业对设备尺寸及空间位置精度要求越来越严苛，激光跟踪仪作为最先进的三坐标精密测量仪器之一，将为工程技术及科学研究大尺寸精密测量提供有效的解决方案。（点击图片查看专题）

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

Hexagon计量产业集团推出全球首款电池驱动式IP54防护标准的绝对激光跟踪仪　　 　　新型Leica绝对激光跟踪仪AT401集合多项全球首创技术特点：1. 全球首款可由电池驱动、实现无线操作的激光跟踪仪；2.全球第一款具备IP54防护标准(防尘，防水…)认证的激光跟踪仪；3.极致轻便小巧，在同类产品中重量最轻；4.高精度大量程；5.整合了能量锁 (PowerLock)和目标自动识别(ATR)等业内先进功能，使得三维激光跟踪仪的应用操作变得空前的简易。　　2010年4月28日，Hexagon计量产业集团宣布了Leica绝对激光跟踪仪AT401正式面市的消息。这一全新的激光跟踪仪拥有先进的电源管理系统，含两块电池，且允许电池热切换，并可以通过以太网供电运行(PoE+) 集成的WiFi，使得AT401成为一台真正的无线移动式测量机。该系统经过IP54等级认证，不受液体、焊接飞溅物、灰尘干扰，甚至适应雨中操作。　　AT401含控制系统在内总重仅为8 KG，高度仅为29 cm，极小的外形结构使得AT401可以在大多数国际航班上作为手提行李进行运输。新型Leica 绝对激光跟踪仪AT401树立了行业便携的新标准。　　AT401在水平和垂直轴方向都能实现无级旋转，当快捷释放把手被移走时，AT401在垂直方向的全测量范围将达到+/- 145º ，测量范围高达320m。AT401中的绝对测距仪(ADM)在其全精度认定范围内的最大测量不确定度仅为10微米，并配备多项先进的Leica工业测量技术，如能量锁(PowerLock)光束恢复、目标自动识别(ATR)、免维护Piezo驱动和重力传感器的测量级别精度水准等。　　Leica AT401绝对激光跟踪仪推动了激光跟踪仪在尺寸、重量、量程、精度和可操作性等多方面的进步，并为激光跟踪仪的精度设立了新标准。目前，激光跟踪仪已经广泛分布于航空航天、工程机械、风电、水电、船舶行业及关注大部件和远距离的科学研究中，而Leica AT401绝对激光跟踪仪的创新将会在此基础上大大拓展激光跟踪仪的应用范围。　　关于Hexagon计量产业集团　　Hexagon计量产业集团隶属于Hexagon AB集团，其麾下拥有全球领先的计量品牌，如Brown & Sharpe、CE Johansson、CimCore、CogniTens、DEA、Leica工业测量系统 (计量分部)、Leitz、m&h、Optiv、PC-DMIS、QUINDOS、ROMER、Sheffield、Standard Gage和TESA。Hexagon计量产业集团代表着无可匹敌的全球客户群，数以百万计的坐标测量机(CMMs)、便携式测量系统、在机测量系统、光学影像测量系统和手持式量具量仪，以及数以万计的计量软件许可。凭借精密的几何量测量技术，Hexagon计量产业集团帮助客户实现制造过程的全面控制，确保制造的产品能够精确的符合原始设计的需要。该集团为全球客户提供测量机、测量系统以及测量软件，并加之以完善的产品技术支持和售后增值服务。更多信息请登录www.hexagonmetrology.com.cn　　海克斯康测量技术(青岛)有限公司　　地址：青岛市株洲路188号 邮编：266101　　电话：0532-8089 5188 传真：0532-80895030　　网址：http://www.hexagonmetrology.com.cn　　E-mail：info@chinabnsmc.com

导语：激光跟踪仪作为大尺寸空间几何量精密测量仪器，由于具有较高的技术门槛，国内企业又缺乏深厚的经验积累，导致该产品长期被国外垄断。历经十余年的研发与实践，中国科学院微电子研究所和海宁集成电路与先进制造研究院共同组建的研发团队终于在激光跟踪仪的技术领域有了与国际先进技术比肩的突破性进展。本文将带您了解这个研发团队的激光跟踪仪和它在精密制造中扮演的关键性角色。说起激光跟踪仪，高端装备制造企业对它大概并不陌生，它是一种大尺寸空间几何量精密测量仪器，是大型高端装备制造的核心检测仪器，具有测量功能多（三维坐标、尺寸、形状、位置、姿态、动态运动参数等）、测量精度高、测量速度快、量程大、可现场测量等特点。检测的装备体积越大越能显示出此类产品的优越性，所以它更多出现在航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、能源、科研、医疗等领域等先进制造领域。激光跟踪仪是激光干涉测距技术、激光绝对测距技术、精密测角技术、光电探测技术、精密机械技术、精密跟踪技术、现代数值计算理论等各种先进技术的集大成之作，需要突破百米的测量范围、毫秒级的测量时间、微米级的测量精度以及动态实时跟踪测量等各项技术难点，技术门槛非常高，需要长期的经验积累，几乎不存在弯道超车的可能性。目前，世界范围内主要有美国FARO、美国API、瑞士Leica三家公司生产销售激光跟踪仪，我国当前尚无成熟的激光跟踪仪产品销售。因此，攻克关键技术难点实现激光跟踪仪国产化迫在眉睫。组建团队 攻关激光跟踪仪技术壁垒由于激光跟踪仪的重要性、特殊性和不可替代性，国家层面高度重视激光跟踪仪的自主研发。中国科学院微电子研究所和海宁集成电路与先进制造研究院共同组建的研发团队（以下简称该团队）一直致力于实现激光跟踪仪的国产化。该团队激光跟踪仪的研发历史已有十余年，并阶段性取得骄人成绩：（1）2011年中科院微电子研究所 (原中科院光电研究院激光跟踪仪研发团队)在国内率先开展激光跟踪仪整机研制；（2）2013年推出国内首台原理样机，初步形成具有一定规模的、专业稳定的整机开发团队，引领国内激光跟踪仪的整机与系统关键技术发展，积极追赶国际前沿；（3）2017年推出国际首台三自由度飞秒激光跟踪仪样机，从技术层面上实现了跨越式发展；（4）2021年研制成功国内第一台六自由度激光跟踪仪样机，并通过技术指标测试；（5）2021年三自由度激光跟踪仪进入到产业化阶段，立足海宁集成电路与先进制造研究院，组建了数十人的激光跟踪仪产业化团队，建立激光跟踪仪小批量生产线。该团队在激光跟踪仪领域取得了一系列具有自主知识产权的研究成果，共申报发明专利32项（已授权21项），软件著作权6项，发表研究论文60余篇。2020年激光跟踪仪成果通过了中国仪器仪表行业协会组织的成果鉴定，鉴定委员会认为：“本研究成果技术难度很大，创新性很强，取得了多项自主知识产权。整体达到国际先进水平，研制的激光跟踪仪填补国内空白，飞秒激光跟踪仪属国际首创，其中绝对测距精度、断光续接精度达到国际领先水平。”该成果荣获中国机械工业技术发明特等奖和中国计量测试学会科技进步一等奖。该团队目前主推三自由度激光跟踪仪ICAM-LT-3DOF、六自由度激光跟踪仪ICAM-LT-6DOF如图1所示。除此以外，该团队还可以根据用户的要求定制解决方案，更加贴近客户的使用需求，解决用户的“非标”问题。图1 ICAM-LT-3DOF型激光跟踪仪图2 ICAM-LT-6DOF型激光跟踪仪干货满满 技术原理深度剖析当三自由度激光跟踪仪工作时，如图2所示，激光测距系统获得靶球到仪器的精确距离r，方位编码器和俯仰编码器测角系统分别测出目标方位角A和俯仰角E，利用这三个原始测量值，就可以通过球坐标与直角坐标之间的转换关系获取空间三维直角坐标（X，Y，Z）。图3 三自由度激光跟踪仪原理图合作靶球在空间移动时，从合作靶球返回的一部分光会进入激光跟踪仪内部的位置检测器（PSD，Position Sensitive Detector），随着合作靶球的移动PSD将探测偏移值，跟踪控制系统根据这个偏移值控制方位和俯仰电机转动直到偏移值为零，从而达到跟踪的目的。测量组合参数(A，E，r) 经过坐标转换得到空间三维直角坐标（X，Y，Z）后，经过数据分析软件可以得到被测对象各种几何量参数。激光跟踪仪数据采集系统将测量数据发送至上位机以后，经上位机解析可以确定目标的三维尺寸、几何形貌等信息，并通过计算机实时显示并打印测量结果。六自由度激光跟踪仪为三自由激光跟踪仪的升级产品，如图3所示，在空间位置信息测量的基础上加入了视觉测量、光电测量和惯性测量等模块，用以获取目标空间姿态信息。首先需要建立激光跟踪仪坐标系与上述测量模块之间的转换关系，并通过视觉测量中纵向投影比不变的约束实现横滚角测量；在上述基础上，基于光束向量唯一性约束和激光准直传感原理实现方位角和俯仰角的测量，最后实现三个空间姿态角的测量；除此之外，还融入了惯性测量单元IMU的测量信息，用于动态条件下的辅助测量。图4 六自由度激光跟踪仪原理图多项技术突破 跻身国际先进该团队历经10余年的垂直深耕，在激光跟踪仪领域相继突破了高速激光干涉测距、高精度绝对测距、精密跟踪转台设计、高精度测角、动态伺服跟踪、目标快速识别锁定、多源融合姿态测量、系统误差检测与补偿等多项关键技术，在80m范围内，跟踪测量速度大于4m/s，具有良好的目标快速识别锁定能力，测量精度达到15μm+6ppm，技术性能跻身国际先进行列。优势突出 大尺寸精密测量显身手在大尺寸精密测量领域，激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、功能多、可现场测量等优点，取代了大型固定式三坐标测量机、经纬仪、全站仪等许多传统测量设备，在设备校准、部件检测、工装制造与调试、集成装配和逆向工程等应用领域显示出极高的测量精度和效率，激光跟踪仪已成为大尺寸精密测量的主要手段，在实践中可以为为航空航天、汽车制造、重型机械制造、重工与船舶、科学研究、能源、医疗等领域等行业提供可靠的技术保障。（1）航空航天领域在航空航天制造领域，飞行器具有外形尺寸大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点，飞行器的装配通常是在各部件分别安装后再进行总体装配，在部装的某些环节和总装的整个过程中都需要进行严格的几何检测。激光跟踪仪测量的现场性和实时性以及它的高精度可以满足飞机型架和工装的定位安装、飞机外形尺寸的检测、大型零部件的检测以及飞机维修等工程测量需求。例如，测量一架大型飞机的内外形尺寸，首先要确定整架飞机的空间坐标，保证所测量的外形尺寸空间点都在同一坐标系中，可以布置足够的激光跟踪仪测站，这些测站保证了飞机上、下、左、右、前、后等整个外形都在激光跟踪仪测量范围内。其次要保证飞机处于静止状态，测量过程中不能产生移动。激光跟踪仪在每个测站测量某一个区域的飞机外形坐标点，将各个测站下的飞机外形坐标连接起来就构成整架飞机的外形尺寸坐标，对这些点进行处理可形成飞机外形的数字模型。激光跟踪仪扫描范围大，采集数据速度快，数据采集量大，精度高，大大提高了飞机测量的工作效率。（2）汽车制造领域在汽车制造领域，激光跟踪仪用于车身检测、汽车外形测量、汽车工装检具的检测与调整。通过激光跟踪仪采集汽车不同部位的点云数据，再进行拼接得到完整的汽车曲面点云数据，利用三维造型软件得到汽车三维模型。另外，汽车生产线需要以最高级别的自动化程度和准确性进行定期检测，以进行重复性和适产性测试。激光跟踪仪这种移动坐标测量设备适合工业现场使用，在检测工程中使汽车生产的停工期大幅缩短。（3）重型机械制造领域在重型机械制造业中，大尺寸部件的检测和逆向工程常采用激光跟踪仪。在零部件生产中，该系统可以快速精确地检验每个成品零部件的尺寸是否与设计尺寸一致，同时将零部件物理模型迅速数字化，得到的数字化文件可以用各种方法处理从而得出测量结果。在工件模具生产中，激光跟踪仪对工件模型进行扫描测量后建立数据模型，由数据模型生成可被加工中心识别的加工程序，从而加工出模具。三维管片和模具测量系统也是激光跟踪仪的典型工程应用之一，通过跟踪测量成品管片各个表面上的空间点坐标，经过坐标系转换和纠正将表面数据点拟合成平面或曲面，检验管片的尺寸与设计尺寸的偏差，便可判断成品的质量是否合格。与传统的检测方法相比，激光跟踪仪测量速度快，能在短时间内采集大量空间数据点信息，同时可以直接处理数据，给出成果报表，不仅工作效率高，而且大大节省了人力物力。（4）重工与船舶领域在造船工业领域中，激光跟踪仪常用于舰船外形尺寸检测、重要部件安装检测与逆向工程等。例如，船舶制造公司对于甲板都有着极高的要求，每一个拼接块的连接点都必须恰好能够和另外一片拼接块严丝合缝对接，且甲板外侧的外观必须与船体形状严格吻合，如此才能体现船舶的质量和性能。激光跟踪仪能够实时地对长度以及横向曲率进行测量，代替笨重的模板进行现场装配与检测，可使生产时间节约60%-70%，大大提高了船舶的生产效率。（5）能源领域在能源领域，激光跟踪仪常用于大型零部件的高精度加工、尺寸检测和辅助维护。例如，水力发电站中，新的涡轮发电机投入工作之前，必须获得精确的涡轮机转子形状，以便后续的勘测；当进行水力发电站的检测时，需要对在役涡轮机转子开展数字化测量，从而确定涡轮转子的磨损情况。在风力发电站中，对大型风电轮毂叶片外形尺寸进行高精度测量是保证风电轮叶片正常工作的关键。激光跟踪仪能够完成定轴轴径、同轴度、轮毂连接孔位置度的高精度测量，并且仪器轻便灵活、精度高、测量范围大、能够现场测量，已成为风电行业的必然选择。（6）科研领域在科研领域中，激光跟踪仪在粒子加速器的定期检测与调整、重要核心部件安装检测以及机器人制造校准中发挥了重要作用。例如，机器人在工厂机械安装、马达驱动安装、夹具重组等整个生产周期过程中必须保持规定的精度，才能称为高性能工业机器人。机器人设计尺寸与实际生产尺寸的偏差往往较大，主要是由于机械公差和部件安装误差所引起的。在校准机器人的实际应用中，一般有两个工作测量组，一组负责装配机器人，一组则负责检测校准安装部件，激光跟踪仪安置在这两个测量组之间。操作人员通过计算机控制定位，激光跟踪仪可以监测两个工作小组的测量工作。在一组操作人员利用激光跟踪仪检测机器人配件的同时，另一组工作人员负责装配经过检测的工件，装配后再利用激光跟踪仪进行校准。这样，大幅提高了机器人生产安装的工作效率，也节省了人力物力。（7）医疗领域在医疗领域中，质子医疗机在治疗时最重要的是需要准确定位患者体内癌细胞位置，通过控制治疗床移动，将患者需要治疗的部位送到有效的治疗区域内，才能够进行准确有效的治疗。因此医疗机在安装调试时，要求系统能够控制机械臂，将末端工装精确地移动到理论位置。这对测量方案提出了更高标准的要求：能够准确调整病灶中心的位置，X、Y、Z方向偏差要求小于0.1 mm；能够调整连接法兰的姿态精度，RX、RY、RZ要求小于0.1°，同时检测、分析效率要尽可能高。在质子医疗机安装调试过程中，激光跟踪仪可以提供简单便捷的应用方案。首先通过测量固定在墙体上的定位点，建立离子源坐标系，在软件中将机器坐标系定位到离子源坐标系统；通过坐标转换得出病灶中心与工装上定位孔的坐标关系，解算出定位孔的坐标。其次，将反射球放置在定位孔上，通过监视窗口功能查看当前位置偏差，实时调整工装，使偏差逐渐缩小至公差要求。该团队研发的激光跟踪仪已在卫星天线变形与位姿测量技术、飞机大型部件装配测量技术、船舶分段对接测量技术、高能加速器准直调节测量技术、工业机器人现场校准技术等领域开展了一系列应用研究，并取得了良好的社会效益。制造业中的智能装备、复杂结构制造、高精密制造和装配的兴起，对于测量系统提出了精度更高、智能化程度更高、适应性更强的要求。激光跟踪仪作为最先进的三坐标及姿态精密测量仪器之一，将为工程技术及科学研究大尺寸精密测量提供有效的解决方案。由于激光跟踪仪应用范围广、测量效率高、测量精度高，该仪器在高端制造领域扮演的角色越来越重要。激光跟踪仪的国产化，对于我国的制造业，尤其是高端制造领域，具有十分重大的意义。借势而起 稳扎稳打培育市场目前，国家政策一直在主张推进仪器的国产化，实现国产仪器与进口仪器的同台竞争。中国仪器仪表行业协会与中国和平利用军工技术协会在此方面做了大量的工作，这对国产激光跟踪仪的市场化推进是极大的政策性优势。在国防军工行业，激光跟踪仪的应用主要在导弹的测量、潜艇的测量、战斗机的装配、军舰的测量、天线的装配及外形检测，大型结构件测量检测等。由于进口的高端激光跟踪仪含有摄像头装置，这对我国国防军工行业造成了安全隐患。另外，由于进口激光跟踪仪不对我国展示源代码，不排除进口激光跟踪仪含有潜在的功能，这对我国部分商业秘密也带来了风险。如此种种安全隐患更是急需国产激光跟踪仪技术的开发与产品的应用。这是提供给国内企业的机会更是挑战。该团队也将借助他们国际领先的技术优势、可靠的数据链优势，以及强有力的价格优势和维修服务优势，不遗余力的为客户提供高质量的定制化产品和服务。结束语随着中国先进制造业和高端装备的飞速发展，以激光跟踪仪为代表的高精度、数字化、智能化的精密检测设备已经成为这些领域企业占领行业制高点的制胜法宝。一方面，激光跟踪仪在先进制造和高端装备领域的关键作用日益凸显，成为制造行业的核心仪器，国内对激光跟踪仪的需求量激增，国产化呼声高涨；另一方面，近年来西方对我国的技术限制和打压，使激光跟踪仪的采购和售后具有一定的不确定性，这将影响我国高端装备的发展，所以国家对激光跟踪仪等关键核心仪器的国产化大力支持。显而易见，未来激光跟踪仪的产业化具有极为光明的市场前景。

