皮米精度位移激光干涉器

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    美国自动精密工程公司(API公司)是刘锦潮博士在自主**技术的基础上,于1987年创建的,总部位于美国马里兰州的洛克威尔城。API公司自成立以来, 始终致力于机械制造领域精密测量仪器和高性能传感器的研发和生产,产品已广泛应用于美国及世界各国的先进制造领域,并在坐标测量和机床性能测试的高精度标准方面处于领先地位。API公司拥有一支经验丰富、能力卓著的工程师队伍,不断开发出先进的创新性产品,以满足快速发展的工业技术的需要。在美国联邦政府、企业及科学研究的诸多项目中,API公司都是积极参与者和关键技术伙伴。迄今为止所取得的成就使其在国际精密测量领域享有很高的声誉。 刘锦潮博士于八十年代初率先开展激光跟踪干涉测量技术的研究,持有激光测量系统的多项**,是世界公认的激光跟踪干涉技术之父。API公司不仅推出了国际上第一台商业化激光跟踪仪,而且是目前世界上唯一生产六维激光跟踪仪和六维激光干涉仪的厂家。API激光干涉仪已经连续三年获得美国年度25种最新产品奖、年度新产品最重要技术奖和商业技术奖。 为了让更多的国内用户了解这些技术,API公司于2001年进入中国市场,相继在北京、上海、武汉、重庆等地设立办事机构,同时在上海成立了售后维修中心及保税库,以便为更好的为用户提供技术服务支持。经过几年的努力,API公司在国内众多行业中以其优良的产品特性、周到快速的服务反馈得到了业内用户的广泛认可及好评,取得了良好的口碑。 API公司仍将一如既往地致力于精密激光测量仪器的研发和生产来回报广大用户对我们的信任与支持。
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  • 上海费米激光科技有限公司专业从事激光精密微加工系统、自动化配套系统研发、生产和销售,为客户提供1~500μm特征加工线宽的激光微孔、微槽、微焊接、划线、切割、打标雕刻、特征成型等解决方案。  费米激光成功开发出了一系列精密激光加工系统,如“微米级激光微孔加工系统”、“光纤激光精密切割系统”、“紫外激光微加工系统”、“二维码激光打标追溯系统”、“配套自动化系统”等等,广泛应用于生物科技、消费电子、汽车配件、电子电路、精密器械、印刷制版、仪器仪表、五金机电、陶瓷洁具、金银首饰、工艺礼品等众多行业。  同时,费米激光致力于开发激光应用仿真平台,从材料、激光、光学、运动控制、加工过程监测等角度,为激光应用提供完善可靠的技术支撑
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皮米精度位移激光干涉器相关的仪器

  • 皮米精度位移激光干涉器 - attoFPSensor attocube公司生产的attoFPSenor系列位移激光干涉器充分满足了高分辨位移与定位的工业和科研需要,其紧凑的设计和稳定性可以在端环境中使用,在大的位移测量范围内,达到25pm的位移分辨率和10MHz的采样速率,应用范围遍及闭环扫描器校准、样品或模块位移、加工业、引擎位移探测等领域。+ 简单易用,attoFPSensor自动软件控制与校准+ 测量速度快,attoFPSensor定位样品采样带宽10MHz,分辨率25pm+ 实时数据采集界面,attoFPSensor利用Ethernet或HSSL实现定位数据的实时输出+ 多轴同时测量,attoFPSensor配有立的三轴定位器,允许同时位移测量、数据处理、和定位输出+ 度高,attoFPSensor锁定分子吸附频率做参考值,得到的定位信息具有测量学意义+ 上小体积的位移测量干涉器,15mm直径和12mm长长时间使用仍可保持picometer稳定度和精度探测目标振动简单可靠attoFPSensor具有高的信号稳定性,如上图时间与位移变化的关系所示:在20mm工作距离下,其2σ为0.286nm在70mm工作距离下,其2σ为0.530nm;在120mm工作距离下,其2σ为1.035nmattoFPSensor不仅是功能强大的实时位移探测设备,而且它还是一个振动器。上图是测量attocube位移器ANPxyz得到的结果。 attoFPSensor技术特点attoFPSensor特优势+ 多维度位移干涉器+ 完备的系统配置+ 实时数字化界面+ 高速FPGA控制单元+ 10MHz采样速率+ 大1m/s样品位移速率,可选配更快速率+ 基于单模光纤的探测器+ 兼容真空与端环境+ 高带宽位移探测+ 闭环位移控制+ MHz范围内的振动测量+ 目标样品热负载75uW+ 探测器无需进行电子器件链接+ 工业化设计+ 其可靠与稳定
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  • 皮米精度位移激光干涉仪(可试用)姓名:谷工(Givin)电话:(微信同号)邮箱: 昊量光电推出的皮米精度位移干涉测量仪quDIS是对纳米级别的位移波动进行量测的理想仪器,基于其独特的测量原理,相对距离的重复精度达到了前所未有的50皮米。quDIS可同时支持三个测量通道,使其可以适用于任意的多轴测量中。quDIS在原理上同样采用激光干涉法,不过与传统激光干涉仪相比,其集成了法珀腔(Reference cavity)及饱和吸收气室(GC)作为频率校准参考,通过激光波长调谐扫描,比较两种不同的干涉图样,可以实现其它设备所不具有的绝对距离测量,基于这种测量方式,使得quDIS相对其他产品测量距离可以达到20M的同时保持高精度,且与信号对比度和强度无关,由于使用整个干涉模式来提取位移信息,因此不存在非线性误差。此外,quDIS不仅可以获得位置、速度和加速度等信息,折射率、反射率或表面倾斜度等信息也可以从实时信号中提取得到。独特的法珀腔+饱和吸收气室构造 波长的线性变化的引入在此构造下使得绝对距离的测量成为可能!干涉传感头 激光束的成型是通过不同的传感器头来实现的,根据反射目标的不同,不同的应用都需要不同的准直、聚焦和光束剖面约束。