皮米精度激光干涉儀

皮米激光干涉儀

設備選件

光纖式激光探頭 

IDS系列激光干涉儀可提供不同型號探頭（探頭尺寸，光斑大小不同）。
探頭直徑范圍：1.2mm – 22mm。典型準直激光光斑：1.6mm， 典型聚焦激光光斑：70 mm。
工作溫度低至：10mK, 1E-10mBar超高真空適用, 10MGy強輻射環境適用。
 

激光探頭技術參數表

應用案例

■  IDS3010在航天飛行器形變檢測上的應用

德國衛星制造商OHB公司（德國OHB-System 是家門從事小衛星系統、分系統研制工作的企業,在小型商業衛星、小型研究衛星及相關分系統的研制、制造和操作方面具有豐富的經驗）采用attocube的激光位移傳感器IDS3010，對第三代氣象衛星（MTG）柔性組合成像儀進行了高真空光-熱-力學模型試驗。該試驗包括在儀器的不同區域，并監控其后續光學元件相對位移測量哈曼傳感器。在真空環境中通過IDS3010激光干涉儀以小于1角秒的精度對平面基準相對位置的穩定性進行了個多星期的持續測試。

為了校準IDS3010不同探頭之間的距離，需要進行初步測試（每個傳感器探頭與用于角度計算的距離，名義上為100 mm）。為此，平面參考鏡的電動框架被用來產生任意角度的運動。這些角度是由IDS3010激光干涉儀和校準的自準直儀測量得到。IDS3010激光干涉儀在±720角秒范圍內表現出良好的線性（<0.1%），并且非常容易校準。再與MTG柔性組合成像儀對齊之后，即在Shack-Hartmann傳感器和IDS3010傳感器之間執行另個交叉校準，以補償IDS3010傳感器相對于Shack-Hartmann傳感器的時鐘。

第三代氣象衛星的柔性組合成像儀（MTG-FCI）的實驗裝置。紫色表示激光干涉儀組件：傳感器探頭支架和角角錐棱鏡支架。以上信息由OHB System AG提供

結果

此次測量的目的是在周多的時間內連續監測參考鏡相對于衛星的穩定性，精度小于1角秒。使用如上所述attocube公司的激光干涉儀得到的測試得到角度精度甚至比個角秒還要好。理論計算表明，其測試分辨率可以到達0.021角秒（等于5.8u°），但實際讀數受試驗裝置振動的限制。

■  IDS3010激光干涉儀在自動駕駛高分辨調頻連續波（FMCW）雷達上的應用

自動駕駛是目前汽車工業前沿和火熱的研究，而自動駕駛尤為重要的是需要可靠和高分辨率的距離測量雷達。德國弗勞恩霍夫高頻物理和雷達技術研究所（Wachtberg，D）Nils Pohl教授和波鴻魯爾大學（Bochum，D）的研究小組提出了種全集成硅鍺基調頻連續波雷達傳感器（FMCW），工作頻率為224 GHz，調諧頻率為52 GHz。通過使用德國attocube公司的皮米精度激光干涉儀FPS1010（新版本為IDS3010）證明了測量系統在-3.9μm至+2.8μm之間達到了-0.5-0.4μm的超高精度。這種全新的高精度雷達傳感器將會應用于許多全新的汽車自動駕駛域。

圖 緊湊型FMCW傳感器的照片

圖二 雷達測距示意圖，左邊為雷達，右邊為移目標，attocube激光干涉儀用來標定測量結果

參考文獻
S. Thomas, et al; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67, 11, (2019).

■  IDS3010激光干涉儀在半導體晶圓加工無軸承轉臺形變的測量上的應用

半導體光刻系統中的晶圓輕量化移動結構的變形阻礙了高通量的半導體制造過程。為了補償這些變形，需要測量由光壓產生的形變。來自荷蘭Eindhoven University of Technology 的科學家設計了個基于德國attocube干涉儀IDS3010的測量結構，以此來詳細地研究因為光壓而導致的形變性。圖所示為測量裝置示意圖，測量裝置由5 x 5 共計25個M12/F40激光探頭組成的網格，以此來實現監測納米的無軸承平面電機內部的移動器變形。實驗的目的是通過對無軸承的平面的力分布進行適當的補償，從而有效控制轉臺的變形。實驗測得大形變量為544nm，小形變量為110nm（如圖二所示）。

圖 左側5X5排列探頭測量裝置示意圖，右圖為實物圖

圖二 無軸承磁懸浮機臺形變量的測量結果，大形變量為544nm

參考文獻
Measuring the Deformation of a Magnetically Levitated Plate displacement sensor.

