马赫曾德尔干涉仪

近日，阿拉巴马大学亨茨维尔分校 (UAH) 的研究人员设计了一种超高分辨率干涉仪，它基于混合设计，结合了双路径配置和光学谐振器两者的优点，灵敏度非常高，可以检测到其他传感器无法检测的微弱声学信号。 该项目的主要研究者Nabil Md Rakinul Hoque将基于光学谐振器的法布里-珀罗干涉仪嵌入道双路径马赫-曾德尔干涉仪之中，并把该设备称之为马赫曾德尔-法布里珀罗(MZ-FP)干涉仪。 类似于法布里-珀罗之类的基于光学谐振器的干涉仪，它们可以使特定的谐振频率通过干涉仪或从干涉仪反射。尽管其尺寸非常紧凑，但由于反射镜的高反射率，它们的光路长度非常长，从而在光流之间建立了可测量的干涉模式。 第二种干涉仪基于公共路径或双路径结构，它的灵敏度取决于其干涉臂的长度，最长可达数十甚至数百米，导致干涉仪体积较为笨重。马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪就是典型的传统双路径干涉仪。 MZ-FP 干涉仪的混合方案使得研究人员能够将传统的双路径配置与光纤谐振器相结合。Hoque 和他的同事研发了一种紧凑型干涉式光纤传感器，可在热噪声水平下工作，同时使用现成的商用二极管激光器进行检测。图1 Nabil Md Rakinul Hoque 的新型干涉仪结合了马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪的优点。该设备结构紧凑，灵敏度高，可在各种生物医学和物理领域中使用。 Hoque 表示，新型干涉仪的主要优点是其前所未有的高信号分辨率。 团队使用相同的光纤法布里-珀罗干涉仪作为光路倍增器，使 MZ-FP 干涉仪能够在一系列频率范围内达到破纪录的应变分辨率。在测试中，MZ-FP 干涉仪实现了1飞秒应变的分辨率，探测精度达到微米级。 据该团队称，如果适当放大干涉仪，MZ-FP的应变分辨率可以扩展到超声波范围。阿拉巴马大学的教授Lingze Duan表示，他们的传感器分辨率在次声波到超声波的频率范围内创造了最高记录。设备检测超弱信号的能力在将来有望应用于预测环境事件、武器检测、控制气候变化研究等领域。 此外，基于 MZ-FP 干涉仪的光学传感器可用于辅助声学医学诊断。“比如，基于我们的混合干涉仪的声学传感器能够检测非常微弱的生理声学信号，从而反映人体健康状况，然而目前的传感器是无法检测到这些信号的”，Hoque 讲到。 “在我看来，这项研究最重要的影响是它为无源光纤传感器达到前所未有的应变分辨率水平找到了一条可行的道路，”Lingze Duan说。“如此高的传感分辨率使得光纤传感器可以接收比现在更弱的信号，大大拓宽了应用范围。” 该研究发表在Scientific Reports（www.doi.org/10.1038/s41598-022-16474-y）。