按照国家标准化工作管理规范，中国仪器仪表学会制定满足市场急需、反映先进专业技术水平、具有我国自主知识产权的团体标准。近日，中国仪器仪表学会发布了“拟立项（金属材料分析用激光诱导击穿光谱仪）CIS标准的公示通告”。申请项目名称：金属材料分析用激光诱导击穿光谱仪项目申报单位：杭州谱育科技发展有限公司激光诱导击穿光谱法（Laser-induced breakdown spectroscopy；LIBS）：通过激光烧蚀待分析物质形成等离子体，其中处于激发态的原子、离子或分子向低能级或基态跃迁时，向外发射特定能量的光子，形成特征光谱，进而获得待分析物质的化学成分或其他特性。激光诱导击穿光谱技术以其无须对块状固体样品预处理，快速、无损、可进行多形态分析以及无辐射危害等特点成为近年来研究的热点，可应用于金属材料化学成分分析、煤炭分析、生物样品分析等领域。但当前在金属材料分析领域分析用的激光诱导击穿光谱仪没有明确的标准来规范此类产品性能和使用安全性等重要参数，导致设备性能良莠不齐，致使不同厂商仪器的性能无法进行比较，仪器用户在采购、比较仪器时缺乏科学依据。目前现行的标准中，GB/T 38257-2019规定了激光诱导击穿光谱法的术语和定义、基本原理、试验条件、设备及装置、样品、试验步骤、数据处理和试验报告。为了规范激光诱导击穿光谱仪自身性能的测定方法，统一有关专业术语，制定仪器性能检测的依据，使检测机构、仪器用户及生产厂家在检校激光诱导击穿光谱仪时有统一的标准方法，杭州谱育科技发展有限公司申报制定团体标准《金属材料分析用激光诱导击穿光谱仪》。该标准的制定将助力我国激光诱导击穿光谱及其在金属行业的发展及应用。据查询目前国际上没有相同的国际标准。制定该标准目前不存在知识产权方面的问题。

关于“中国仪器仪表学会标准化工作委员会激光拉曼专业技术委员会”成立的通报　　各相关单位和专家：　　中国仪器仪表学会标准化工作委员会(SCIS)为了做好有序承接政府转移职能，完成好国家标准委的团体标准试点工作，根据目前标准制定工作的进展和需要，特成立激光拉曼技术相关仪器仪表的“中国仪器仪表学会标准化工作委员会激光拉曼专业技术委员会”(成员名单附后)。同时，专业技术委员会的成员将成为中国仪器仪表学会标准化工作委员会秘书处专家库的储备专家，以参加后续开展的标准化技术工作，为学会开展的标准相关工作咨询、评审和专业支持。　　针对上述的标准专业技术委员会工作，如有意见或建议，或者有意参加相关工作的专家或单位，请随时联系我们。　　感谢对我们工作的支持!　　联系人：郭晓维　　地 址：北京市海淀区锦秋国际大厦A座2308室　　电 话：86-10-82800385，18601013495　　传 真：86-10-82800485　　email： scis@cis.org.cn　　2016年1月4日　　附：中国仪器仪表学会标准化工作委员会激光拉曼专业技术委员会成员名单姓 名工作单位职务/职称戴连奎浙江大学控制学院教授姜育强利谱科技（北京）有限公司总裁杜一平华东理工大学分析测试中心副主任/教授张 炜中国科学院重庆绿色智能技术研究院副主任/副研究员陈 达天津大学精密仪器与光电子工程学院研究员邱宪波北京化工大学教授张克非北京赛诺飞拓科技有限公司总工程师/高级工程师杨海峰上海师范大学教授康怀志厦门大学高级工程师刘国坤厦门大学环境与生态学院副教授张孝芳北京科技大学高级工程师刘 俊新疆出入境检验检疫局高级工程师阮伟东吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室副教授郑军伟苏州大学能源学院教授施光海中国地质大学珠宝学院教授兰 延国土资源部珠宝玉石首饰管理中心深圳珠宝研究所所长/高级工程师赵 冰吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室教授

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。

我们在进行荧光显微成像的时候，总要在信号强度和光漂白之间做出艰难的取舍，而高强度光照对活细胞和组织的影响也不容忽视。　　激光层照荧光显微技术(Light-sheet fluorescence microscopy)能以很高的3D分辨率，长时间对生物学样本进行温和成像。这一技术结合高速相机，足以捕捉细胞或亚细胞水平发生的动态。日前，《Nature Methods》杂志将这个低光毒性的快速三维成像技术评为了2014年的年度技术。　　激光层照荧光显微技术的基本原理很简单，它不像宽场或共聚焦显微镜那样照射或扫描整个样本，而是用薄层光从侧边照射样本，然后从样本的上部或下部检测荧光，激发光路与检测光路垂直。激光层照荧光显微镜激发一个层面上的荧光基团，一次成像一个面，这种技术不仅大大降低了光毒性，还提高了长时间成像活样本的能力。　　Light-sheet技术始于一百年前，原本是用来成像胶体的。后来，Ernst Stelzer等人用这一技术成像了荧光标记的活斑马鱼胚胎，Light-sheet技术由此重新焕发了活力。Stelzer在本期Nature Methods杂志上撰文，介绍了这一技术的起源、原理和应用潜力。　　激光层照荧光显微技术的崛起，离不开荧光蛋白和转基因标记的发展。实际上，只有物理学、生物学等多个领域进行跨学科合作，人们才能充分挖掘出这一技术的潜力。随着商业化仪器的不断推出和升级，相信激光层照技术将为我们揭示以往难以想象的生物学细节。　　目前的激光层照荧光显微镜可以实现多角度成像(multiview)，并与超高分辨率成像、双光子激发和结构照明结合起来。这一技术能够快速对活细胞进行3D成像，在透明的固定样本中获得惊人的静态图像。举例来说，人们已经用激光层照荧光显微镜成像了活体心脏和运作中的大脑，跟踪了胚胎发育时的细胞迁移。　　激光层照荧光显微技术在神经生物学中的应用特别令人期待。因为这一技术能够同时成像大脑中的大量细胞，有望为我们揭示这一神秘器官的整体属性。Misha Ahrens等人在本期的Nature Methods杂志上发表文章探讨了这个问题。　　激光层照成像是一项充满挑战性的工作，激光层照实验会生成海量的数据，我们需要找到更好的方法处理和分析这些数据。此外，激光层照成像的样本制备也和成熟的样本制备方案完全不同。　　值得注意的是，最佳效果的激光层照成像仍然需要较小的透明样本。对于不那么透明的大样本而言，我们还需要想办法解决散射和相差问题。另外，我们在进行激光层照成像时，依然需要监控潜在的光毒性，虽然激光层照技术的光毒性比较小，但并不等于完全没有光毒性。　　原文检索：　　Method of the Year 2014

激光干涉技术主要应用光波的空间相干特性。具体而言，对于两束光波或电磁波等横波，当波长相等、且相位差为2π整数倍时，合成波的振幅叠加增强至最大；当相位差为π奇数倍时，合成波的振幅抵消减小至最小。早在十九世纪下半叶，科学家们就已发明了多种原理干涉结构装置用于科学研究，其中最著名的是迈克尔逊-莫雷干涉试验，该实验采用钠光源平均谱线近似单色光进行干涉测量，从而否定了“以太”的假说。图1 迈克尔逊-莫雷干涉试验激光干涉仪的构成真正促进干涉技术巨大进步的契机是1960年激光器的发明。激光由于具有极窄的谱线，因而具有非常优秀的空间相干性。目前激光干涉仪主要的用途包括精准的尺寸和移动距离测量，测量准确度最高可以达到纳米甚至亚纳米量级。在构成上激光干涉仪最常使用的波长为632.8 nm，对于经典的迈克尔逊干涉测量原理，由激光器中出射的单色激光经过50:50半透半反的分束镜后分为2束光束，其中一束经过固定的光程后被反射镜反射，称为参考光束；另外一束光束由于存在被测对象，被反射镜反射后光程发生改变(距离或折射率变化引起)，称为测量光束。当两束光被反射后在分束镜第二次合成并随后照射探测器上被接收后，将产生干涉条纹的移动。由之前的光波的叠加性可知，假设测量光路距离变化为316.4 nm，当只存在一去程一回程的情况下，此时干涉条纹相位变化2π。目前商用激光干涉仪普遍采用两去程两回程，同时采用1024倍电子细分卡，因此分辨率可达0.16 nm。图2 激光干涉仪原理构造激光干涉仪的应用现状1. 在工业领域应用随着理论研究的深入和技术的不断进步，激光干涉测量技术目前精彩纷呈，在多个领域中都得到了非常广泛的应用。 包括单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、激光平面干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、皮米激光干涉仪、多波长干涉测距等。 单频和双频激光干涉仪。测量具有非接触和无损检测的特点，能够在线测量长度、角度和转速等参数，因此已成为各国精密数控机床在线定位精度测量的最主要标准之一。在精密加工过程中，位置精度是机床的重要指标，激光干涉仪通过在线位置测量、实时数据处理实现机床误差修正。另外在集成电路制造中，激光干涉仪也是光刻机在线位移测量的核心部件。图3 激光干涉仪在精密机床中的应用激光平面干涉仪。激光干涉仪不仅可以用于测量长度、角度以及位移，也可以测量物体的表面形貌。测量基本原理为激光菲索(Fizeau)干涉，激光经过扩束后先后经过参考平面和待测平面，两个平面的反射光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统接收。分析条纹形状即可判断是否存在缺陷。图4 激光平面干涉仪皮米激光干涉仪。现在随着微纳测量分辨率要求的进一步提高，出现了商品化的皮米激光干涉仪。皮米激光干涉仪采用包覆光纤作为激光传输介质，有效减小了空气折射率扰动对测量的影响；同时在干涉方式上干涉仪采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理，是一种多倍程干涉，进一步提高了分辨率。 图5 皮米激光干涉仪多波长干涉绝对测距。采用单波长干涉测距虽然分辨率可达到纳米级，但是单波长干涉测距是相对测量，且测量时光路不能中断，而多波长干涉能很好解决这个问题。因为在干涉测距中波长就像一把量尺，但如果测量距离大于这把量尺，则需要多次拼接测量。多波长干涉能形成很长的等效波长，使量尺范围大于被测距离，实现绝对距离测量。图6 多波长干涉绝对测距光相控阵雷达。随着自动驾驶技术的高速发展，现在激光干涉技术也应用在光相控阵(OPA)激光雷达(LiDAR)中。激光雷达会产生一系列密集超短激光脉冲扫描周围物体，通过脉冲返回时长差判断距离和轮廓。光相控阵雷达利用光栅干涉原理，可以通过改变不同狭缝中入射光线的相位差来改变光栅后中央条纹(主瓣)位置，从而控制激光雷达光束的指向和转向。 图7 激光干涉技术在光相控阵雷达中的应用2. 在科学研究方面应用激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO用于验证广义相对论预言的引力场扰动产生的时空扭曲。它本质上是一个超大型迈克尔逊干涉仪，由2条4千米长的互相垂直的臂构成，同时光线还会在臂内折返300次。当引力波会产生空间弯曲，干涉结果也会轻微变化。2017年美国科学家借助LIGO观测到双中子星合并引力波事件并获得了诺贝尔物理学奖。图8 激光干涉引力波天文台(LIGO)激光全息干涉测量技术。利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量。图9 激光全息干涉测量技术作者：中国计量科学研究院副研究员 李琪