quDIS的传感器头均基于光纤设计。quDIS为常规情况下的使用提供标准准直仪和定焦传感头,同时根据具体的需要以及恶劣环境下的应用,也设计了响应的特殊传感头。 用于测量高温漂移物体的传感器头的设计 镍铁合金制造的低热膨胀系数准直头产品特点: 多维度多通道位移干涉器,操作简单,即插即用 相对距离和绝对距离测量 完善的全套系统配置 实时输出数字化图像 针对不同应用提供各种传感接头及反射模块组合解决方案 长期使用保证稳定性 兼容真空与各种恶劣环境独特优势: 绝对距离高精度测量! 不存在非线性及周期性误差! 相对距离信号稳定性0.05nm! 工作距离最大20m(与传感头相关) 目标最大速度1m/s 三个传感接口,可实现多设备同步 探测器分辨率达到1pm应用领域: 极限环境下振动分析 缓慢漂移及热膨胀检测 精密设备位置控制 纳米级位移测量 层状结构中间隙和边缘的测量 位移和振动精度评估皮米精度位置测量仪参数列表:干涉仪传感头光源DFB激光器分辨率1pm功率400uW相对距离稳定性 0.05nm波长1535nm绝对距离精度0.2nm/mm线宽5MHz带宽25kHz传感器通道3工作距离0.1—20m光纤输入端口FC Narrow-Key-Slot目标速度1m/sMating Sleeves传感头真空同步多台设备同步低温
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  • 皮米激光干涉仪 德国attocube公司在皮米精度位移激光干涉仪FPS的基础上,新推出了体积更小、适合集成到工业产品与同步辐射应用中的IDS型号皮米精度位移激光干涉仪。与FPS型号干涉仪相似,IDS型号同样适用于端环境如高真空与高辐射环境并且具有高精度与高采样速率。IDS产品是适合工业集成与工业网络无缝连接的理想产品。产品在工业应用中具有广泛范围前景,包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量,实时位移测量等。 德国计量院(PTB)对IDS3010激光干涉仪的精度进行了认证。值得指出,在0-3米的工作距离内, IDS激光干涉仪的的测量数据与德国计量院激光干涉仪数据完全一致。德国计量院的认证使得IDS激光干涉仪的测量数据满足德国标准,使得IDS更加理想的成为位移台鉴定与机器加工等领域的测量工具。IDS3010激光干涉仪主机尺寸与接口IDS3010激光干涉仪应用领域IDS3010充分满足高分辨位移于定位的工业和科研需要,可应用于长度测量、同步辐射、精密仪器、半导体工业以及显微镜。IDS3010激光干涉仪产品特点 + 设计紧凑(50mm x 55mm x 195mm),适合工业集成+ 工业化界面,含HSSL、AquadB、CANopen、Profibus、EtherCAT、等界面+ 测量速度快,定位样品采样带宽10MHz+ 环境补偿单元,不同湿度、压力环境中校正反射率参数提高测量精度+ 校正简单,配备可见激光(650nm)用于校正测量激光(1530nm)+ 测量精度高,探测器分辨率高达1 pm设备选件光纤式激光探头 IDS系列激光干涉仪可提供不同型号探头(探头尺寸,光斑大小不同)。探头直径范围:1.2mm – 22mm。典型准直激光光斑:1.6mm, 典型聚焦激光光斑:70 mm。低工作温度:10mK, 1E-10mBar超高真空适用, 10MGy强辐射环境适用。激光探头技术参数表激光探头型号尺寸mm (直径与长)工作距离(低反射,高反射材料)激光类型(聚焦、准直) 光斑大小D1.2/F7Ф 1.2 7.55-9 mm30-45 mm聚焦,焦距7mm70μm@7mmD4/F8Ф 4 11.56-10 mm15-30 mm聚焦,焦距8mm70μm@8mmD4/F13Ф 4 11.511-15 mm30-45 mm聚焦,焦距13mm70μm@13mmD12/F2.8Ф 12 32.32.8 mm聚焦,焦距2.8mm2μm@2.8mmM12/C1.6Ф 14 17.40-1000 mm准直1.6mmM15.5/C1.6Ф 22 20.60-1000 mm准直1.6mmM12/C7.6Ф 14 49.30-5000 mm准直7.6mm应用案例■ IDS3010在航天飞行器形变检测上的应用德国卫星制造商OHB公司(德国OHB-System 是一家专门从事小卫星系统、分系统研制工作的企业,在小型商业卫星、小型研究卫星及相关分系统的研制、制造和操作方面具有丰富的经验)采用attocube的激光位移传感器IDS3010,对三代气象卫星(MTG)柔性组合成像仪进行了高真空光-热-力学模型试验。该试验包括在仪器的不同区域,并监控其后续光学元件相对位移测量哈特曼传感器。在真空环境中通过IDS3010激光干涉仪以小于1角秒的精度对平面基准相对位置的稳定性进行了一个多星期的持续测试。为了校准IDS3010不同探头之间的距离,需要进行初步测试(每个传感器探头与用于角度计算的距离,名义上为100 mm)。为此,平面参考镜的电动框架被用来产生任意角度的运动。这些角度是由IDS3010激光干涉仪和校准的自准直仪测量得到。IDS3010激光干涉仪在±720角秒范围内表现出良好的线性(0.1%),并且非常容易校准。再与MTG柔性组合成像仪对齐之后,即在Shack-Hartmann传感器和IDS3010传感器之间执行另一个交叉校准,以补偿IDS3010传感器相对于Shack-Hartmann传感器的时钟。三代气象卫星的柔性组合成像仪(MTG-FCI)的实验装置。紫色表示激光干涉仪组件:传感器探头支架和角角锥棱镜支架。以上信息由OHB System AG提供结果此次测量的目的是在一周多的时间内连续监测参考镜相对于卫星的稳定性,精度小于1角秒。使用如上所述attocube公司的激光干涉仪得到的测试得到角度精度甚至比一个角秒还要好。理论计算表明,其测试分辨率可以到达0.021角秒(等于5.8u°),但实际读数受试验装置振动的限制。