■  IDS3010在X射線成像中提高分辨率的應用

在硬X射線成像中，每個探針平均掃描時間的減少對于因為束流造成的損傷是至關重要的。此外，系統的振動或漂移會嚴重影響系統的實時分辨率。而在結晶學等光學實驗中，掃描時間主要取決于裝置的穩定性。Attocube公司的皮米精度干涉儀FPS3010（升之后的型號為IDS3010），被用于化由多層波帶片（MZP）和基于MZP的壓電樣品掃描儀組成的實驗裝置的穩定性的測量。實驗是在德國DESY Photon Science中心佩拉III期同步加速器的P10光束線站上進行的。Attocube公司的激光干涉儀PFS3010用來檢測樣品校準電機引起的振動和沖擊產生的串擾?；谶@些測量，裝置的成像分辨率被提高到了±10nm。

圖 實驗得到的系統分辨率結果

參考文獻
Markus Osterhoff, et at.; Proceedings Volume 10389, X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III; 103890T (2017)

■  IDS3010激光干涉儀在微小振動分析中的應用

電荷化理論能夠描述中性玻色子系統的布洛赫能帶，它預言二維量子化的四緣體具有帶隙、拓撲的維邊緣模式。研究機構蘇黎世邦理工大學的Sebastian Huber教授課題組巧妙的用種機械超材料結構來模擬二維的拓撲緣體，次在實驗上觀測到了聲子四拓撲緣體。這具有重要意義的結果被刊登在nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人員通過測試了種機械超材料的體，邊緣和拐角的物理屬性，發現了理論預言的帶隙邊緣和隙內拐角態。這為實驗實現高維度的拓撲超材料奠定了重要基石。德國attocube公司的激光干涉儀IDS3010被用于超聲-空氣轉換器激勵后的機械超材料振動分析。IDS3010能到探測到機械超材料不同位置的微小振動，以識別共振頻率。終實現了11.2pm的系統誤差，為聲子四拓撲緣體的實驗分析提供了有力的支持。

圖 實驗中對對機械超材料微小振動的頻率分析

參考文獻
Marc Serra-Garcia, et al.; Nature volume 555, pages 342–345 (2018)

■  IDS3010激光干涉儀在快速機床校準的應用

德國亞琛工業大學（Rwth Aachen University，長久以來被譽為“歐洲的麻省理工”）機床與生產工程實驗室（WZL）生產計量與質量管理主任的研究人員用IDS3010讓機床自動校準成為可能，這將提高機床的加工精度和加工效率。研究人員通過將IDS3010皮米精度激光干涉儀和其他傳感器集成到機床中，實現對機床的自動在線測量。這使得耗時、需要中斷生產過程、安裝和卸載校準設備的手動校準變得多余。研究人員建立了個單軸裝置的原型，用IDS3010進行位置跟蹤，其他傳感器如CMOS相機被用來檢測俯仰和偏擺。校準結果與常規校準系統的結果進行了比較：六個運動誤差（位置、俯仰、偏擺、Y-直線度、Z-直線度）對這兩個系統顯示出良好的致性，值得指出的是：使用IDS3010的總時間和成本顯著降低。該裝置演示了自動校準機床的原型，而且自動程序減少了機器停機時間，從而通過保持相同的精度水平提高了生產率。

參考文獻

Benjamin Montavon et al; J. Manuf. Mater. Process. 2(1), 14 (2018)

■  IDS3010激光干涉儀在工業C-T斷層掃描設備中的應用

工業C-T斷層掃描被廣泛用于材料測試和工件尺寸表征。設計個錐束C-T系統的挑戰之是它的幾何測量系統。近，瑞士聯邦計量院（METAS）的科學家將德國attocube公司的IDS3010皮米精度激光干涉儀用于X射線源、樣品和探測器之間的精密位移跟蹤。實驗共有八個軸用于位移跟蹤。除了測量位移之外，該實驗裝置還能夠實現樣品臺的角度誤差分析。終實現了非線性度小于0.1μm，錐束穩定性在小時內于10ppb的高精度工業C-T。