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。

“扫码时代”或成过去式，“刷脸时代”已悄然而至人脸识别科技大大改变了人们的生活方式，从现金支付到刷卡支付，再到今天无处不在的扫码时代，一部智能手机既可以出行无忧。但您是否为忘带手机、手机没有网络、或者电量用完而感到焦急、困扰？别担心，“扫码时代”或将成为过去式，“刷脸时代”已悄然而至！从身份审核到线下支付，从乘坐地铁到取快递、领养老金，“刷脸”正在变得一路畅通。这一变革的核心就是人脸识别（脸部识别）技术。采用人脸识别技术的智能手机、电脑、银行柜员机、检票闸机、智能门锁、门禁、考勤、安检系统、远程认证、支付系统等已悄悄走进了人们的生活。人脸识别--这种非接触式、基于人的脸部特征信息进行身份识别的生物识别方法，是一种即体贴又便利的方法，某些情况下甚至优于现有的指纹识别系统，例如当冬天您戴着厚厚的棉手套，或者您手里刚好拿着其他东西时，指纹识别就显得不那么方便了。 人脸识别和垂直腔面发射激光器（VCSELs）人脸识别技术，这一重大进展硬件上可以通过所谓的垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers，简称VCSELs)来实现。 VCSELs是一种特殊类型的半导体激光二极管，与传统的边缘发射激光二极管不同，它的发射垂直于芯片表面，因此可以很容易地封装成单个芯片上包含数百个发射器的发射阵列。用于智能手机的 VCSELs芯片通常发射的红外线，体积非常小，成本低廉，为脸部扫描提供了良好、安全的辐照性能。此外， VCSELs不仅可以用于人脸和手势识别，还可以用于通信、近距离传感器、增强现实显示、机器人(扫地机器人)和自动驾驶汽车的激光雷达等。 因此，表征VCSELs的发射光谱、功率、光束轮廓、噪声等是这些器件发展和改进的关键。傅立叶变换红外光谱技术（FTIR）用于垂直腔面发射激光器（VCSELs）的表征虽然辐照度传感器和快速光电二极管可以测量VCSELs激光器的功率和光束轮廓，但它们不能确定其发射光谱。 在这里，结合了步进扫描技术（StepScan）的傅立叶变换红外光谱（FTIR）以其高灵敏度、宽光谱范围、杰出的时间和光谱分辨率，被证明是理想的VCSELs激光器表征方法。来自德国达姆施塔特工业大学的Wolfgang Elsaesser教授和他的研究小组，使用布鲁克高性能VERTEX80v真空型傅立叶变换红外光谱仪，对VCSELs激光器进行了详细的微秒尺度时间分辨偏振(斯托克斯偏振参数)分析，很好地支持了VCSELs基础开发的理论模型。VERTEX80v真空型傅立叶变换红外光谱仪