■ IDS3010激光干涉仪在自动驾驶高分辨调频连续波(FMCW)雷达上的应用自动驾驶是目前汽车工业为前沿和火热的研究,而自动驾驶尤为重要的是需要可靠和高分辨率的距离测量雷达。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)证明了测量系统在-3.9μm至+2.8μm之间达到了-0.5-0.4μm的超高精度。这种全新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。图一 紧凑型FMCW传感器的照片图二 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参考文献S. Thomas, et al IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67, 11, (2019).■ IDS3010激光干涉仪在半导体晶圆加工无轴承转台形变的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 的科学家设计了一个基于德国attocube干涉仪IDS3010的测量结构,以此来详细地研究因为光压而导致的形变特性。图一所示为测量装置示意图,测量装置由5 x 5 共计25个M12/F40激光探头组成的网格,以此来实现监测纳米的无轴承平面电机内部的移动器变形。实验的目的是通过对无轴承的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544nm,小形变量为110nm(如图二所示)。图一 左侧5X5排列探头测量装置示意图,右图为实物图图二 无轴承磁悬浮机台形变量的测量结果,大形变量为544nm参考文献Measuring the Deformation of a Magnetically Levitated Plate displacement sensor.■ IDS3010在X射线成像中提高分辨率的应用在硬X射线成像中,每个探针平均扫描时间的减少对于因为束流造成的损伤是至关重要的。此外,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(升之后的型号为IDS3010),被用于优化由多层波带片(MZP)和基于MZP的压电样品扫描仪组成的实验装置的稳定性的测量。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±10nm。 图一 实验得到的系统分辨率结果参考文献Markus Osterhoff, et at. Proceedings Volume 10389, X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III 103890T (2017)■ 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教授课题组巧妙的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)。研究人员通过测试了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11.2pm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。图一 实验中对对机械超材料微小振动的频率分析参考文献Marc Serra-Garcia, et al. Nature volume 555, pages 342–345 (2018)■ IDS3010激光干涉仪在快速机床校准的应用德国亚琛工业大学(Rwth Aachen University,长久以来被誉为“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、需要中断生产过程、安装和卸载校准设备的手动校准变得多余。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,从而通过保持相同的精度水平提高了生产率。参考文献Benjamin Montavon et al J. Manuf. Mater. Process. 2(1), 14 (2018)■ 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。设计一个的锥束C-T系统的挑战之一是它的几何测量系统。近,瑞士联邦计量院(METAS)的科学家将德国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。实验共有八个轴用于位移跟踪。除了测量位移之外,该实验装置还能够实现样品台的角度误差分析。终实现了非线性度小于0.1μm,锥束稳定性在一小时内优于10ppb的高精度工业C-T。参考文献Benjamin A. Bircher, Felix Meli, Alain Küng, Rudolf Thalmann: "A geometry measurement system for a dimensional cone beam CT", 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT 2018), At Wels, AU■ IDS3010激光干涉仪在增材制造3D打印方面的应用微尺度选择性激光烧结(μ-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。由于该导轨对定位精度要求很高,所以采用德国attocube公司的皮米精度干涉仪IDS3010来进行位置的跟踪。