參考文獻

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激光干涉儀在增材制造3D打印方面的應用

微尺度選擇性激光燒結（μ-SLS）是制造集成電路封裝構件（如微控制器）的種創新方法。在大多數的增材制造中需要微米量的精度控制，然而集成電路封裝的生產尺寸只有幾微米，并且需要比傳統的增材制造方法有更小的公差。德克薩斯大學和NXP半導體公司開發了種基于u-SLS技術的新型3D打印機，用于制造集成電路封裝。該系統包括用于在燒結站和槽模涂布臺之間傳送工件的空氣軸承線性導軌。由于該導軌對定位精度要求很高，所以采用德國attocube公司的皮米精度干涉儀IDS3010來進行位置的跟蹤。

參考文獻
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激光干涉儀在掃描熒光X射線顯微鏡中的應用

在搭建具有納米分辨率的X射線顯微鏡時，對于系統穩定性的要求提出了更高的要求。在整個過程中實驗過程中，必須確保各個組件以及組件之間的熱穩定性和機械穩定性。德國attocube的IDS3010激光干涉儀具有異的穩定性和測量亞納米位移的能力，表現出異的性能。IDS3010在40小時內具有于1.25nm的穩定性，并且在100赫茲帶寬的受控環境中具有于300pm的分辨率。因此，IDS3010是對所述X射線顯微鏡裝置中使用的所有部件進行機械控制的*，使得整個X射線顯微鏡實現了40nm的分辨率，而在數據收集所需的整個時間內系統穩定性于45nm。

參考文獻
Characterizing a scanning fluorescence X ray microscope made with the displacement sensor

■  皮米精度激光干涉儀IDS3010在相位調制器的精密調制和控制上的應用

相位調制器是相干合成孔徑望遠鏡中光束合成機構的關鍵部件。提高相位調制器的調制精度和控制帶寬有助于提高合成孔徑望遠鏡的成像分辨率。相位調制器運動信息包括俯仰角、方位角和軸向位移3個自由度。目前3個或者多個自由度的實時測量還處于發展階段。同時實現多自由度測量更是少之又少。

來自中國科學院光電技術研究所光束控制重點實驗室的方國明課題組采用德國attocube system AG公司的三軸皮米精度激光干涉位移傳感器IDS3010通過獲取待測目標平面內3個不共線點的位移量，而3個不共線的點可確定平面的法線，基于平面法線的解，從而可以獲得目標的3個自由度運動信息，包括方位角、俯仰角和軸向位移。成功實現了三自由度的同時實時測量。

圖示： 三自由度測量原理示意圖

■  皮米精度位移測量激光干涉儀助力聲子四拓撲緣體觀測

電荷化理論能夠描述中性玻色子系統的布洛赫能帶，它預言二維量子化的四緣體具有帶隙、拓撲的維邊緣模式。蘇黎世邦理工大學的Sebastian Huber教授課題組巧妙地用種機械超材料結構來模擬二維的拓撲緣體，次在實驗上觀測到了聲子四拓撲緣體。這具有重要意義被刊登在nature上。研究人員通過測試種機械超材料的體、邊緣和拐角的物理屬性，發現了理論預言的帶隙邊緣和隙內拐角態。這為實驗實現高維度的拓撲超材料奠定了重要基石。

圖示：實驗裝置示意圖

參考文獻

Observation of a phononic quadrupole topological insulator.Nature volume 555, pages342–345(2018)

■  激光干涉儀檢測納米精度位移臺

誤差在實際生產中的存在可能導致損失以及客戶對產品信心的丟失。光學傳感器可以在質量檢測中幫助減少誤差產生提高成品率。attocube激光干涉儀是理想的可在各個域提供高精度探測來減少誤差的種光學傳感器。

作為納米精度位移臺供應商的德國attocube公司，對位移臺的精密移動的測量與鑒定是個非常重要的任務。例如，下圖左，ECS3030型號的線性位移臺可在真空中進行位移。ECS3030位移臺的行程是20mm。技術參數要求的是可重復精度小于50nm。用attocube激光干涉儀對位移臺上樣品進行測量，位移臺被程序控制來回往復移動1mm,在20mm的行程內在多個不同地點進行來回往復移動。測量結果如下圖中所示。通過分析，左圖中的數據提取的偏差值是13.2nm，下圖右數據的直方圖顯示標準差是13nm。因此，位移臺的可重復性技術指標是合格的。