在进入主题之前，我首先要澄清一下，这里的“激光粒度仪”是指基于静态光散射或衍射原理的粒度分析仪器, 测量范围从大约100纳米到几毫米。与之容易混淆的还有另一种也是以激光作为照明光源的粒度分析仪器——动态光散射粒度仪，在国内通常叫作纳米粒度分析仪。本文探讨的产品是指前者。 一提起高端的科学仪器，大多数国人都认为进口的国外仪器比国产仪器先进。但是，对激光粒度仪，我可以很负责任地说，总体上国产仪器与进口仪器水平相当，有些国产品牌甚至领先于世界同行。国外产品的价格确实高，但是技术性能一点都不高。所以，某些国家如果想在激光粒度仪上卡中国的脖子，不仅对中国的粒度仪应用产业丝毫无损，而且还会自行断送国外品牌在中国的市场，对中国的上下游产业发展只有好处，没有坏处。 能不能制造出高水平的科技产品，关键点有三：一是产品的设计，二是供应链（配套原材料），三是制程管理。 就原料供应来说，国内国外的粒度仪厂商都是全球采购的，相互之间没什么差别。具体来说，集成电路和部分电子元件大多是国外生产的，机械零件和光学镜头大多是中国生产的，有些国外品牌甚至连整机都是在中国境内、由中国工人完成组装调试的。某些国产品牌为了宣传自己的粒度仪“高大上”，声称光学镜头是某发达国家生产的，不知真假？但愿是假的；如果是真的，那真要为之惋惜了。其实，国产光学镜头完全能够满足激光粒度仪的使用需求。就连某些著名的进口品牌的镜头都是中国产的，说明国外同行早就认可中国镜头的质量。你又何必花高价到国外采购呢？要说卡脖子，电子元器件真是国产科学仪器“脆弱的要害部位”。激光粒度仪要用到的激光二极管，一些模拟集成电路，单片机等，都需要进口。但这不是我们激光粒度仪的厂商能够解决的。 至于制程管理，需要经验的积累和精益求精的态度。国产品牌或者其主要负责人，进入激光粒度仪行业都已超过20年，而且有些人曾长期在国外同行企业工作，再笨也学会该如何管理了，更何况中国人还是挺聪明的，至少不会在智力上输给西方人。对产品质量的态度，我认为几家主要的国产品牌都是很认真的。或许是激烈竞争的原因，大家都迫切地希望用户使用自己的产品时有良好的体验：精确、稳定、可靠。说到用户体验，我要提一句提外话：目前进口产品在售后服务上给用户的感觉都不太好：不仅服务不及时，态度不友好，而且收费巨贵。在这一点上，国外品牌就大大比不上国产品牌了。 最后一点就是激光粒度仪的设计了，这是硬核技术，也是本文要谈的重点。在供应链和制程管理不相上下的情况下，设计水平的高低决定了激光粒度仪的技术性能的高下。 下面将正式展开对国内外激光粒度仪的认知和设计水平的比较。表述听起来可能比较“学究”，请读者诸君谅解。这是因为不用专业的表达，就无法把其中的要点说清楚，就会显得模棱两可，给人留下质疑的空间。但是我会尽量表达得通俗一点。1. 激光粒度仪的光学模型及简要历史回顾 粒度仪器有多种原理，但大多数都把被测量的颗粒看成一个理想的圆球。尽管实际的颗粒很少是理想圆球，有的甚至远远偏离圆球，但是由于颗粒的数量太大，形状也是千变万化，如果连形状都要考虑进去，是一件无法完成的工作，所以只能把颗粒当作圆球来处理。激光粒度仪也是把颗粒当成理想圆球来处理，全世界的品牌都一样。 1.1 光散射的模型 光是电磁波。在均匀的介质中，光是沿着直线传播的。如果光在传播的途中遇到一个颗粒，光和颗粒就会发生相互作用，光波一部分可能被颗粒吸收，一部分则偏离原来的方向继续传播，后者就称为“光的散射”。这种相互作用遵循电磁波理论，即麦克斯韦方程组。只要颗粒尺寸远大于原子尺度，并且没有原子激发辐射（荧光）现象发生，那么，电磁波理论的正确性是不容置疑的。平面电磁波遇到圆球颗粒后发生的散射现象，可以有严格的数学解，称作“Mie散射理论”。不过这个解在数学形式上非常复杂、计算量庞大，物理意义很抽象。在颗粒直径远大于光波长时，散射现象可以用几何光学近似理论解释，这样物理意义就变得很直观了。 请看图1。在颗粒远大于光波长的情况下，颗粒对光的散射，可以分成两个部分：衍射和几何散射。从无限远（远场）的位置观察，衍射光的偏离角度只跟颗粒在观察面上的投影的大小有关，颗粒越小，衍射角越大，这部分信息可以用来分析颗粒的大小。几何散射光是指光线投射到颗粒表面以后，一部分发生反射，另一部分经过折射进入颗粒内部，又在另一个界面上发生折射（到介质）和反射的现象。散射光场是这两部分光的叠加。图1中只画出了衍射光和一次折射光。从远场看，几何散射光的相对强度分布与颗粒大小无关，只与颗粒的折射率与吸收系数有关。另外，当颗粒很大时，衍射光的分布范围远远小于几何散射光的分布范围，但是由于两种散射光的总能量相同，所以从小角度看，衍射光的强度要远远大于几何散射光的强度。这也是在小角度范围内观察大颗粒的散射光时，可以只考虑衍射光的原因。图1 光散射模型的几何光学近似 激光粒度仪在上世纪70年代初刚出现时，只考虑衍射光，所以颗粒可以看成一个不透光的圆片，见图2。根据光学上著名的巴比涅互补原理，一个不透光的圆片所产生的衍射场与同直径的圆孔所产生的衍射场只在位相上差180°，振幅则完全相同。激光粒度仪直接测量的是光强的分布，它是振幅的模的平方，跟位相没关系，所以一个直径为D的颗粒所产生的衍射光强的分布可以用等直径的圆孔产生的光强分布来代替。图2 从圆球散射到圆孔衍射的简化圆孔的衍射在19世纪末就有解析形式的理论表达。远场的衍射理论称为“夫朗和费衍射理论”。图2还表示出了观察远场衍射的经典装置：在圆孔后放置一个光学透镜，在透镜的焦平面上放置观察屏，这样在屏上看到的图像就是远场衍射光斑。衍射角度为的衍射光落在屏上的位置到屏的中心的距离为（ 是透镜的焦距）。顺便科普一个光学名词：如果透镜是对焦平面消像差的，该透镜就称为“傅里叶透镜”。从图2可以看到，远场的衍射光斑由中心亮斑和一系列同心圆环组成，被称为“爱里斑”。理论上可以证明，爱里斑的第一个暗环内包含了大约84%的衍射总光能，所以习惯上把第一个暗环所对应的衍射角称为爱里斑的（角）半径。爱里斑的半径与圆孔直径、也就是颗粒的直径近似成反比，因此屏上的光强分布与颗粒大小之间有一一对应关系。激光粒度仪就是根据这个原理分析颗粒大小的。 1.2 国内外激光粒度仪的发展史 一个10微米的颗粒，如果用0.633微米（红光he-Ne激光波长）的光去照射，那么衍射角就是4.4°；100微米的颗粒，衍射角就是0.44°了。世界上第一台激光粒度仪直到1970年前后(准确的年份有几种说法)才出现，就是因为它首先需要一种单色性、方向性都足够高、强度足够强的光源，这就是激光。所以它只能出现在激光器问世（1961年）之后。另外，探测衍射光场的分布需要硅光电探测器阵列，需要用到集成电路制作工艺；把衍射光的分布转换成粒度分布需要台式计算机，这些条件都是1960年以后才出现的。国内最早开始激光粒度仪研制的是天津大学的张以谟团队，当时是承接了国家科委的六五（1981年到1985年）科技攻关项目。项目于1989年通过了国家科委的技术鉴定。产品名称当时叫做“激光滴谱仪”，设定的应用对象是液体雾滴的粒度测量。比天津大学略晚开展激光粒度仪研制的单位还有上海机械学院（后改名“上海理工大学”）、山东建材学院（后并入济南大学）、四川省轻工业研究院、重庆大学和辽宁（丹东）仪器仪表研究所。从上面的介绍可以看出，国产激光粒度仪的出现时间比世界上最早的同类产品晚了大约20年。早期国产仪器的落后，首先就是因为起步的时间晚。起步晚的原因有这么几个：（1）国外开始研发激光粒度仪的时间正好是中国的文革时期，闭关锁国，国内的科研人员不太了解国外的动态，一直到1970年代末改革开放后，国外的产品卖到中国，以及国内的科研人员到国外进修，才知道有这么一种产品。（2）激光粒度仪的应用对象是从事粉体、浆料、乳液、胶体以及喷雾的科研和生产单位，当时中国在生产和科研两个方面都大幅落后于国外。国内的应用需求对该产品的研发的拉动不强烈。（3）在改革开放前以及改革开放后的很长一段时间，科研由高校和研究机构做，而生产由工厂做。科研单位感受不到应用的需求，而生产单位即使知道有需求，也没有能力设计一款光、机、电和计算机一体化的产品。（4）激光粒度仪作为当时的高精尖产品，需要激光器、电脑、形硅光电池阵列、半导体芯片等元器件和设备的配套，在上世纪六、七十年代，中国很难获得这些东西。目前国内的情况已经完全改观：一是国内需求拉动强烈，二是各种电子元件、计算机软硬件等都能在全球采购，三是国内的研发人员理论基础雄厚，创新意识强，能开展基础理论研究和技术创新。经过30多年的进步，国产激光粒度仪的技术已经能和全球同行并驾齐驱，并有一部分实现了超越。1.3 当前各种品牌对光学模型的应用从1.1节的讨论可以看到，如果只考虑远大于光波长的颗粒，并且只测量小角度的散射光（例如小于5°）的话，用衍射理论基本可以满足粒度测量的要求。衍射理论的优势在于数值计算相对简单，也不需要知道颗粒的光学参数（折射率和吸收系数）。但是如果想把粒度测量下限扩展到接近或小于光的波长，那么就不得不考虑更大角度范围的散射光了。现在的粒度仪测量下限可以达到光波长的1/10左右。图3表示出几种亚微米颗粒的散射光强分布。从图上可以看出，对小颗粒来说，不同粒径散射光强度分布的差别，主要在大角度上，甚至大到180°。这就需要仪器的光学系统能测量0°到180°全角范围的散射光，光学模型也必须用Mie散射理论了。图3 对数极坐标下亚微米颗粒的散射光强分布图中的坐标系是对数极坐标，方位角就是散射角，辐射线的长度是散射光强度的对数。(a)(d)分别表示1µm、0.5µm、0.25µm和0.12 µm的颗粒的散射光强分布。 目前国内国外的厂商，大多数采用复杂但严谨的Mie理论，但也有个别国外厂商还在用衍射理论。从所采用的光学模型来看，国内厂商与国外的主流厂商是同步的。相反，个别国外厂商还在用夫朗和费衍射理论，就显得抱残守缺了。1.4 对光学模型研究的新发现 激光粒度测试技术的研究者和厂商都隐藏着一个困惑：激光粒度仪无法正常测量3微米左右的聚苯乙烯微球。这是为什么？ 国内厂商——珠海真理光学仪器有限公司与天津大学的联合团队发现了造成这个困惑的根源：爱里斑的反常变化（ACAD）。通常我们都认为颗粒越小，爱里斑越大，于是颗粒大小与爱里斑大小之间有一一对应关系，所以粒度仪能够根据散射光的分布推算粒度分布。但事实上在有的粒径区间，会出现违反上述规律的情况：颗粒越小，爱里斑也越小。我们把这样的粒径区间叫做“反常区”。图4是根据Mie散射理论用数值计算的方法模拟出的聚苯乙烯微球的爱里斑的变化。图中粒径从3微米到3.5微米的爱里斑尺寸的变化就属于反常变化。对聚苯乙烯微球来说，3微米左右正好是在反常区，所以测量出现异常。研究论文发表于2017年。 图4 爱里斑的反常变化现象 该研究揭示出，任何无吸收或弱吸收的颗粒的光散射都存在反常现象。如果颗粒无吸收，则存在无限多个反常区。对粒度测量有影响的主要是第一反常区，其所处的粒径区间大约在0.5微米到10微米，具体位置跟颗粒与分散介质的折射率以及光波长有关。颗粒折射率越大，反常区中心对应的粒径越小。被测颗粒的粒径落在第一个反常区的话，通常的反演算法就难以根据散射光的分布计算出正确的粒度分布。反常现象对激光粒度测量的影响是普遍存在的，这将在第3节继续讨论。 爱里斑反常变化现象的发现与研究，是国内厂商与研究机构对激光粒度测试技术的创造性贡献，当然是世界范围内独一无二的，是领先于世界的。 2. 各种仪器的散射光接收系统 粒度仪的散射光接收系统决定了仪器能否获得充分的颗粒散射光信息，从而准确计算出被测颗粒的粒度分布。它是激光粒度仪的关键技术之一。 亚微米颗粒的散射光能分布见图5，其中假设了探测器的面积与散射角成正比，照明光是线偏振光，偏振方向垂直于散射面。其中图（a）表示全角范围内完整的散射光能分布。从中可以看出，垂直偏振散射光是分布在0°到180°的全角范围内的，对0.3微米以细的颗粒来说，散射光能的主峰分布处在40°到90°的前向大角度上。由于光能分布的主峰位置（如果有）与粒径之间有最显著的特异性，因此获取40°以上的散射光信息对亚微米颗粒测量至关重要。图5 亚微米颗粒的散射光能分布曲线(a) 全角范围的光能分布，(b) 正入射平板玻璃窗口得到的；(c) 斜置梯形玻璃窗口得到的 图6是当前国内外比较有影响力的几种品牌的激光粒度仪的散射光接收系统的光路图。其中图 (a)称为经典光路，又称正傅里叶变化光路。是激光粒度仪发展的早期就开始采用的光路。其特点是用平行激光束垂直入射到测量窗（池），相同角度的散射光通过傅里叶镜头后被聚焦到探测器的一个点上。其缺点是系统能接收的最大散射角受傅里叶镜头的孔径限制。目前能达到的最大孔径角是45°。如果颗粒分散在水介质中，那么对应的最大散射角是32°。这样的系统能测量的最小粒径约为0.4微米。图6 各种散射光接收系统原理图 图6(b)是一种逆（反）傅里叶变换系统。它用会聚光垂直照射到测量池。在小散射角上也能会聚同角度的散射光。但是大角度的聚焦不良，不过可以在光学模型的数值计算上对此进行补偿，并不影响对散射光分布的测量。它的好处是最大接收角不受透镜孔径限制。空气中的最大接收角可达60°或更大，对应于水介质中的散射角为41°以上。如果前向散射角继续增大，大于49°时，就会受到全反射规律的约束，无法出射到空气中，该以上角度称为“全反射盲区”。盲区内的散射光也就无法被探测器接收。这将丢失0.3微米及以细颗粒的散射光能主峰信息，见图5(b)。这种系统一般还设置后向探测器，能接收大于139°的散射光。对0.1左右的颗粒测量有帮助。 图6(c)是一种是多光束方案，是为突破全反射的限制而专门设计的。它用一束光作为主光束，正入射到测量池，用另外一束或两束光作为辅助光束，斜入射到测量池。如果设置后向探测器，则只需一束辅助光。。通常，为了尽量扩大仪器的测量范围，主光束用红色激光，而辅助光束用蓝色LED光源。假设辅助光的对测量池的入射角为45°，那么在该辅助光的配合下，测量盲区可以减小32°。如果只有主光束时散射角测量上限为41°，那么现在的测量上限可达73°。但是它的缺点是，主光束照明情况下的散射光测量和辅助光照明下的测量（如果两束辅助光，也要分别测量）必须分开进行，两次测量的数据拼接，不是一件容易做好的事情。如果辅助光和主光用不同的波长，还需要同时获取两种波长所对应的折射率。有时要得到一种波长的折射率都有困难，两种更难了。 图6(d)称为偏振光强度差（PIDS）方案（该图取自许人良博士未出版的书稿）。其特征是除了正入射的主光束以及配套的双镜头散射光接收系统外，另外串联了一个测量池，并在照明光行进路径的侧面设置对应不同散射角的探测系统。利用90°散射角周围垂直偏振的散射光与平行偏振的散射光的分布差异，分析亚微米颗粒的大小。存在的问题是: （1）主光束获得的信息与PIDS窗口获得的信息之间如何拼接？（2）PIDS测量利用了多种波长的照明光，要想获得多种波长的折射率是非常困难的。 图6(e)称为“斜置平行窗口”方案或“照明光斜入射”方案。作者最早于2010年提出该方案（专利）。它的优点是用一束照明光就可以突破全反射的限制，却没有多光束方案的数据拼接难题。比如说斜置20，被接收的最大散射角就可以增加到60°。但是要完全消除全反射的影响，必须斜置70°。此时入射光在探测平面上不能良好聚焦，从而影响了大颗粒的测量。这是作者没有在真理光学的产品中采用这种方案的原因，但有其他国产品牌在用这种方案。 图6(f)是真理光学在用的“斜置梯形窗口”光学系统。它只需一束照明光。测量池整体倾斜10°，不影响入射光的聚焦，测量池右侧的玻璃做成梯形，让接近或大于全反射临界角的散射光从梯形的斜面出射。这种方案能让前向最大散射角达到80°，使系统能够接收所有亚微米颗粒的散射光能分布的主峰信息，见图5(c)。这是目前前向散射接收角最大的光学系统，而且还只用了一束照明光，没有数据拼接问题。是一种世界领先的方案。3. 反演算法与粒度测试结果的真实性 反演算法就是把仪器测量得到的被测颗粒的散射光分布，结合事先根据光学模型的数值计算得到的预设的各种粒径颗粒的散射光能分布（组成“散射矩阵”），反向计算出被测颗粒的粒度分布的计算机程序。粒度分布是激光粒度仪输出的最终结果，它能否真实反映被测颗粒的粒度，是激光粒度仪性能的最终体现。3.1 获得真实的粒度测试结果的基本条件 能否获得好的粒度分布数据由以下三点决定： （A）充分的被测颗粒的散射光分布信息，最好含有光能分布的主峰（如果有）； （B）利用光学模型计算得到的散射光分布与粒度分布之间存在一一对应关系； （C）合理的算法。 各厂商的算法是技术秘密，外人无从知晓与评价。但是可以确定的是，如果条件（A）和（B）有缺失，一定会影响最终的粒度分布结果。从第2节的叙述我们已经看到，现有的各种散射光的接收方案都不能百分之百获得0到180°的散射光信息，但是有的方案好一些，比如图6(f)的方案；有的则有较大的信息缺口，比如图6(a)和(b)所示的方案。作者在第1节中谈到过，真理光学团队发现的爱里斑的反常变化，将导致在被测颗粒是透明的条件下，对于粒径落在第1反常区内的颗粒，条件(B)不能满足。 相对来说，国产的真理光学做得比较好。对条件(A)，前向最大散射角（介质中）的接收能力达到80°，能捕获所有颗粒的光能分布主峰，并且只用一束照明光，避免了不同照明光的数据拼接。对条件(B)，基于对爱里斑反常变化的原创发现和规律的深入研究，通过软硬件的结合，基本上解决了爱里斑反常变化对粒度分析的影响。 现在国内外各厂商都宣称自己的仪器能测量小到100纳米以细，大到数千微米，全量程无死角的粒度分布，但是上述条件(A) 和(B)的缺失，从客观上限制了这些仪器的测量能力，使得它们宣称的性能难以实现。3.2 国外某仪器有多种反演计算模式，不同模式会给出不同的粒度分析结果 有些国外仪器有多种反演计算模式。同样的被测样品，选不同的模式就会输出不同的结果。图7 国外某仪器不同反演模式输出不同结果的案例 图7是该仪器的实测案例。图7(a)是标称D50为150纳米的聚苯乙烯微球标样的测量结果。选“通用”模式时，D50为121纳米，与样品标称值相差较远，且分布曲线明显展宽；选”单峰窄分布”模式时，D50为148纳米，与样品标称值相符。图7(b)是标称D50为3微米的标样的测量结果。选“通用”模式时，结果呈现多峰，与样品的单分散特征完全不符；选“单峰窄分布”模式时，与样品形态特征及标称值相符。图7(c) 是一个人工配制的3个峰的SiO2 微球。选“通用”模式时，结果只有1个峰，完全失真；选“多峰窄分布”模式时，曲线呈现2个峰，结果比“通用”模式接近真实，但还是有失真。 从使用经验看，该仪器在测量颗粒标准样品时只能用“单峰窄分布”模式去分析。因为颗粒标准物质就是单峰窄分布的，所以这种做法颇有“量身定做”的意味。如果用 “通用”模式分析标准微球时，则经常出错。人们难免要问：“通用”模式连最容易测量的颗粒标准物质都给不出正确的结果，如何保证一般样品的测量结果是正确的？还有一个疑问是：一种仪器的不同模式给出不同的结果，究竟哪一个是正确的结果？ 上述问题如果没有合理的解答，那么从基本的科学逻辑出发，我们就可以得出这样的结论：一种仪器有多种分析模式是仪器性能不完善的表现。国产的真理光学的仪器就完全没有这样的问题。它只有一个统一的反演模式，不论测什么样品，都用同样的算法。图8是上述3个样品用国产真理光学仪器测量的结果：150纳米和3微米标样的D50值和分布形态完全符合预期，实际样品的3个峰也能得到正确的体现。图8 国产真理光学的激光粒度仪对三个样品的测量结果3.3 国内外仪器对爱里斑反常现象的处理 爱里斑的反常变化会导致一种散射光能分布对应多种粒度分布的可能性，从而使粒度仪得不到正确的粒度分布结果。图7(b)所示的3微米标样在某国外仪器“通用”模式下给出的完全失真的结果，就是因为3微米标样的构成材料是聚苯乙烯微球，这个粒径正好处在这种材料颗粒的第1个反常区。该国外仪器没能解决这个问题，所以在“通用”模式下得不到正确结果，而只能选用“单峰窄分布”这种量身定做的模式进行“特殊处理”。如果是普通的待测样品，由于事先无法知道被测颗粒的粒度分布特征，不知如何去“特殊”，就难以给出正确的结果。 目前除了真理光学以外，国内外的激光粒度仪厂家的通行做法是，在计算散射矩阵（光学模型）时，即使被测颗粒是透明的，也要人为加一个吸收系数，最常见的数值是0.1。这样在光学模型中就不会出现反常现象，从而使反演结果稳定，或者看上去比较正常。问题在于实际颗粒是无吸收的，人为加吸收必然使测量结果失真。 图9是一个碳酸钙样品的粒度测量结果。该样品经过沉降法的分离，去除了2微米以细的颗粒（可通过显微镜验证）。碳酸钙的折射率是1.69，无吸收。图9(a)是真理光学仪器的测量结果，2微米以细的颗粒含量几乎为零，与预期的一致。图9(b)是在光学模型中加了0.1的吸收系数后的反演结果：在2微米后拖了一个长长的尾巴。我们知道真实的粒度分布中，这个尾巴是不存在的，这是人为加吸收系数所引起的错误结果。有些国外仪器为了避免假尾巴的出现，人为地在1到3微米之间减去一定比例的颗粒含量。这种人为主观的处理会引起新的不良后果：如果在该粒径区域真实存在颗粒，也会被人为减少其含量甚至清零。图8(c)所示的SiO2样品在1微米到3微米之间有一个小峰，但是用该进口仪器测量的结果如图7(c)所示：无论用什么模式分析，这个真实存在的小峰都消失了。图9 在光学模型中给透明颗粒加吸收系数的后果（a）实际的粒度分布 （b）光学模型中加0.1吸收系数后得到的结果 可见，当透明颗粒的粒度分布处在反常区时，通过人为加吸收系数的方法无论怎么做，都有问题。目前国产的真理光学是世界上唯一解决了爱里斑反常变化困扰的厂家。3.4 国内外激光粒度仪对亚微米颗粒的测量能力的比较 采用图6(b)所示的散射光接收系统的仪器是国外品牌，在中国占有很可观的市场份额。然而这种结构由于丢失了0.3微米以细颗粒的光能分布主峰的信息（见图5(b)），从而注定了难以很好地测量0.3微米以细的实际样品（有别于标样，因此通常都用“通用”模式）。图10 某进口仪器和国产真理光学仪器测量纳米硅碳颗粒样品结果的比较 图10是某进口仪器和国产真理光学仪器测量纳米硅碳颗粒样品结果的比较。图10(a)是国外仪器的结果，图10(b)是真理光学的测量结果。两张图中的上图是粒度分布，下图是拟合光能分布与实测光能分布的对比。比较两种结果，可判断真理光学的结果更加真实、可靠。理由是： （A）真理光学的结果拟合残差只有0.43%，而进口仪器的拟合残差高达5.25%。前者拟合更好。 （B）真理光学给出的粒度分布曲线是单峰的，而进口仪器的结果是多峰的。经验告诉我们，正常制造出来的样品极少出现多峰的情况. （C）从光能拟合曲线看，进口仪器在第40单元后测量值（绿线）和拟合值（红线）之间出现较大的偏离，而国产仪器的两条曲线非常一致。 类似的0.3微米以细颗粒的测量案例还有很多。 4. 激光粒度仪行业的未来发展问题 前面三节从激光粒度仪的光学模型、散射光接收系统和反演算法及实际测量能力等三项硬核技术方面对比了国内外激光粒度仪的技术水平和测试性能，表明国产激光粒度仪不会逊色于国外同类产品。真理光学团队发现的爱里斑反常变化现象及规律、独创的斜置梯形窗口克服前向超大角测量盲区以及统一的反演算法等技术，则领先于世界同行。但是，对于激光粒度仪整个行业来说，还存在需要改进甚至急需改进的地方。我的建议如下：（1）国内外的厂家都应正视粒度测量数据对比困难的问题 目前，全球范围内激光粒度仪测量实际样品时给出的数据经常是不可比的。对同一颗粒样品，不同品牌的仪器的测量结果不可比；同一厂家生产的仪器，不同型号之间的结果不可比；更绝的是同一台仪器不同反演模式给出的结果也不可比。到目前为止，对这三个“不可比”，都没有人拿出令人信服的、符合科学的解释。 作者尝试分析一下原因。从理论上说，大家测量相同的样品，使用相同原理的仪器，应该得到相同的结果（在合理的误差范围内）。两个结果如有不同，那么至少有一个结果是错的，甚至两个结果都是错的。这就说明当前国内外的各种激光粒度仪还存在不完善的地方。这些不完善包括：（A）光散射模型上，有的仪器还在使用夫朗和费衍射理论；（B）光的全反射现象的制约，或者大角与小角散射光数据拼接的困难，导致有的仪器没有获得或者没有准确获得大角散光的信息，影响了0.3微米以细颗粒测量的准确性；（C）爱里斑的反常变化引起粒径与散射光分布之间一一对应关系的破坏，除了真理光学，其他品牌都采用人为地在光学模型中给颗粒添加吸收系数的方法来敷衍性地解决，但是没有真正解决，导致结果失真；（D）一种仪器有多种反演算法，从逻辑上就可断定这样的算法是不完善的，而根据作者分析，这个不完善又和不完善点（B）和（C）有关。（E）仪器厂商为了迎合客户的偏好，对原始的粒度分析结果进行了失实的修饰，比如把多峰分布改为单峰分布，把粒度分布中粗、细方向的展宽改窄等等。 仪器技术上的不完善，需要国内外厂家去正视问题，然后改正原先的不足。（2）国内用户应破除对进口仪器的迷信心理 国内很多用户都认为进口仪器就是比国产仪器好。国内用户要是遇到进口仪器的测量结果与国产仪器数据不一致的情况，第一反应就是国产仪器错了。我在前面分析过，进口仪器不比国产仪器好，请用户客观判断。 另一方面，国内有的仪器厂家也拿自己的仪器结果能和国外的结果相一致，来证明自己的高水平。这是自我矮化行为，当然也表明该厂家对自己制造的仪器没有信心。但是国内厂家的这种行为会助长用户原本就有的认为国产仪器水平低的心理。（3）激光粒度仪测量数据的正确运用问题 激光粒度测试报告的核心内容是体积粒度分布。形式上可以是表格或者曲线。有时为了简洁起见，用特征粒径来表示粒度分布。最常见的是D10、D50和D90三个数。其中D50表示样品颗粒的平均粒径（与之并行的也可用D[4,3]）），而D10和D90分别表示粒度分布往小粒径和大粒径方向延伸的宽度。在大多数情况下，一个粉体样品的平均粒径和分布宽度（或者均匀性）确定了，其粒度特征也就基本确定了。激光粒度仪国家标准（GB/T 19077-2016/ISO 13320：2009）中明确规定，不允许用D100的数值。这是因为从概率论分析，D100的数值是不稳定的，另外D100实际上并不代表颗粒样品中的最大粒直径。如果把这个值作为最大粒，可能会引发严重的应用后果。 然而在有些激光粒度仪的应用行业，例如电池的正负极材料行业，其国家标准中就把激光粒度仪的Dmax（即D100）作为控制指标。该行业内上下游间的粒度控制指标中，不仅包含了D100，还包还可了D0和Dn10，这些都是误导性的应用。（4） 激光粒度仪的测量下限和上限被严重夸大的问题 目前激光粒度仪的测量范围动辄下限10纳米，上限5000微米以上。这显然被严重夸大了。这会误导客户，扰乱市场。需要行业自律。国家相关组织也要加强督导的力度。