参考文献Nilabh K. Roy, Chee S. Foong, Michael A. Cullinan: "Design of a Micro-scale Selective Laser Sintering System", 27th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, At Austin, Texas, USA ■ IDS3010激光干涉仪在扫描荧光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,对于系统稳定性的要求提出了更高的要求。在整个过程中实验过程中,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,表现出优异的性能。IDS3010在40小时内具有优于1.25nm的稳定性,并且在100赫兹带宽的受控环境中具有优于300pm的分辨率。因此,IDS3010是对所述X射线显微镜装置中使用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40nm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45nm。参考文献Characterizing a scanning fluorescence X ray microscope made with the displacement sensor■ 皮米精度激光干涉仪IDS3010在相位调制器的精密调制和控制上的应用相位调制器是相干合成孔径望远镜中光束合成机构的关键部件。提高相位调制器的调制精度和控制带宽有助于提高合成孔径望远镜的成像分辨率。相位调制器运动信息包括俯仰角、方位角和轴向位移3个自由度。目前3个或者多个自由度的实时测量还处于发展阶段。同时实现多自由度测量更是少之又少。来自中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室的方国明课题组采用德国attocube system AG公司的三轴皮米精度激光干涉位移传感器IDS3010通过获取待测目标平面内3个不共线点的位移量,而3个不共线的点可确定平面的法线,基于平面法线的性可解,从而可以获得目标的3个自由度运动信息,包括方位角、俯仰角和轴向位移。成功实现了三自由度的同时实时测量。图示: 三自由度测量原理示意图■ 皮米精度位移测量激光干涉仪助力声子四拓扑缘体观测电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带,它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体,次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在nature上。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性,发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。图示:实验装置示意图参考文献Observation of a phononic quadrupole topological insulator.Nature volume 555, pages342–345(2018)■ 激光干涉仪检测纳米精度位移台误差在实际生产中的存在可能导致损失以及客户对产品信心的丢失。光学传感器可以在质量检测中帮助减少误差产生提高成品率。attocube激光干涉仪是理想的可在各个领域提供高精度探测来减少误差的一种光学传感器。作为纳米精度位移台供应商的德国attocube公司,对位移台的精密移动的测量与鉴定是一个非常重要的任务。例如,下图左,ECS3030型号的线性位移台可在真空中进行位移。ECS3030位移台的行程是20mm。技术参数要求的是可重复精度小于50nm。利用attocube激光干涉仪对位移台上样品进行测量,位移台被程序控制来回往复移动1mm,在20mm的行程内在多个不同地点进行来回往复移动。测量结果如下图中所示。通过分析,左图中的数据提取的偏差值是13.2nm,下图右数据的直方图显示标准差是13nm。因此,位移台的可重复性技术指标是合格的。通过使用attocube激光干涉仪可以实施对于纳米精度位移台ECS3030的全自动测量。这已经是德国attocube公司对于位移台的质量检测手段。并且,这样一个简便与实用的传感器可以直接集成到生产线中去提供高产出的质量检测。■ 激光干涉仪组建高精度X射线显微镜同步辐射中心具有广泛的应用领域,生物科技(蛋白质结构),医学研究(微生物),工程研究(裂纹的变化观测),先进材料(纳米结构测量)等。以上应用需要高精度去驱动聚焦镜,样品,光学狭缝等物品(下图左),这样的机械结构需要减少热漂移与定位误差。德国attocube公司的激光干涉仪具备皮米精度分辨率,激光探头可在真空环境中使用,是同步辐射研究的良好选择。在现有激光探头中,标准激光探头M12是已经被证实可以在辐射环境中使用(大10MGy)。美国布鲁克海文实验室E. Nazaretski等人结合attocube激光干涉仪与纳米精度位移台搭建了X射线扫描成像显微镜(下图中)。通过attocube激光干涉仪作为实时检测与反馈位移台移动的工具,科学家实现了0.5nm的步进扫描(下图右)。并且,在真空环境中,系统的热漂移达到了2nm/h。综上所述,高精度的X射线显微镜可以实现纳米精度扫描成像,是实现硬X射线区域光学研究的有力工具。该显微镜使得X射线荧光光谱纳米精度成为了现实。参考文献E. Nazaretski , et.al. J. Synchrotron Rad. (2015). 22, 336–341 ■ 激光干涉仪无损探测轴承误差旋转物体的运动误差分析是高精度机械工程领域的一个主要兴趣之一。如果是高速旋转的转子,甚至1纳米的误差就会产生不想要的振动与运动误差。因此,纳米精度的运动误差监测是机械工程领域前沿的重要研究课题。一个主要的难题是:如何减小运动误差?为了减小误差,先需要测量误差。德国attocube公司的激光干涉仪可以提供一个无损,紧凑并且一插即用的解决方案。