1.IDS3010激光干涉仪在自动驾驶高分辨调频连续波（FMCW）雷达中的应用自动驾驶是目前汽车工业为前沿和火热的研究，其中可靠和高分辨率的距离测量雷达的开发是尤为重要的。德国弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所（Wachtberg，D）Nils Pohl教授和波鸿鲁尔大学（Bochum，D）的研究小组提出了一种全集成硅锗基调频连续波雷达传感器（FMCW），工作频率为224 GHz，调谐频率为52 GHz。通过使用德国attocube公司的皮米精度激光干涉仪FPS1010（新版本为IDS3010），该雷达测量系统在-3.9 um至+2.8 um之间实现了-0.5-0.4 um的超高精度。这种新型的高精度雷达传感器将会应用于许多全新的汽车自动驾驶领域。更多信息请了解:S. Thomas, et al IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67, 11, (2019)图1.1 紧凑型FMCW传感器的照片图1.2 雷达测距示意图，左边为雷达，右边为移目标，attocube激光干涉仪用来标定测量结果 2. IDS3010激光干涉仪在半导体晶圆加工无轴承转台形变测量上的应用半导体光刻系统中的晶圆轻量化移动结构的变形阻碍了高通吐量的半导体制造过程。为了补偿这些变形，需要的测量由光压产生的形变。来自理工大学荷兰Eindhoven University of Technology 的科学家设计了一种基于德国attocube干涉仪IDS3010的测量结构，以此来详细地研究由光压导致的形变特性。图2.1所示为测量装置示意图，测量装置是由5 x 5 共计25个M12/F40激光探头组成的网格，用于监测纳米的无轴承平面电机内部的移动器变形。实验目的是通过对无轴承平面的力分布进行适当的补偿，从而有效控制转台的变形。实验测得大形变量为544 nm，小形变量为110 nm（如图2.2所示）。更多信息请了解:Measuring the Deformation of a Magnetically Levitated Plate displacement sensor图2.1 左侧为5X5排列探头测量装置示意图，右图为实物图图2.2 无轴承磁悬浮机台形变量的测量结果，大形变量为544 nm 3.IDS3010在提高X射线成像分辨率中的应用在硬X射线成像中，每个探针平均扫描时间的减少对于由束流造成的损伤是至关重要的。同时，系统的振动或漂移会严重影响系统的实时分辨率。而在结晶学等光学实验中，扫描时间主要取决于装置的稳定性。attocube公司的皮米精度干涉仪FPS3010（升后的型号为IDS3010），被用于测量及优化由多层波带片（MZP）和基于MZP的压电样品扫描仪组成的实验装置的稳定性。实验是在德国DESY Photon Science中心佩特拉III期同步加速器的P10光束线站上进行的。attocube公司的激光干涉仪PFS3010用来检测样品校准电机引起的振动和冲击产生的串扰。基于这些测量，装置的成像分辨率被提高到了±10 nm。更多信息请了解:Markus Osterhoff, et at. Proceedings Volume 10389, X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III 103890T (2017)图3.1 实验得到的系统分辨率结果 4.IDS3010激光干涉仪在微小振动分析中的应用电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带，它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。全球研究机构苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体，次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在Nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性，发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。德国attocube公司的激光干涉仪IDS3010被用于超声-空气转换器激励后的机械超材料振动分析。IDS3010能到探测到机械超材料不同位置的微小振动，以识别共振频率。终实现了11.2 pm的系统误差，为声子四拓扑缘体的实验分析提供了有力的支持。更多信息请了解：Marc Serra-Garcia, et al. Nature volume 555, pages 342–345 (2018)图4.1 实验中对对机械超材料微小振动的频率分析5. IDS3010激光干涉仪在快速机床校准中的应用德国亚琛工业大学（Rwth Aachen University，被誉为“欧洲的麻省理工”）机床与生产工程实验室（WZL）生产计量与质量管理主任的研究人员利用IDS3010让机床自动校准成为可能，这又将大的提高机床的加工精度和加工效率。研究人员通过将IDS3010皮米精度激光干涉仪和其他传感器集成到机床中，实现对机床的自动在线测量。这使得耗时且需要中断生产过程的安装和卸载校准设备变得多余。研究人员建立了一个单轴装置的原型，利用IDS3010进行位置跟踪。其他传感器如CMOS相机被用来检测俯仰和偏摆。校准结果与常规校准系统的结果进行了比较，六个运动误差（位置、俯仰、偏摆、Y-直线度、Z-直线度）对这两个系统显示出良好的一致性。值得指出的是，使用IDS3010的总时间和成本显著降低。该装置演示了自动校准机床的个原型，而且自动程序减少了机器停机时间，从而在保持相同的精度水平下大的提高了生产率。更多信息请了解：Benjamin Montavon et al J. Manuf. Mater. Process. 2(1), 14 (2018)图5.1 自动校准激光探头安装示意图6.IDS3010激光干涉仪在工业C-T断层扫描设备中的应用工业C-T断层扫描被广泛用于材料测试和工件尺寸表征。几何测量系统是设计的锥束C-T系统的一大挑战。近期，瑞士联邦计量院（METAS）的科学家采用德国attocube公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪用于X射线源、样品和探测器之间的精密位移跟踪。该实验共有八个轴用于位移跟踪。除了测量位移之外，该实验装置还能够进行样品台的角度误差分析。终实现非线性度小于0.1 um，锥束稳定性在一小时内优于10 ppb的高精度工业C-T。更多信息请了解:Benjamin A. Bircher, Felix Meli, Alain Küng, Rudolf Thalmann: "A geometry measurement system for a dimensional cone beam CT", 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT 2018), At Wels, AU6.1激光干涉仪在系统中的测量定位示意图7.IDS3010激光干涉仪在增材制造3D打印中的应用微尺度选择性激光烧结（u-SLS）是制造集成电路封装构件（如微控制器）的一种创新方法。在大多数的增材制造中需要微米量的精度控制，然而集成电路封装的生产尺寸只有几微米，并且需要比传统的增材制造方法有更小的公差。德克萨斯大学和NXP半导体公司开发了一种基于u-SLS技术的新型3D打印机，用于制造集成电路封装。该系统包括用于在烧结站和槽模涂布台之间传送工件的空气轴承线性导轨。为满足导轨对定位精度高的要求，该系统采用德国attocube公司的皮米精度干涉仪IDS3010来进行位置的跟踪。更多信息请了解：Nilabh K. Roy, Chee S. Foong, Michael A. Cullinan: "Design of a Micro-scale Selective Laser Sintering System", 27th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, At Austin, Texas, USA 7.1系统示意图，其中激光干涉仪被用作位移的测量和反馈8. IDS3010激光干涉仪在扫描荧光X射线显微镜中的应用在搭建具有纳米分辨率的X射线显微镜时，对系统稳定性提出了更高的要求。在整个实验过程中，必须确保各个组件以及组件之间的热稳定性和机械稳定性。德国attocube的IDS3010激光干涉仪具有优异的稳定性和测量亚纳米位移的能力，在40小时内表现出优于1.25 nm的稳定性，并且在100赫兹带宽的受控环境中具有优于300 pm的分辨率。因此，IDS3010是对上述X射线显微镜装置的所有部件进行机械控制的不二选择，使得整个X射线显微镜实现了40 nm的分辨率，而在数据收集所需的整个时间内系统稳定性优于45 nm。更多信息请了解：Characterizing a scanning fluorescence X ray microscope made with the displacement sensor 8.1荧光X射线显微镜的高分辨成像结果

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。