自1953年成立以来，滨松公司一直积极投入与人们日常生活息息相关的领域。从扫地机器人到LIDAR小车，从可穿戴健康监测设备到健康随时报警器，再到用于检测晶圆等产品的半导体失效分析设备，滨松公司在半导体制造、健康监测，激光加工，智能设备以及未来的太赫兹等应用领域持续创新，致力于为人们的生活带来便捷与创新。接下来小编会与大家共同分享，在此次光子展中滨松的半导体应用，激光加工应用，X射线应用等相关产品如何将光技术融入我们的日常生活，为我们的生活带来便捷与希望。半导体制造行业在信息时代的大潮中，半导体成为了不可或缺的基石，如同粮食对于工业的重要性，它是电子设备的心脏，深深影响着我们的生活。从尖端的科技领域到日常生活的方方面面，半导体无处不在。比如，半导体芯片在智能汽车、5G通信、航空航天、国防军工、医疗卫生等领域中发挥着关键作用。滨松，一直致力于半导体产业的发展，通过自主研发，推出了多款创新产品，满足各种应用技术的需求。例如，一款独特的电离静电消除器，它能在低到高真空级别下工作，无需吹气。此外，还有用于检测micro LED晶圆的系统、高精度高速膜厚测量仪、丰富的光谱仪产品线以及小型化高输出的UV-LED单元等。那么，这些产品在实际使用中有哪些独特的优势和表现呢？让我们一探究竟！VUV电离器静电消除器VUV静电消除装置，真空静电消除器是使用“光离子化”来应用真空紫外光去除静电的静电电荷去除器。这种创新的离子化方法利用真空紫外光的独特功能来消除真空（减压状态）中不需要的静电电荷，这是此前一直无法实现的。主要用于消除工业生产过程中真空的静电，例如半导行业，LCD行业以及其他自动化工序的关键工艺中。产品特点：■可真空中和 、高水平的静电消除性能(0 V静电消除)；■不需要吹气 、支持低到高真空级别；■防止反向充电，无粉尘产生。MiNYPL:微型LED PL测试仪MiNYPL 是一种使用光致发光 (PL) 测量方法的微型 LED 晶圆检查系统。MiNYPL是一种独特的二维成像技术，不必使用光谱仪，就可以一次性计算出平面内的发光波长。主要应用于Micro/Mini LED产品的发光和波长异常的检测中，可以在产品出现缺陷问题时帮助客户进行精准、快速定位。产品特点：■能够检测到仅通过外观检查无法发现的发光异常和波长异常；■实现电致发光(EL)测试无法实现的详尽测试；■通过在生产前进行检验来提高良率。高精度膜厚测量仪Optical NanoGauge 膜厚测量系统 C15151-01 是一种利用光谱干涉法的非接触式膜厚测量系统。这种大功率、高稳定的白光光源支持精确测量薄膜厚度，包括超薄薄膜（1 nm）。此外，光源的使用寿命为 10,000 小时，适用于在线操作。产品特点：■支持超薄薄膜测量(1 nm甚至更换激光器后更低)； ■高度精确(测量重复性：0.1 nm以下)；■采用大功率白光光源；■使用寿命长(维护周期1年以上)。光谱仪光谱分析是物质分析中的一种重要方法，在工业，农业，环境，食品，医药和制药等领域中的应用都十分普遍，而光谱仪则是长期征战于第一线的核心器件之一。针对于光谱仪来说，滨松可谓是拥有各种型号不同性能的全线产品。并且就连光谱仪需要的软件滨松也在近期有了升级，”尖雀“光谱仪软件全新亮相。1、滨松超小型光谱仪家族全亮相，满足不同波段需求（可量产）2、从图像传感器到微型光谱仪的进阶之路，滨松有话说3、滨松光谱仪软件升级了，诚邀测试反馈4、三招提升光谱仪信号质量 LIGHTNINGCURELC-L5G线性照明型UV-LED单元滨松 LIGHTNINGCURE LC-L5G 系列是线性照射型 UV-LED 光源系列，有多种波长范围如365 nm / 385 nm /395 nm / 405 nm可供选择，具有许多出色的特点，如小型化、重量轻、高输出和大片照射区域，使其成为包括 UV 印刷、UV 涂布和 UV 粘合剂固化等各种用途的理想选择。为了实现最高的 UV-LED 光源性能，滨松采用了名为 ThoMaS 的专利型空气制冷法，名为 HANCE (*1) 的专利型氮气吹扫法，以及可延长产品保修期的保修延期选项 ALiCE。*1：ThoMaS 和 HANCE 仅适用于 GH-103A 型号。激光加工行业在当今高速发展的科技时代，激光技术已经渗透到各个领域，尤其在中国制造2025的大背景下，它已成为不可或缺的重要支撑。从晶圆切割、手机屏幕粘贴，到玻璃切割、塑料焊接以及表面处理，激光技术的身影无处不在。众所周知，半导体激光器因其大输出功率、低价格的优势，使得激光器处理的用途越来越广泛。但随之而来的是可靠性和质量控制的担忧，成为了阻碍其普及的难题。对此，滨松认为激光器处理过程的稳定性与视觉控制是消除这些担忧的关键。如今，滨松光已经将半导体激光器应用于各类产品中，从研发到生产现场，无一不是它的用武之地。SPOLDld辐照光源L13920系列印刷电子是通过印刷制造电子电路的技术，只需将设计好的电路用金属纳米油墨印刷在衬底上，加热（烧结）即可制成电子电路。金属纳米油墨加热（烧结）过程的热源可以采用滨松的SPOLD辐照激光产品，使用激光束照射金属纳米油墨加热，使金属纳米颗粒粘合在一起进行烧制。产品特点：■由于只有激光应用的纳米墨水被加热和烧结，它几乎不影响周边；■即使是不耐热的材料也可以用作基板；■可以节省电力，因为电路可以只使用能量来加热工件；■由于从电到激光的高转换效率，卓越的能源效率(电光转换效率:60%或更高)。硅基液晶-空间光调制器滨松LCOS-SLM 是反射空间光相位调制器，可自由调制光相位，而激光的光相位由液晶调制。光的波前控制可应用于光束光刻、像差校正。并且滨松最近也发布了最新款SLM，通过应用我们专有的热设计技术和改善散热性能，我们能够将耐光性能提高到世界级的700 W(大约是以前型号的3.5倍)。配合大功率激光，可实现灵活、高精度、高效率的加工，点击此处了解新品详情。针对于SLM需要的代码，滨松现在也免费提供给大家，详情可以点击此处了解。iPMSEL 可积相位调制表面发射激光器iPMSEL全称是Integrable Phase Modulating Surface Emitting Lasers，是滨松开发的一种芯片大小的光源，可以从半导体芯片直接控制光束输出，可集成相位调制表面发射激光器，通过超小模式光源实现自然立体显示。由于它们的精细性，集成是可能的，并且在未来，正在进行的技术目标是将大量光束转向灵活的方向。安全检测产业随着世界各地海关港口、民用航空和交通运输的飞速进步，人们对安全的重视程度与日俱增，安检市场也因此蓬勃发展。在这样的背景下，快速、准确地识别和应对危险因素变得至关重要。滨松凭借其独特的X射线技术，精心打造出微焦点射线源和相关的X射线探测器，广泛应用于无损检测等关键领域。这些产品不仅代表了滨松的技术实力，更为安检行业树立了新的标杆。低真空操作离子探测器机场安检拥堵、漫长的排队等待，让人疲惫不堪？这一切都因为传统的检测方式太粗糙，许多细小的物件常常被遗漏，导致误报频发，而重复检测又耗费大量时间。那么，有没有一种方法能解决这个问题呢？答案是肯定的！低真空操作离子探测器就是救星！只需将检测板与待测物品轻轻一碰，然后立即放入检测设备中，即可迅速完成安全检测。这种高科技设备不仅对目标材料极其敏感，而且还能大大简化检测流程，再也不用为机场安检排队而烦恼了！X射线检测X射线可以穿透普通可见光无法穿透的物质，穿透能力与X射线的波长及穿透材料的密度、厚度有关。X射线波长越短，穿透率越高；待测物密度越低且厚度越薄，X射线穿透就越容易。X射线成像的基本原理便是根据X射线的特性以及零件的密度和厚度的差异来进行。可以清楚地观察内部而不损坏物体，因此在广泛应用于安全检测。滨松在X射线方面所具有的成像能力，大家可以点击此篇文章如何获得一张满意的X射线图像（收藏就等于会了来了解技术原理解析，接下来从产品层面为大家进一步说明。X射线源对于要求高精度检测技术的X射线无损检测市场，例如越来越精细的电子设备和越来越多样化的食品，滨松通过提供广泛的X射线源和探测器来满足各种需求，在X射线无损检测中发挥关键作用。以下只是滨松部分线源的型号，如有需求可以在评论区留言，会有工程师与您联系。详解：无损检测中的微焦点X射线源（MFX）X射线探测器(一维成像)适用于需要高速工作和高灵敏度在线成像用途的相机。传统的线阵传感器相机在高分辨率成像下具有低辉度，而 X 射线 TDI 相机则提高了图像辉度，从而增强了图像。最适用于线性移动物体成像或宽高比显著不对称的成像。另提供可在狭小空间内安装的垂直 X 射线 TDI 相机。X射线平板传感器(二维成像)将大面阵 CMOS 图像传感器和微光纤板与闪烁体 (FOS) 结合在一起的 X 射线平板传感器。可以采集百万像素级的高清数字视频和静态图像，而不会失真。平板传感器外形薄、重量轻，可轻松安装到其他设备中。产品特点：■ 高速成像；■ 高X射线电阻；■ 低噪音，低缺陷。以上关于部分热门应用的相关介绍就到此结束，如果还有其他问题，欢迎评论区留言或者直接联系相关工程师获取技术支持。编辑：又又&▼

便携式激光粉尘仪11-D 是Grimm 激光粒径谱仪的新一代产品。独创性的设计，可靠的光学测量技术以及先进的数据通讯方式使11-D 成为便携粉尘测量仪市场的明星产品。采用专利的光散射信号收集和多通道脉冲分析技术，得到数量浓度/ 粒径谱分布。11-D 以单颗粒测量原理，检测空气中0.25 微米到35 微米，31 个通道的颗粒物粒径分布。主要特点●●小巧，便携，结实耐用，电池操作，蓝牙远程控制●●多样的通讯端口(SD 卡，USB, 蓝牙和网络)●●内置，可更换的47mm PTFE 滤膜，可用于后续的质量浓度称量和化学成分分析●●每次开机自检●●内置吹扫气可以避免光学检测室污染●●通过软件实时显示PM10,PM2.5,PM1 质量浓度●●输出31个通道的数量浓度和质量浓度/ 粒径分布数据测量参数粒径通道： 31 个通道，等间距[ 微米]数量浓度测量范围： 1 至 3,000,000 个 / 升质量浓度测量范围： 0.1 微克/ 立方米至 100 毫克/ 立方米职业健康数据： 实时显示可吸入颗粒物，基于EN481 标准的可进入肺部支气管和肺泡的颗粒物环境数据：TSP， PM10，PM4， PM2.5， PM1 ，PMcoarse 质量浓度创新点：本产品优化了粒径通道，使得检测粒径更容易对应标准粒子，通讯方式增加了以太网传输，存储介质可以使用U盘11-D 便携式激光粉尘仪