通常的线性位移测量需要一个平整的表面,而旋转运动的时候,遇到的是一个曲面(右图上)。attocube激光干涉仪测量的是一个直径为10mm的电动转子。由于attocube激光干涉仪的探头具有较大的容忍角度,激光探头很容易完成了校准并开始进行测量。转子转速为2160转每秒,两个激光探头对转子的运动误差进行了测量。右图下显示的为测量结果,红色实线为平均位置,而虚线显示了误差为5微米的两个圆环。黑色实现为实际测量数据。德国attocube公司的激光干涉仪软件使用界面友好,可提供亚纳米别的运动误差校正方案。即使是新用户,对于其激光干涉仪的使用也会很快熟悉。参考文献 Review of scientific instruments, 84, 035006 (2013) ■ 激光干涉仪校正低温非线性扫描通常扫描台在室温下扫描50微米 x 50微米的范围时候不会有显著的非线性效应。但是当在低温环境(4K或更低)中,压电陶瓷本身的性能发生变化,会产生下图右中的非线性扫描现象。通过德国attocube公司的激光干涉仪,可以在低温环境下使用激光探头对扫描台的扫描运动进行实时检测(高速扫描)。结合对扫描台的施加电压进行实时反馈控制,可解决低温下非线性扫描问题。测试数据■ 实验数据,皮米精度的稳定性图1 77mm长的腔在20个小时内的实验测量数据表明数据误差范围在55pm■ 测量速度快,定位样品采样带宽10MHz图2 样品移动速度2米/秒,移动范围1m发表文章1. Stability investigation of a cryo soft x-ray microscope by fiber interferometry Rev. Sci. Instrum. 91, 023701 (2020) 2. Vibration-heating in ADR Kevlar suspension systems James Tuttle et al 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 755 0120153. S. Thomas, et al IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67, 11, (2019).4. Observation of a phononic quadrupole topological insulator.Nature volume 555, pages342–345(2018)5. Benjamin A. Bircher, Felix Meli, Alain Küng, Rudolf Thalmann: "A geometry measurement system for a dimensional cone beam CT", 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT 2018), At Wels, AU6. Benjamin Montavon et al J. Manuf. Mater. Process. 2(1), 14 (2018)7. In situ contrast calibration to determine the height of individual diffusing nanoparticles in a tunable confinement S. Fringes et al. J. Appl. Phys. 119 024303 (2016)8. Interferometric characterization of rotation stages for X-Ray nanotomography T. Stankevi? et al. Rev. Sci. Instrum. 88 053703 (2017)9. Measurement of forces exerted by low-temperature plasmas on a plane surface T. Trottenberg and H. Kersten Plasma Sources Sci. Technol. 26 055011 (2017)10. Mesh-type acoustic vector sensor M. K. Zalalutdinov et al. J. Appl. Phys. 122 034504 (2017)11. Markus Osterhoff, et at. Proceedings Volume 10389, X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III 103890T (2017)用户单位attocube公司产品以其稳定的性能、高的精度和良好的用户体验得到了国内外众多科学家的认可和肯定,在全球范围内有超过了130多位低温强磁场显微镜用户。attocube公司的产品在国内也得到了低温、超导、真空等研究领域著名科学家和研究组的欢迎.....国内部分用户北京大学中国科技大学中科院物理所中科院武汉数学物理所中科院上海应用技术物理研究所复旦大学清华大学南京大学中科院半导体所上海同步辐射中心北京理工大学哈尔滨工业大学中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所……国外部分用户