通過使用attocube激光干涉儀可以實施對于納米精度位移臺ECS3030的全自動測量。這已經是德國attocube公司對于位移臺的質量檢測手段。并且，這樣個簡便與實用的傳感器可以直接集成到生產線中去提供高產出的質量檢測。

■  激光干涉儀組建高精度X射線顯微鏡

同步輻射中心具有廣泛的應用域，生物科技（蛋白質結構），醫學研究（微生物），工程研究（裂紋的變化觀測），進材料（納米結構測量）等。以上應用需要高精度去驅動聚焦鏡，樣品，光學狹縫等物品（下圖左），這樣的機械結構需要減少熱漂移與定位誤差。

德國attocube公司的激光干涉儀具備皮米精度分辨率，激光探頭可在真空環境中使用，是同步輻射研究的良好選擇。在現有激光探頭中，標準激光探頭M12是已經被證實可以在輻射環境中使用（大10MGy)。美國布魯克海文實驗室E. Nazaretski等人結合attocube激光干涉儀與納米精度位移臺搭建了X射線掃描成像顯微鏡（下圖中）。通過attocube激光干涉儀作為實時檢測與反饋位移臺移動的工具，科學家實現了0.5nm的步進掃描（下圖右）。并且，在真空環境中，系統的熱漂移達到了2nm/h。

綜上所述，高精度的X射線顯微鏡可以實現納米精度掃描成像，是實現硬X射線區域光學研究的有力工具。該顯微鏡使得X射線熒光光譜納米精度成為了現實。

參考文獻

E. Nazaretski , et.al. J. Synchrotron Rad. (2015). 22, 336–341

■  激光干涉儀無損探測軸承誤差

旋轉物體的運動誤差分析是高精度機械工程域的個主要興趣之。如果是高速旋轉的轉子，甚至1納米的誤差就會產生不想要的振動與運動誤差。因此，納米精度的運動誤差監測是機械工程域前沿的重要研究課題。個主要的難題是：如何減小運動誤差？

為了減小誤差，需要測量誤差。

德國attocube公司的激光干涉儀可以提供個無損，緊湊并且插即用的解決方案。通常的線性位移測量需要個平整的表面，而旋轉運動的時候，遇到的是個曲面（右圖上）。attocube激光干涉儀測量的是個直徑為10mm的電動轉子。由于attocube激光干涉儀的探頭具有較大的容忍角度，激光探頭很容易完成了校準并開始進行測量。轉子轉速為2160轉每秒，兩個激光探頭對轉子的運動誤差進行了測量。右圖下顯示的為測量結果，紅色實線為平均位置，而虛線顯示了誤差為5微米的兩個圓環。黑色實現為實際測量數據。

德國attocube公司的激光干涉儀軟件使用界面友好，可提供亞納米別的運動誤差校正方案。即使是新用戶，對于其激光干涉儀的使用也會很快熟悉。

參考文獻

Review of scientific instruments, 84, 035006 (2013)

■  激光干涉儀校正低溫非線性掃描

通常掃描臺在室溫下掃描50微米 x 50微米的范圍時候不會有顯著的非線性效應。但是當在低溫環境（4K或更低）中，壓電陶瓷本身的性能發生變化，會產生下圖右中的非線性掃描現象。

通過德國attocube公司的激光干涉儀，可以在低溫環境下使用激光探頭對掃描臺的掃描運動進行實時檢測（高速掃描）。結合對掃描臺的施加電壓進行實時反饋控制，可解決低溫下非線性掃描問題。

測試數據

發表文章

1. Stability investigation of a cryo soft x-ray microscope by fiber interferometry  Rev. Sci. Instrum. 91, 023701 (2020); https://doi.org/10.1063/1.5138369

2. Vibration-heating in ADR Kevlar suspension systems  James Tuttle et al 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 755 012015

3. 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, AU

6. 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)

用戶單位

attocube公司產品以其穩定的性能、*的精度和良好的用戶體驗得到了國內外眾多科學家的認可和肯定，有超過了130多位低溫強磁場顯微鏡用戶。attocube公司的產品在國內也得到了低溫、超導、真空等研究域著名科學家和研究組的歡迎.....

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國外部分用戶