德国“工业4.0”与”中国制造2025“发展战略，对高端装备中的超精密测量精度要求越来越高。激光因其高方向性、高单色性、高相干性等特点，具有高准确度、非接触、稳定性好等独特优点，在超精密加工和测量领域应用广泛。激光干涉仪以光波为载体，利用激光作为长度基准，是迄今公认的高精度、高灵敏度的测量仪器。激光束通过分光镜后，分成两束激光（参考光束和测量），分别经两个角锥反射镜反射后平行于出射光返回，通过分光镜后进行叠加（两束激光频率相同、振动方向相同且相位差恒定，即满足干涉条件），产生相长或相消。反射镜每移动半个激光波长，将产生一次完整的明暗干涉现象，通过接收到的明暗条纹变化及电子细分，即可求得距离变化（距离=干涉条纹数*激光半波长）。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作。激光干涉仪原理构造激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，根据测量原理分为脉冲法和相位法。脉冲激光测距法由于激光发散角小，激光脉冲持续时间极短，瞬时功率极大可达兆瓦以上，可以达到极远的测程，广泛应用在地形地貌测量、地质勘探、工程施工测量、飞行器高度测量、人造地球卫星相关测距、天体之间距离测量等方面。第二届精密测量技术与先进制造网络会议期间，清华大学与哈尔滨工业大学两位专家将分享激光精密测量技术、仪器及应用。部分报告预告如下，点击报名  》》》清华大学精密仪器系系副主任/副教授 谈宜东《激光干涉精密测量技术、仪器及应用》（点击报名）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多个项目。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37项，在国际会议Keynote/Plenary/Invited报告60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。【报告摘要】 以传统激光干涉为引，介绍清华大学激光精密测量及应用团队在双频激光器、干涉仪及在光刻机中的精密测量应用，并拓展到空间引力波测量。针对传统干涉测量需要配合靶镜的局限性，提出激光回馈测量原理，实现了无靶镜纳米测量，攻克了航空航天、先进制造和国防安全领域的无靶镜测量难题，并开展了多种应用研究，包括：位移测量、激光侦听、高精度激光测距及雷达技术等。哈尔滨工业大学副研究员 杨睿韬《短脉冲光频梳激光测距技术》（点击报名）杨睿韬，哈尔滨工业大学副研究员，博士生导师。研究方向为超精密激光干涉测量，重点攻关短脉冲/光频梳生成与稳频、光梳激光测距等关键技术，承担国家重点研发计划课题/子课题、国自然面上等项目，参与国家科技重大专项、欧盟计量联合研究计划等项目。获中国计量测试学会科技进步一等奖(序4/6)、全国优秀博士学位论文提名等奖项。担任国际SCI期刊Photonics客座编辑。发表学术论文20余篇，申请发明专利10余项，出版专著1部。指导哈工大优秀本科/硕士毕业论文共5人，指导大学生光电设计竞赛国赛一等奖等2项。【报告摘要】 激光测距技术是大范围、高精度空间几何量测量的核心技术基础。短脉冲光频梳的诞生极大的推动了该技术领域的发展，其独特的时域短脉冲序列、频域等间隔梳状多光谱特征，不仅大幅提高了经典的飞行时间、调制波测相、多波长干涉等测距方法的性能，更引领了一系列新型激光测距方法的发展。本报告分析了短脉冲光频梳激光测距方法及趋势，介绍了项目组在短脉冲光频梳激光测距领域的最新进展。更多详细日程如下：第二届精密测量与先进制造主题网络研讨会报告时间报告题目报告嘉宾单位职称12月14日上午09:00-09:30纳米级微区形态性能参数激光差动共焦多谱联用测量技术及仪器赵维谦北京理工大学 光电学院院长09:30-10:00扫描白光干涉表面形貌测量技术：原理及应用苏榕中国科学院上海光学精密机械研究所研究员10:00-10:30先进封装工艺中三维几何尺寸监控的挑战与布鲁克白光干涉技术的计量解决方案黄鹤布鲁克（北京）科技有限公司应用经理10:30-11:00激光干涉精密测量技术、仪器及应用谈宜东清华大学 精密仪器系系副主任/副教授11:00-11:30关节类坐标测量技术于连栋中国石油大学（华东）教授12月14日下午14:00-14:30基于相位辅助的复杂属性表面全场三维测量技术张宗华河北工业大学教授14:30-15:00短脉冲光频梳激光测距技术杨睿韬哈尔滨工业大学副研究员15:00-15:30机器人精密减速器及关节测试技术程慧明北京工业大学 博士研究生15:30-16:00纳米尺度精密计量技术与国家量值体系施玉书中国计量科学研究院纳米计量研究室主任/副研究员16:00-16:30尺寸测量，从检验走向控制与孪生李明上海大学教授为促进精密测量技术发展和应用，助力制造业高质量发展，仪器信息网联合哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院，将于2023年12月14日举办第二届精密测量技术与先进制造网络会议，邀请业内资深专家及仪器企业技术专家分享主题报告，就制造中的精密测量技术等进行深入的交流探讨。报名页面：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/precisionmes2023/

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

激光雷达的研究起源于上世纪60年代末，起初主要用于军用领域，自1995年正式实现商业化之后，在测绘、资源勘探等领域发挥了越来越多的作用，在最近盛行的“黑科技”无人驾驶技术的开发上，激光雷达更是核心技术之一。随着技术的发展和完善，激光雷达的应用范围也越来越广，其中环境监测领域就是很重要的一个方面，可以用来测量颗粒物、臭氧、温度和湿度的变化等等。　　中科院安徽光学精密机械研究所于1991年建立了当时我国最大L625激光雷达系统，用于探测平流层气溶胶分布，该激光雷达系统被美国国家宇航局选为全球10个激光雷达站之一。后来又陆续开发出了探测平流层臭氧的紫外差分吸收激光雷达、可移动式双波长米散射L300激光雷达、车载式拉曼-米散射激光雷达等等，受到了广泛的关注。　　近日，仪器信息网编辑专门针对激光雷达在环境监测领域的应用采访了中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清院士。刘院士为我们详细介绍了激光雷达在我国环境监测领域的应用、技术发展以及未来的技术需求。中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清院士　　Instrument: 我们知道刘院士在环境光学领域有很多研究成果，今天我们把目光聚焦在空气质量监测上，空气质量监测仪器和技术种类众多，如常规六参数、VOCs监测仪、激光雷达、卫星遥感等等。首先请刘院士谈一谈目前我国空气质量监测仪器的整体情况?国产环境监测仪器与同类进口产品相比有何不同?　　刘文清：我国大气环境监测技术现阶段主要还是以点式监测方式为主，如AQI六参数、VOCs等。这些监测设备组成了我国现阶段的地面空气质量监测网，为我国空气质量监测做出了巨大的贡献，逐步形成了具有中国特色的环境监测技术规范、环境监测分析方法、环境质量标准体系。目前采用的标准方法，主要以人体健康为关注重点，测量的是人们日常生活和工作活动范围内的空气质量，可以较为准确的监测空气中气溶胶和污染气体的含量，但它的局限性主要是获得局部低层、较小地域范围内的污染物浓度变化信息，缺乏污染物区域性变化、时空演变等指标的数据演变信息。近年来随着分析仪器的快速发展，结合卫星遥感，探空气球和高塔能够测量一些气溶胶、气体成分的垂直分布特征，但是卫星遥感直接获取的是整层大气污染，反演近地面污染有一定误差，而探空气球及飞机受时间空间影响，此类探空设备仍然存在着不足之处。　　对于区域性复合污染监测，需要快速有效的技术手段进行区域范围内时间和空间上的监测。与以上传统点式监测方法相比，激光雷达等光学遥感监测技术的发展改变了传统的由点到线再到面的演绎方法，为大气环境研究提供了一个新的技术手段，克服了传统大气环境研究中的诸多局限性，实现了大空间、长时间、多尺度、多参数的遥感遥测。此类技术已达到了国际先进水平，尤其在业务化应用方面，我们已根据中国环境监测现阶段的需求进行了深入的研发，这是国外进口设备所不能做到的。目前，国产环境监测仪器已基本打破了进口产品的国际垄断地位，全面实现了中国造。　　Instrument:颗粒物激光雷达技术被越来越多的用户所接受，请刘院士重点谈一谈颗粒物激光雷达技术。颗粒物激光雷达的核心技术要点是什么?在我国大气环境领域的应用情况?此技术在空气质量监测系统中的独特作用?　　刘文清：激光雷达主要由激光器、发射和接受光学系统、探测器、高速数据采集卡和数据分析软件等部件组成，其核心技术在于稳定可靠的激光器和性能优良的反演算法。激光器单脉冲能量大小直接决定了激光雷达的探测高度。保证激光器单脉冲能量，能够有效保证系统信噪比，实现理想高度的探测。国内外不同厂家的激光雷达反演算法存在一定的差异性，应用最为广泛的是Fernald方法，也是我们安光所选择的反演算法。应用该算法，参考点的选择尤为重要，一般须假定一个近乎不含大气气溶胶的清洁大气层所在高度来视作参考点，为保证反演结果的有效性，必须通过明显气溶胶层或者云层的剔除方法来确认合适的参考高度。　　随着“说清环境质量、改善环境质量”重大管理需求的发展和监测事权上收等管理机制的改革，地方政府动态精准管理能力支撑成为越来越迫切的要求，尤其是快速说清空气质量监测点数据变化原因、重污染应对、事故应急监测与快速评估等。针对区域性大气污染问题，及监测管理的迫切需求，作为一种成熟的主动遥感手段，颗粒物激光雷达在大气环境监测方面具有重要的意义。其在大气环境监测中的应用可分为以下几点：1)垂直监测：监测边界层变化特征，了解污染来源和变化趋势 2)水平扫描监测：可获取区域污染物的空间立体分布、变化规律和排放特征，摸清局地污染物对污染形成的贡献 3)车载移动监测：对污染源进行快速溯源，应对污染突发事件，并对污染气团进行跟踪 4)雷达组网监测：说清区域间污染跨界传输，为短时间空气质量预警预报提供及时、有效、准确的数据支撑。　　Instrument:安徽光机所可以说是我国激光大气探测研究领域的先行者，在激光雷达技术的研发上，刘院士主要做过哪些工作?您认为未来还有哪些技术需要突破?　　刘文清：激光雷达按照监测方法和监测种类可分为米散射激光雷达、大气成分差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等。我所在颗粒物激光雷达和大气差分吸收激光雷达方面已取得了阶段性进展。在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会、北京APEC会议、北京九三阅兵式、南京青奥会、福州青运会、郑州上合首脑会议、乌镇物联网大会的联合环境空气保障工作中交上了令人满意的答卷，相应成果也证实了我们激光雷达在稳定性、有效性方面取得了一定的成绩。但在某些方面还是存在一定的不足，需要我们进一步完善，如：1)拉曼激光雷达方面。由于其监测原理的限制，拉曼激光雷达白天会受到天空背景噪声的严重影响，如何有效提高其信噪比，将拉曼激光雷达成功的应用于环境监测日常业务中，为环境污染的扩散、大气化学过程的演变提供有效的气象数据。2)颗粒物激光雷达方面。雨水消光系数大，颗粒物雷达在降雨天气条件下应用效果不佳，如何去除降雨对颗粒物监测的影响，也是接下来的研究重点。3)细粒子质量浓度空间分布。我们已在无锡中科光电成功产业化了双波长三通道颗粒物激光雷达，应用532nm波长我们已可以反演PM10质量浓度的时空分布。对于细粒子质量浓度的时空分布也是迫在眉急的管理需求，目前我们已加大投入，研究开发应用355nm反演PM2.5质量浓度的时空分布的相应工作。4)大气差分吸收激光雷达方面。应用大气差分吸收原理监测臭氧的时空分布，已被成功运用，为证实其监测准确性，我们也参与了由上海环境监测中心举办的探空联盟比对实验。实验中监测臭氧的差分吸收激光雷达与探空气球、无人飞机等监测技术进行了廓线比对，比对结果令人非常满意。对于差分吸收激光雷达只能监测臭氧不是我们的目的，我们希望应用一种技术可以进行多参数测量，如同时监测二氧化硫、二氧化氮等，此类设想我们已取得了阶段性的成果。　　Instrument: 安徽光机所的产业化公司——中科光电最近推出了高能扫描系列的大气颗粒物监测激光雷达，此台仪器的主要特点是什么?其研发目的是什么?其市场竞争力主要体现在哪?　　刘文清：高能扫描颗粒物激光雷达是基于快速扫描振镜的激光雷达技术，该技术使激光雷达在保留原有垂直探测的功能上，还可以实现快速多角度扫描功能。如此针对固定安装的激光雷达，高能扫描激光雷达不仅可以监控5KM半径范围内的污染源(本地源以及外来源)变化过程，还可以同时获取垂直的颗粒物时空演变数据、边界层高度变化数据。使一台雷达可以同时获取区域内垂直与水平立体空间数据，为说清区域污染变化提供了更有力的数据支撑。同时，在产品设计中，我们也考虑了车载走航监测获取线源数据的技术要求，在固定加走航监测结合的模式下，可以全面获取“点面域、地空天”一体化数据。　　我所张天舒研究员率领的激光雷达团队联合中科光电，组织技术骨干进行技术攻坚，经过近两年的不懈努力，攻克了快速扫描振镜技术、高重复频率激光器技术、多姿态雷达扫描数据分析技术、车载雷达减震避震技术和快速走航观测技术等一系列关键问题。其中，快速扫描振镜技术其核心竞争力在于，可以使扫描及成图时间分辨率达到3分钟，确保了监测数据的时效性(目前国内外采用3D支架扫描方式，完成扫描及成图时间需要2小时，没有时效性保证，无法动态说清变化过程)。　　Instrument:在环保领域，标准被认为是一类仪器推广的“利器”，对于激光雷达，有没有正在制定的标准?或者说您认为需要哪些方面来规范此类仪器的生产和应用?　　刘文清：激光雷达目前还没有正式的国家规范标准，很多单位对于激光雷达的性能校验也一直存在着疑问。实际上，为了保持激光雷达的有效探测距离及探测精度、保证激光雷达的稳定性及准确性，我们联合合作企业已经编制了相关的企业技术规范标准，希望能够逐步发展为行业和国家标准。　　激光雷达标准规范的建立目的是为了保证雷达数据的有效性和一致性，科学的系统测试和校验方法是其重要的技术支撑。完整的系统测试即包括仪器组成部分的性能测试，如激光器的功率、脉冲能量、发散角，光学发射和接受系统与激光准直系统的匹配性，数据采集系统本身的采集速率、电子学噪声，以及雷达数据处理和分析软件性能 也包括功能指标，包括探测成分、探测距离、距离分辨率以及信噪比等。对于激光雷达这样一个复杂的光电探测系统的校验也可以与其他观测设备进行一致性的对比分析。使用激光雷达与能见度仪、太阳光度计等观测仪器进行数据一致性对比分析，采用探空气球数据对激光雷达观测数据产品的准确性进行校验等。　　后记：随着我国大气环境治理工作的深入，大气环境质量监测的项目、时间要求和空间要求都在提升，随之而来的是监测手段的多样化。除激光雷达之外，卫星遥感、无人机、探空气球等技术不断被引入大气环境质量监测领域，不同的手段为我们多维度了解大气污染过程提供了依据，也为我们更精准的治理大气环境提供了技术支持。（编辑：李学雷）