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    “坐标”这个概念源于解析几何,其基本思想是构建坐标系,将点与实数联系起来,进而可以将平面上的曲线用代数方程表示。坐标的概念应用到工业生产中解决了大量实际问题,例如,坐标测量机可采集被测工件表面上的被测点的坐标值,并投射到空间坐标系中,构建工件的空间模型等诸多案例。坐标测量机还被用于产品质量控制,测量磨损,制造精度,产品形貌,对称性,角度等工业产品参数,因此需要非常高的移动精度,才能确保测量的准确性。德国attocube公司推出的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪就是辅助坐标测量机提高测量精度的有力手段。图1 皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪是如何帮助坐标测量机实现高精度的呢?图2 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机探测臂上通常坐标测量机要求探测臂位移精度高于1微米,现在坐标测量机位移反馈大多是通过玻璃分划尺来实现的。玻璃分划尺是常用的一种位置测量的方法,分划尺在坐标测量机上位于龙门处,一般情况下,采用玻璃分划尺探测的不是探测臂本身,而是坐标测量机龙门处的位置变化。实际上, 坐标测量机的探测臂与龙门之间有一定长度的距离,它们的位置变化会因存在例如振动、位置差等而有所不同,因此只凭借龙门处位置变化来判断真实的位移反馈是不准确的,影响到实际样品的测量精度。图3 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机上。坐标测量机通过干涉仪探头的配合,可反馈探测臂的位移。德国attocube公司的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪通过非接触式方法测量,可以直接测量探测臂的运动,避免龙门处探测误差,实现高精度测量。如图3,激光探头位于坐标测量机侧边,M12/C7.6激光探头出射的激光可以被探测臂上的反射镜(直径3mm)反射回激光探头,IDS3010干涉仪通过分析干涉信号从而进行位置测量。探测臂能够移动0.8米距离,移动精度达到10微米。干涉仪能够实时测量该探测臂的位移以及振动等信息。图4 IDS3010实时位置测量软件WAVE测量数据。扩展图为中间区域的数据放大。IDS3010配置的软件WAVE可以实时观测与保存测量数据。如图4,坐标测量机的运动数据被测量并记录。图中所示,前15秒与终10秒间的数据是0.8m距离的往复运动。中间时间的数据看似没有变化,但通过WAVE软件的放大功能,我们发现中间时间的探测臂其实进行了10微米的步进运动。同时,通过WAVE软件我们也可以观测到步进运动的详细变化过程。每一个步进大约2秒,在运动初始的时候位移有超过,在大约0.4秒的短时间内位移被调整为10微米的步进长度。而在步进的末尾,也有小幅的位置噪音,该噪音一般是由于振动引入。这对于探测样品位移以及振动信息具有重大意义。IDS3010技术特点:IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪具有体积小、适合集成到工业应用与同步辐射应用中的特点,同时,测量精度高,分辨率高达1 pm,是适合工业集成与工业网络无缝对接的理想产品。除与坐标测量机结合使用外,在工业中的其他应用实例也非常广泛,包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等等。+ 测量精度高,分辨率高达1 pm+ 测量速度快,采样带宽10MHz+ 样品大移动速度 2m/s+ 光纤式激光探头尺寸小,灵活性高+ 兼容超高真空,低温,强辐射等端环境+ 其可靠与稳定+ 环境补偿单元,不同湿度、压力环境中校正反射率参数提高测量精度+ 多功能实时测量界面,包含HSSL、AquadB、CANopen、Profibus、EtherCAT、Biss-C等界面相关产品及链接:1、皮米精度位移激光干涉器attoFPSensor:http://www.instrument.com.cn/netshow/C159543.htm2、EcoSmart Drive系列纳米精度位移台:http://www.instrument.com.cn/netshow/C168197.htm3、低温强磁场纳米精度位移台:http://www.instrument.com.cn/netshow/C80795.htm
  • Nature:皮米精度位移测量激光干涉仪助力声子四极拓扑绝缘体观测
    电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带,它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体,次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在nature上。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性,发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。 图1:实验装置示意图(图片来源:doi:10.1038/nature25156) 值得指出的是,Sebastian Huber教授利用细金属丝将100片硅片组成一个10cmX10cm的平面,以此来模式二维拓扑缘体(如图1所示)。关键点是,当硅晶片被超声激励时,只有中心点有振动;其他角尽管连接在一起仍然保持静止。这种行为类似于二维拓扑缘体的带隙边缘和隙内拐角态的电子行为。而如何探测硅晶片的微小振动是整个实验成功的关键,Sebastian Huber教授利用德国attocube system AG公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪(如图2所示)来测量硅晶片不同位置的微小振动变化,整个测量系统的不确定度达到5pm的精度,测量统计误差达到10pm,后在通过超声激励后测得硅晶片的中心位置的振动位移为11.2pm,通过傅里叶变换之后在73.6KHz(如图3所示)。通过attocube皮米精度激光干涉仪IDS3010成功实现声子四拓扑缘体的次观测。 图2:皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010 图3:测量系统示意图和经过傅里叶频率变换的测量结果(图片来源:doi:10.1038/nature25156)IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪体积小、测量精度高,分辨率高达1 pm,适合集成到工业应用与同步辐射应用中,包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等。同时也得到了国内外众多低温、超导、真空等领域科研用户的认可和肯定。
  • 亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器
    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

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  • 迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角测量中的真空度精密控制技术

    迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角测量中的真空度精密控制技术

    [color=#990000]摘要:在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中,需要对真空度进行准确控制,否则会因变形、折射率和温度等因素的影响带来巨大波动,甚至会造成测量无法进行。本文介绍了真空度的自动化控制技术,详细介绍了具体实施方案。[/color][size=18px][color=#990000]一、问题的提示[/color][/size] 作为一种高精密光学仪器,迈克尔逊激光干涉仪得到了非常广阔应用,它可用于测量波长、气体或液体折射率、厚度、位移和倾角,具备对长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度等的高精密测量。但在高精密测量中,迈克尔逊干涉仪会受到气氛环境的严重影响,为此一般将被测物放置在低压真空环境中,如图1所示,并对真空度进行精密控制,否则会带来以下问题:[align=center][color=#990000][img=激光干涉仪真空度控制,500,315]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201270813137507_5730_3384_3.jpg!w690x435.jpg[/img][/color][/align][color=#990000][/color][align=center]图1 迈克尔逊激光干涉仪典型测试系统结构[/align] (1)测试环境的气体折射率波动,会对高精密测量带来严重影响。如果采用专门的气体折射率修正装置,测量精度也只能达到微米或亚微米量级,而无法实现更高精度的测量。 (2)如果真空腔室内有温度变化,腔室内的气压也会剧烈变化,相应折射率也会发生剧烈波动而严重影响干涉仪测量。 (3)在抽真空过程中,内外压差会造成真空腔室的微小变形,同时也会造成光学窗口产生位移和倾斜,从而改变测量光路的光程。 (4)在有些变温要求的测试领域,要求被测物能尽快的被加热和温度均匀,这就要求将真空度控制在一定水平,如100Pa左右,由此来保留对流和热导热传递能力。 总之,在迈克尔逊激光干涉仪微位移和倾角的精密测量中,需要对真空度进行准确控制。本文将介绍真空度的自动化控制技术以及具体实施方案。[size=18px][color=#990000]二、实施方案[/color][/size] 迈克尔逊激光干涉仪测试过程中,真空度一般恒定控制在100kPa左右,并不随温度发生改变。为此,拟采用如图2所示的真空度控制系统进行实施,具体内容如下:[align=center][color=#990000][img=激光干涉仪真空度控制,690,411]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201270813484950_7314_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 迈克尔逊激光干涉仪测试真空度控制系统结构[/color][/align] (1)采用1torr量程的电容真空计进行真空度测量,其精度可达±0.2%。 (2)采用24位A/D采集的高精度PID真空压力控制器,以匹配高精度真空压力传感器的测量精度,并保证控制精度。 (3)在真空腔室的进气口安装步进电机比例阀以精密调节进气流量。 (4)控制过程中,真空泵开启后全速抽取并保持抽速不变。然后对控制器进行PID参数自整定,使控制器自动调节比例阀的微小开度变化实现腔室真空度的精确控制。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

  • 激光干涉仪的特征及作用

    激光干涉仪是以激光波长为已知长度,利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量,具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。测量长度的激光干涉仪,主要是以迈克尔逊干涉仪为主,并以稳频氦氖激光为光源,构成一个具有干涉作用的测量系统。 激光干涉仪采用一个双光束激光头和一个双通道的处理器,采用飞行采样方式,在测量过程中无须停机采样检测,节约了测量时间和编程时间;利用RENISHAW动态特性测量与评估软件,可进行机床振动测试与分析,滚珠丝杠的动态特性分析,伺服驱动系统的响应特性分析。激光干涉仪的激光头和靶标反射镜二件之间只要发生相对位移就能进行测量,测量系统中无须分光镜、所以对光极其方便。 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,并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。激光干涉仪可用来精确测量和校准机床、三座标测量机和X-Y平台的机械精度,也测量轴的定位精度、重复定位精度及反向间隙,测量轴的角偏、直线度,测量平台的平面度。