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

4月16日2时16分，长征四号丙运载火箭在太原卫星发射中心升空，将世界首颗具备二氧化碳激光探测能力的卫星——大气环境监测卫星送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。星箭均由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制。，时长00:30摄影：郑逃逃大气环境监测卫星是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025年）》中的科研卫星，运行705公里的太阳同步轨道，整星发射重量约2.6吨，装载了大气探测激光雷达、高精度偏振扫描仪、多角度偏振成像仪、紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪等五台遥感仪器，是一颗集CO2激光主动探测、细颗粒物立体探测、气态污染物探测和地表环境探测的多要素综合监测卫星。长征四号丙运载火箭发射升空。吴敬博 摄大气环境监测卫星的成功发射和在轨应用标志着我国在大气遥感领域达到国际领先水平，卫星在轨应用后将实现对生态环境、气象和农业等多领域定量遥感服务能力的跨越式提升，为我国实现减污降碳协同增效、建设美丽中国的目标提供有力支撑。首次搭载大气探测激光雷达大气环境监测卫星在CO2探测手段和精度、细颗粒物主被动探测和偏振交火探测体制上，创造了三个世界第一。二氧化碳探测，激光雷达出奇效。大气环境监测卫星实现国际上首次搭载大气探测激光雷达这一主动探测载荷，实现主动激光CO2高精度、全天时、全球探测，探测精度大幅提升至优于1ppm，达到国际最高水平，为我国实现“碳达峰、碳中和”目标提供最精准的遥感数据支撑。同时，大气探测激光雷达通过对大气进行分层“CT”扫描，国内首次实现全球气溶胶光学厚度、形状和尺寸等垂直分布信息的获取。PM2.5监测，综合手段创新高。大气环境监测卫星国际上首次采用了主被动结合、多手段综合的探测体制，通过装载不同类型、不同原理的载荷，将主动发射激光接收的回波信号和被动接收的太阳光反射信号相结合，综合反演多种遥感数据，实现对近地面细颗粒物（PM2.5等）浓度的高精度监测，为大气污染精准防治提供科学数据支撑。中国航天科技集团八院供图偏振交火，信息融合效率高。大气环境监测卫星国际首次采用融合反演级偏振交火探测技术，获取气溶胶光学厚度、粒子尺度等多种参数，通过空间、辐射和偏振维度的信息融合，大幅提升细颗粒物探测精度，达到国际先进水平。此外，紫外高光谱大气成分探测仪及宽幅成像光谱仪也将大幅提升气态污染物以及地表环境监测能力，紫外谱段高光谱大气观测以及宽幅多光谱观测空间分辨率提升一倍。首次创新应用无控制点激光光轴自标定技术大气环境监测卫星每天可绕地球飞14轨，激光雷达不分白天黑夜全天时工作，可谓是一个兢兢业业的“劳模”。除了敬业之外，它还是一个十足的“强迫症”，时刻不忘摆正自己的姿态，以保证极高的指向测量精度，为此还在国内首次创新应用了无控制点激光光轴自标定技术。 中国航天科技集团八院供图这一“神技”顺利施展的前提是要有一把能够实时提供绝对姿态信息的“标尺”，也就是“司机”的“眼睛”——星敏感器。激光雷达自身发射的光源分束后经星敏感器支架上的棱镜反射，建立起激光雷达与星敏感器的在轨标校系统，这样激光雷达就可以借助星敏感器这双“慧眼”实时明确自己“身在何方”。据中国航天科技集团八院控制所卫星姿轨控分系统副主任设计师孙尚介绍，为提供高精度在轨三轴惯性测量精度，姿轨控分系统采用了高精度多头星敏感器。“好比用‘三只眼睛’同时定位，利用一个‘大脑’融合处理出更高精度的姿态测量数据。”据悉，“十四五”期间我国还将发射高精度温室气体综合探测卫星，与大气环境监测卫星组网观测，进一步提升我国天基碳监测能力和水平，为我国生态文明建设，实现“双碳”目标贡献航天力量。

p　strong　各有关单位：/strong/pp　　由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口的国家推荐性标准GB/T 33252-2016《纳米技术 激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试》已于2016 年12 月13 日发布，并于2017 年7 月1 日起实施。GB/T 36063-2018《纳米技术 用于拉曼光谱校准的标准拉曼频移曲线》已于2018 年3 月15 日发布，并将于2018 年10 月1 日起实施。两项标准均为首次制定实施，对拉曼光谱仪器结构、测试方法、校准方法等做了详细规定。/pp　　拉曼光谱技术广泛应用于纳米科技、生物、半导体、考古、宝石及司法鉴定等领域。拉曼光谱测试结果的准确性、一致性是国内/国际间科研交流、对等贸易等不可或缺的坚实基础。同时仪器性能的标准化能够大大助力我国拉曼光谱仪器产业的质量提升，增强国产仪器的市场竞争力。/pp　　为了满足标准使用相关方的实际需求，进一步深化对标准的解读，解答标准使用过程中的疑问，保证标准的有效实施和利用，同时促进标准制定方、仪器制造方和仪器使用方三方的有效合作，由中国计量科学研究院(以下简称：中国计量院)主办的“GB/T 33252-2016《纳米技术 激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试》等国家推荐性标准宣贯会”拟定于2018 年9 月10 日在湖北省武汉市举办。届时将邀请标准主要起草人及相关专家对标准技术细节进行详细解读。欢迎相关产业、检测机构、仪器厂商技术主管和技术人员参会，就拉曼光谱的生产、使用及国家标准的有效实施进行交流，促进拉曼光谱在更广泛领域的普及和发展。/pp　　同时，将于9 月11 日至13 日召开“国家质量基础设施建设助力质量提升”学术研讨会暨CSTM/FC00 领域委员会及纳标委WG5 工作组2018 年度会议(CSTM/FC00 领域委员会简介见附件1)，届时将邀请相关单位领导和专家围绕“国家质量基础设施建设助力质量提升”的主题展开深入探讨，欢迎有关专家学者参会。同时，将召开由CSTM/FC00 领域委员会归口承担的《标准编制说明编写指南》等4 项团体标准的审查会和新标准立项会，欢迎有意向的专家或单位参与标准的制定工作。/pp　　会议事项通知如下：/pp　strong　一、时间和地点/strong/pp　　会议时间：2018 年9 月9 日注册报到，9 月10 日宣贯会议/pp　　会议地点：武汉 东湖开发区 二妃山庄 晴川厅会议室/pp　　地址：武汉东湖高新技术开发区高新大道666 号(光谷生物城内)/ppstrong　　二、宣贯内容/strong/pp　　1、拉曼光谱的基本原理与应用介绍 /pp　　2、国家标准GB/T 33252-2016《纳米技术 激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试》宣贯 /pp　　3、拉曼光谱仪的校准与溯源 /pp　　4、国家标准GB/T 36063-2018《纳米技术 用于拉曼光谱校准的标准拉曼频移曲线》宣贯。/pp　strong　三、考核与发证/strong/pp　　培训结束后，由中国计量科学研究院颁发培训证书。该证书可作为继续教育的证明。/pp　strong　四、培训费用/strong/pp　　培训费：1500 元/人，包括讲义、标准复印件、培训证书。/pp　　请将培训费于培训前7 天电汇到中国计量科学研究院账户，汇款/pp　　信息如下：/pp　　账户名：中国计量科学研究院/pp　　开户行：交通银行北京分行和平里支行/pp　　账号：110060224018010008693/pp　　行号：301100000074/pp　　电话：010-64524304/pp　　银行汇款时，请备注“2018 拉曼宣贯会+姓名”字样，并详细填span style="TEXT-ALIGN: center"写参会回执(附件2)中的开票信息。/span/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="QQ截图20180906104247.jpg" style="HEIGHT: 701px WIDTH: 600px" border="0" alt="QQ截图20180906104247.jpg" src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/0ff14588-62c6-481b-8186-8894a9edc2bc.jpg" width="600" height="701"//ppstrong　　附件：/stronga title="附件2. 宣贯会参会回执(1).docx" style="FONT-SIZE: 12px COLOR: rgb(0,102,204)" href="https://img1.17img.cn/17img/files/201809/attachment/195c21ad-4283-42f8-8268-18dc4ce79a19.docx"br/strong　　/strong/astrong/stronga title="附件1. CSTM-FC00领域委员会简介(1).pdf" style="FONT-SIZE: 12px COLOR: #0066cc" href="https://img1.17img.cn/17img/files/201809/attachment/a53999e4-b632-4c8c-96f0-dd03b1a5b066.pdf"strong附件1. CSTM-FC00领域委员会简介.pdfbr/　　附件2. 宣贯会参会回执.docxbr/　　/strong/astrong/stronga title="附件3. 酒店交通(1).pdf" style="FONT-SIZE: 12px COLOR: #0066cc" href="https://img1.17img.cn/17img/files/201809/attachment/3fd0e349-9265-4ae7-a1dc-8d4930209fd6.pdf"strong附件3. 酒店交通.pdf/strongbr//a/p