皮米精度位移激光干涉器相关的耗材

  • 850nm VCSEL激光器_干涉仪激光器
    852±1/ ±10 nm single-mode VCSEL850nmVCSEL激光器适用于干涉仪检测,VSEL激光器拥有价格低廉,线宽很窄以及可调波长范围宽的优势。在各类激光器中出类拔萃深受全球客户的青睐
  • 全光纤麦克尔逊干涉仪MFI
    全光纤迈克逊干涉仪-MFI Michelson Fiber Interferometer产品介绍:量青光电提供的美国Optiphase公司全光纤迈克逊干涉仪(Fiber Michelson Interferometer)不但可以用来作为精密的测试测量仪器,还可以应用在精密的干涉传感系统。光纤干涉仪内部采用PZ1小尺寸光纤拉伸器(参见 PZ1光纤拉伸器产品资料),内置的PZT通过前面板的BNC连接器驱动。全 光纤迈克逊干涉仪标准产品的工作波长从1064nm到1550nm。每个光纤干涉仪都具有“零米”光路偏差的设计,用于方便用户根据不同的测试应用来改变 光路延迟长度。标准产品的延迟光纤长度为50米,我们能够根据用户的实际要求提供各种定制的光纤干涉仪,请联系我们的销售人员.产品参数:参数单位指标产品型号MFI-10-50MFI-13-50MFI-15-50工作波长nm106413101550调制常数rad/V2.52.01.6两臂光路失配长度(无延迟)m0m0m0m两臂光路失陪长度偏差cm+/-10cm+/-10cm+/-10cm调制器接口BNCBNCBNC光纤类型HI-1060(或指定)SMF-28eSMF-28e光路接口FC/APCFC/APC FC/APC最大功率承受能力mW250250250封装尺寸(长x宽x高)mm260x160x90260x160x90260x160x90重量kg~2.7~2.7~2.7可定制的延迟范围m0.5m ~1000m标准产品的延迟长度m50光纤连接器FC/APC产品应用:激光器相位噪声测试激光器频率噪声测试干涉型光纤传感系统模拟科研实验室应用应用列举:1. 激光器相位/频率噪声测试(1)被测试的激光器经过衰减器后输入到光纤干涉仪,干涉仪的光路失配(光路差)可以由用户选择采用或者控制延迟线圈(延迟线圈)来设定。OPD-4000解调输 出电压应用到PZ1光纤拉伸器的BNC接口上,作为PZ1光纤拉伸器的驱动电压。OPD-4000的相位解调输出可以选择数字信号输出或者模拟信号输出, 数字信号输出通过PC进行后续处理,模拟信号通过信号分析仪进行分析。2. 激光器相位/频率噪声测试(2)被测试的激光器经过衰减器后输入到光纤干涉仪,干涉仪的光路失配(光路差)可以由用户选择采用或者控制延迟线圈(延迟线圈)来设定。通过为PZ1型光纤拉伸 器BNC接口提供控制电压保持其处于正交偏置(Quadrature Bias)。输出光信号由光接收机接收处理,输出信号进一步处理。3.光纤干涉仪传感器模拟(3)输入光信号代表干涉型光纤传感器的光源。选择合适的延迟光纤线圈,延迟长度作为需要模拟的传感器的长度。输出光信号通过光接收器件到信号分析仪进行处理分析。订货信息:MFI-10-50: 1064nm光纤迈克逊干涉仪MFI-13-50: 1310nm光纤迈克逊干涉仪MFI-15-50: 1550nm光纤迈克逊干涉仪
  • 中红外法布里-珀罗F-P干涉仪( F-P标准具/多光束干涉仪 2.5-14um)
    总览法布里-珀罗干涉仪(英文:Fabry–Pérot interferometer),是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪。其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时,它也被称作法布里-珀罗标准具或直接简称为标准具。F-P(法布里-珀罗)标准具因为平板反射率高,多光束等倾斜干涉条纹极窄,所以是一种高分辨率的光谱仪器。可用于高分辨光谱学,和研究波长非常靠近的谱线,诸如元素的同位素光谱、光谱的超精细结构、光散射时微小的频移,原子移动引起的谱线多普勒位移,和谱线内部的结构形状;也可用作高分辨光学滤波器、构造精密波长计;在激光系统中它经常用于腔内压窄谱线或使激光系统单模运行,可作为宽带皮秒激光器中带宽控制以及调谐器件,分析、检测激光中的光谱(纵模、横模)成分. 技术参数产品特点 适用于中红外平行度好端面平整度高表面质量好产品应用波长锁定器 波分复用电信网 手持光谱分析仪 光纤光栅传感系统 可调谐滤波器激光器 可调谐滤光片技术参数 技术参数技术指标工作波段近红外1.3-2.0um,中红外2.5-14um直径25.4mm+/-0.05mm通光孔径22.9mm长度100mm+/-0.2mm平行度5-10 arc sec端面平整度中红外 1/4 lambda;近红外 1/10 lambda表面质量中红外80-50;近红外60-40管壳铜 精细度(FSR)0.012cm-1实验测试: 测试步骤:1,安装1532nm激光器,连接电源,USB线2,激光器输出连接到光纤准直器 3,用BNC转BNC线连接信号发生器到激光器驱动的低频调制端口4,用BNC转BNC线连接探测器到示波器的通道2端口5,打开激光器,打开信号发生器(三角波调制,频率1KHZ,电压幅值500mW)6,激光器发出的光通过标准具,打在探测器光敏面上,通过调整标准具的角度,在示波器上查看调制波形测试结果:
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