没有测量就没有科学技术，没有超精密测量仪器，就不会有高端装备制造。然而多年来，中国制造业升级几乎是由国外超精密测量仪器来支撑，这是我国高端制造的短板之一。中国在超精密测量仪器领域，是否能够实现颠覆性技术突破和技术的持续跃迁，从而实现追随、并行、赶超，让“卡脖子”不再来？渐进式创新常有，颠覆性创新不常有，尤其是在历经几十年发展的激光测量技术领域。为了追求“变不能为能，使激光测量仪器具有更高精度、更小体积、更方便使用、更低造价”，清华大学教授张书练不介意是否进“冷门”坐“冷凳”，深挖激光现象不止，转化激光现象为纳米测量技术不停。从发现现象开始，到把现象推化为仪器原理，他取得了一系列颠覆性技术成果：发明了新型原理双折射（-塞曼）双频激光器，开发出十多种世界独一份的激光器纳米测量仪器。目前，多种仪器已经实现应用，部分实现规模产业化，在光刻机、机床、航空航天等领域得到广泛应用，带动了纳米测量，对科学技术做出了的重大贡献。张书练教授近日，仪器信息网有幸采访到这位非常具有创新性且多产的科学家，请他谈一谈自己这条深耕了40年的偏振正交激光器纳米测量技术的研究和应用之路。 路自创新开，果从问题来张书练生于农村，每每假期，他都下地干活，十分卖力。经历过多次旱涝，也常见春天的盐碱覆盖农田，缺苗少棵。百姓靠天吃饭，常靠政府救济。锄头的力量实在有限，既解决不好温饱更帮不了别人。他从高中课堂里，学到了蒸汽机、内燃机、电力、化肥，知道这才是“改天换地”的力量。20世纪60年代，清华大学在四川绵阳建立分校，张书练作为清华大学精仪系（原机械系）光学仪器专业学生，随校远赴绵阳，毕业后留校，被纳入分校（现在的清华电子系）激光专业任教。70年代，国家恢复研究生招考，张书练考入清华大学精仪系光学仪器专业，并回到北京。硕士论文的研究内容是激光陀螺，毕业后又在精仪系任教。激光技术的基础和精密仪器系的环境，使张书练走进了“激光”和“纳米测量”学科交叉的方向，心底的追求使他迈向“不创新我何用，不应用我何为”的道路。《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》是张书练教授于2021年3月出版的学术书，总结了自己近40年有新意和有重要性的成果。在写作过程中，他从回顾中感悟到：失败和质疑是开辟创新之路的动力。在中国仪器界，过去长期大幅度落后于西方先进国家，这给了我国一个模仿、学习、跟进的快速成长机会。但现在或不远的未来，如何在无人引领的前沿仪器领域保持创新？张书练教授认为，“科学家应该见问题而喜，我们就是为解决问题才当教授的。有失败和质疑，就有需要解决的问题，才会有连续不断的成果并产生各种应用。”例如，张书练教授在研究环形激光器测量弱磁场和测量位移受阻，产生了双折射-塞曼双频激光器，今天显示出其突出重要性；申请“激光器纳米测尺”，被专利审查员质疑，因为形似一样实为不同，抗辩中接触了激光回馈，把他创新的正交偏振激光器引入激光回馈又开辟了一个新的方向，如今已是“枝繁叶茂”。坚韧不拔，金石可镂谈及对创新的执着，张书练教授说“坚韧不拔，金石可镂，才能攀上创新高峰，落实到应用”。他研究的双折射双频激光器，历经30余年才实现批量应用，是张书练教授攀上高峰的范例之一。近50年来，塞曼氦氖双频激光器作为光源的干涉仪——双频激光干涉仪，一直是机械制造、IT（光刻机）等行业不可替代的纳米测量仪器。而由于原理限制，这种传统塞曼双频激光器存在三大缺憾。首先，两个频率之差一般在3兆赫兹左右。这一小频率差成为双频激光干涉仪提高测量速度的瓶颈，测量速度一直不超过1米/秒，成为提高测量导轨、光刻机、机台等设备测速的障碍。第二，需要加大频率差时，激光器的功率大幅度下降，7兆赫兹频率差激光功率下降到一百多微瓦，甚至几十微瓦，测量路数受到瓶颈性限制。此外，塞曼双频激光器输出的偏振旋转的光束，需要经转化才成为偏振与光传播方向垂直的光（线偏振），这给干涉仪带来几纳米，甚至10纳米的非线性误差。中国计量院的测试表明，非线性误差不仅是塞曼双频干涉仪的缺憾，也存在于单频干涉仪和其他类型的激光干涉仪中。该如何跳出这一窠臼？从物理原理再出发！张书练教授自1985年起开始了寻找产生大频率差方法，也即偏振正交激光器的研究。通过梳理、探究激光器的原理、特性和频率稳定技术，从普通的晶体双折射现象中，他找到了解决问题的契机。基于此，通过在激光器内置晶体石英片，使激光频率分裂，一个频率分成两个偏振方向互相垂直的光频率，晶体石英片的厚度，放置角度的微小改变，即可实现频率差的大范围改变，一个全新的双频激光器产生了——双折射双频激光器，其可输出40MHz到数百MHz频率差的光。如再加上横向磁场，成为双折射-塞曼双频激光器，输出~0MHz到数百MHz频率差的光。双折射（-塞曼）双频激光器为双频激光干涉仪性能的阶跃（减小非线性误差，提高测速，增加测量路数）做好了准备。利用双折射产生双频是把石英晶体片安放于激光器内，张书练证明双折射双频激光器的可行性。进一步，找到了消除两个频率相互竞争的“死区”，解放出0~40兆赫兹频率差的方法，这其中有复杂的物理问题，又有复杂的技术问题。再进一步，就是找到能实用、最优的双折射双频激光器的结构，包括实现全内腔，真空封接方式，消除环境温度变化影响等。为此，十几位研究生（博士，硕士）和工程师长期持续攻关，难以计数的实验，否定之否定，最终发明了内应力激光腔镜，即把双折射做在激光器反射镜内。这一激光器称之为双折射-塞曼双频激光器。这一颠覆性的激光器技术站在了世界双频激光的最前列。最后的胜利要体现在双频激光干涉仪上，只有把双折射双频激光器作光源的双频激光干涉仪做出来，并在应用中纠错改进，被应用认可，推广开，才算成功。从原理设计、实验验证装置、工程样机到仪器产品的跨越，可谓“古来征战几人回”。“熬人！”张书练教授用两个字表达了自己的体会，但他的脸上却洋溢着自豪。“从提出原理，到实验验证，再到产品化，并应用到双频激光干涉仪中。一开始仪器不稳定，我们就不停做调整，做工艺改造。在这个过程中，十几年就过去了。”张书练教授说到。如今，张书练教授发明的以双折射双频激光器为核心的激光干涉仪已成功实现批量商用。该仪器可广泛应用于科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业；其核心部件——双频激光器，基于双折射产生激光双频的原理，比国内外传统的塞曼双频激光器的激光功率高四倍、频率差大一倍或两三倍、最近达到13倍（40MHz），且没有两个频率之间耦合串混，分辨率达到1纳米，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米/秒。这些技术指标，满足了机床检定、高端光刻机工件台定位等应用的要求。据透露，华为等经过广泛调研，选定了张书练教授的双频激光干涉仪，此外，相关机构也选定了张书练教授的双频激光器。独辟蹊径，步步生花双折射-塞曼双频激光器和干涉仪的成功是是从“冷门”里出来的，张书练教授认为，“被世界公认为那种‘红的’、‘紫的’领域，最有创新的工作往往已经完成了，再跟过去，虽然也能发表文章，也能突破，但仅仅是在人家设计好的大筐子里做。”“冷门”研究，说起来容易，做起来难。因为探索的是新原理的仪器，研究的是几乎空白的领域，张书练教授在工作展开过程中不可避免地遇到了太多的问题，他却对此保持了一个非常乐观的心态。在激光器的研究过程中，他深入揭示了其物理现象（获教育部自然科学一等奖两项），如以往不能观察的激光模分裂、模竞争、正交偏振，正交偏振回馈等，并从新发现的这些现象中思考，独辟蹊径，步步生花。在为双频激光干涉仪研究双折射（-塞曼）双频激光器的同时，张书练教授研究了双折射双频激光器的两个频率之间的耦合，也就是它们相互争夺（竞争）能量的过程，看到一个频率光强度增加伴随另一个频率的光强度减小，直至一个到最大时另一个被熄灭，周而复始。一个全过程正好是激光谐振长度变化半个光波长（316纳米），电路处理后，一个上升沿、下降沿是78纳米。这就是张书练教授发明的氦氖激光器纳米测尺等仪器，获得了国家发明二等奖（2007年）。激光的两个偏振正交的频率是因在激光器内放入了晶体石英或应力元件产生的，反过来，测出激光器的频率差就知道了激光器内的元件有多大内应力，多大内部双折射，这就发明了世界最高精度的光学波片和双折射的测量仪器，比传统仪器高一个量级。特别是测量方法可溯源到自然基准——光的波长。其至今成为唯一的国家标准的测量方法，也是世界上第一个波片相位延迟标准。客户利用这种仪器对加工过程中激光陀螺的元件进行内应力检测，找到了残余应力的成因，显著提高了精度。上海光机所用标准仪器校准了用于核聚变研究的激光玻璃内应力测量的仪器。这款仪器使他再次获国家发明二等奖（2010年）。气体HeNe激光器可以做出以上仪器，固体微片（毫米尺寸）激光器能有所作为吗？张书练教授指导博士生开始固体微片（毫米尺寸）激光双频激光干涉仪的研究，也取得了成功，研制出国内外第一台固体微片激光双频干涉仪，第一台固体微片激光回馈位移测尺。张书练教授从最基本的激光原理和光学原理出发，以解决问题为导向，一个又一个的创新思维，指导开发出这些世界独一份的纳米仪器，应用并产业化，从而创建了“偏振正交激光器纳米测量”学术体系。仪仪相连，都是“中国创”张书练教授带领团队展开的研究工作，像葡萄树一样，一直向上开花结果。行进中，来了一个又一个“中国创”的机会，横向看去，仪仪相连成片，都是颠覆性的技术。激光回馈本来是激光系统中“绝对的害群之马”，张书练教授之前看过相关的文献，却没有想到要去研究它。因“位移自传感器氦氖激光器系统及其实现方法”专利在申请的时候被专利审查员驳回，说其与美国伯克利分校的一个专利相同，张书练教授便仔细阅读了审查员提供的对比文件，发现两个专利在结构上非常雷同，核心元件一样多，摆放顺序一个样，却因一个镜片的差别，使其原理完全不同，属于两个分支。张书练教授的专利，在镜片两面都镀上了激光消反射膜，光线没有反射地通过，镜片仅仅起到密封激光器的壳内气体的作用，完全不遮挡光线，所以被称为窗口片；而伯克利的这个镜片是个高反射率镜片，激光器靠其对光束的反射形成振荡。也就是说，一个与激光振荡无关，一个是激光器振荡的必需元件，即前者是激光振荡系统，后者是激光回馈系统。张书练教授想到，如果自己的偏振正交激光原理引入回馈，又会是什么行为呢？试一试！张书练教授先安排一个研究生研究激光回馈技术，要亲自看清了激光回馈的行为，思考激光回馈技术走向何方。自然想起偏振正交激光器技术，他用偏振正交激光器改造了激光回馈，于是，观察到若干新的现象，形成了偏振正交激光器回馈纳米测量系列技术和仪器，把激光回馈技术推上了一个新的高度，也使偏振正交激光器“再添双翅”。或走入他的实验室参观，或阅读他的四部专著（《正交偏振激光原理》、《激光器和激光束》、《Orthogonal Polarization Lasers》、《不创新我何用，不应用我何为——你所没有见过的激光纳米测量仪器》）和近400篇论文，可看到，张书练教授及其团队研制出的激光回馈光学相位延迟/内应力在线测量仪、激光回馈纳米条纹干涉仪、微片激光（Nd：YAG和Nd：YVO4）共路（和准共路）移频回馈干涉仪、激光回馈远程振动和声音测量仪、激光回馈材料热膨胀系数测量仪、微片固体激光万分尺、Nd：YAG双频激光干涉仪、微片固体激光回馈共焦测量技术、微片固体激光回馈表面测量技术等十余种国内外独有的纳米测量仪器，仪仪相连，构建出了一个“正交偏振激光器回馈纳米测量仪器”体系。“步步生花”的“偏振正交激光器纳米测量仪器”和“仪仪相连”的“偏振正交激光器回馈纳米测量仪器”，构建成了一个完整的“偏振正交激光器及纳米测量”体系。“其中，激光器是核心，我们看见并解决了他人没有想到的问题，仪器的‘台阶’也就上来了。”张书练教授说他和团队的成果鲜明特征是，“激光器就是仪器，仪器就是激光器自身。”坐实创造，不让论文变“云烟”在实验室里，一个博士生来了，做完实验，毕业后离开，然后再来一个博士生，这是一种很正常的安排，却往往使经验和教训难于传承，因为论文里面记录的一般都是好的结果，不常写入失败和纠正错误的过程，传承不全面。张书练教授很早就注意到了这个问题，因此邀请了4个工程师来实验室工作，由他们和学生一起完成实验。也正是这些工程师的工作，帮助张书练教授及其团队传承了一个个技术和仪器。张书练教授很注重团队研究课题的取舍，发现论文漂亮，实际上不能应用的，或更改方案，或暂时放下；发现论文漂亮，实际应用可能性大的，就持续研究，做实验样机。一直找机会仪器化，把首创的技术和仪器推向应用。除了双折射双频激光干涉仪外，国内外首台基于激光回馈原理的纳米分辨力固体激光回馈干涉仪也已经实现产业化，在美国圣路易斯华盛顿大学、合肥工业大学（三台已应用10年）、上海理工大学、北京理工大学等处被应用，且使用情况良好。该仪器能够无接触地测量微、轻、薄、黑、烧红等目标的移动量，以及水、酒精等液面的位移和高度变化，完全不需要在被测物上加附件配合，可用于监测航天相机的支架和镜面形变等。该仪器还可用于刻划光栅的金刚车刀，光束直接射向车刀，颠覆了以往光束射向车刀支撑臂的方式，将测量误差减小到1/4。“这些仪器，我想无论如何还是要传承下去。我在这块做了几十年研究，花了国家不少钱，要回馈给社会，这是我目前所想的事儿。虽然已经有几款仪器实现了产业化，但还是希望另外几款仪器也能‘成气’，至少，有仪器公司能把它接下来，由企业来推动仪器化、产业化。”张书练教授说到。据悉，北京镭测科技有限公司正努力把仪器产业化，尤其是双频激光干涉仪已经被几个半导体企业采购，担当起半导体全产业链一个重要环节国产化替代的历史重任。此外，华为、德国Blankenhorn和福建福晶科技有限公司等国内外企业也在为张书练教授团队仪器的产业化和推广而努力。凡是新原理的东西，想要真正被社会所认可，尽管再好用，再有潜力，都是要花时间的。且由于历史和思维定式，国外多年强势，要国人接受中国自己的创造有很多事要做，要国人接受国产高档激光仪器也是一个循序渐进的过程。张书练教授对此表示：“困难怕意志，中国创、世界用的时代一定会到来！” 个人简介张书练，清华大学本科，硕士，教授，博士生导师。激光和精密测量专家，偏振正交激光器纳米测量技术的国内创建人和国际主要创建人。作为第一完成人，获国家技术发明二等奖两项，教育部自然科学一等奖两项，电子学会发明一等奖一项等十余次奖项。他在ISMTII-2017国际学术会议上被授终身贡献奖。出版专著：唯一作者3部，第一作者1部，主编国际会议专题文集2部，计测技术“教授论精密测量”一期，发表论文360余篇，发明专利权80余项。发明的双折射-双频激光器及干涉仪等纳米测量仪器已经批产。

微型激光测振仪在超声领域的应用最近几年，超声技术在各个领域的应用越来越多，比如利用超声波原理进行医学治疗的设备也在临床实践中被广泛应用。医学超声设备主要是基于高频振动波（超声波）传入人体组织，并在局部产生热效应、机械效应和空化效应，引起目标组织的改变，从而达到治疗的目的。昊量光电全新推出的微型激光测振仪是一种非接触式的振动测量仪器，能够精确测试医学超声设备的超声振动特性和模态，在产品的研发、质检和性能优化过程中起到了至关重要的作用。激光测振仪在医学超声领域的应用具有如下优势：1、激光聚焦光斑小、空间分辨率高，能够快速定位并测量超声手术刀、洁牙器等小尺寸超声器件；2、采用非接触式的测量方法，高效便捷，可以快速检测产线上的超声设备性能，确保产品一致性，甚至可以检测超声设备在工作状态下的超声波输出特性，更加真实地反映设备的实际使用性能；3、超声检测带宽大，最高可检测5MHz左右的高频超声，同时能满足20pm以下的微弱振动分辨率要求，检测精度极高；4、集成式光学自研芯片，无需额外控制器，体积小巧使得安装测试变得更加便捷，提高测量精准性！一、 超声换能器测振超声换能器是一种将电磁能转化为机械能（声能）的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。针对超声领域应用需求，昊量光电全新推出了一套完整的台架式超声振动测量仪。作为这款测量仪核心部件的激光传感器，利用了集成光学技术将原有复杂光学元器件集成于微小芯片中，结合具有自主知识产权的调频连续波（FMCW）相干光检测原理，以小型集成化的设计模式，实现了传统复杂大型设备的测量能力。测试：20kHz 频率功率换能器，工作距离：375px振动图谱：在换能器在各个位置的测量结果。当换能器频率在 Mhz 附近时，幅度测量对测量精度的要求大大提高。结果显示，昊量测振传感器能很好的分辨振幅的实时波形，得到 nm 级的测量精度。二、 超声手术刀超声手术刀是一种通过激发20 kHz~60 kHz 超声振动的金属探头（刀头），对生物组织进行切割、消融、止血、破碎或去除的外科手术仪器。超声手术刀的工作性能一般与刀头的超声输出功率、频率直接相关，因此对刀头的超声特性探测至关重要。超声手术刀的刀头尺寸一般为5-10 mm，这种小尺寸结构很难采用接触式传感器测量其超声特性，而激光测振仪则可以轻松将激光聚焦到刀头位置，精确测量超声振幅与频率。三、 超声洁牙器 超声洁牙器主要工作原理是：将高频振荡信号作用于超声换能器，利用逆压电效应（或磁致伸缩效应）产生超声振动并传递至工作尖，工作尖受到激励产生共振，利用工作尖的超声波共振可以将牙齿表面的菌斑、结石或牙周表面的细菌等清除。依据我国医药行业标准（YY 0460-2009）和国际电工委员会标准（IEC 61205：1993）,超声洁牙器工作尖的超声输出特性是重要的检测指标。常规超声洁牙器工作尖振动频率主要设计范围在18 kHz~60 kHz，其中以42 kHz工作频率最为常见。同时工作尖尺寸往往较小（＜1mm），无法采用传统的接触式振动传感器进行检测。因此，对于超声洁牙器振动性能的检测，通常采用激光测振仪完成，其非接触式的检测方式便于开展产线上产品的逐个检测，是产品良率和一致性的有力保障。某品牌的洁牙器尖端测振四、 超声焊接 超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。五．技术参数介绍昊量光电全新推出的微型超声测振仪光学元件集成化可以实现更加复杂的设计和更多的功能。集成光学芯片可以在一个单一的光学基底上包含数十到数百个光学元件，包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器等。相对于传统基于分立器件的多普勒测振仪，MV-H以其低功耗、高性能、小型化的优势，为客户带来了低成本、便于集成的解决方案，也为激光振动传感器的广泛应用奠定了基础。1.产品参数指标2.软件功能完善3.丰富的配件可选上海昊量光电作为这款微型超声测振传感器在中国大陆地区蕞大的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。