皮米精度激光干涉仪 IDS3010

皮米激光干涉仪

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。
ZD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

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，对第三代气象卫星（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。

第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（ZX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级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，需要精确的测量由光压产生的形变。来自DJ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级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（升级之后的型号为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

       电荷极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极绝缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。全球DJ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绝缘体，首次在实验上观测到了声子四极拓扑绝缘体。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。ZZ实现了11.2pm的系统误差，为声子四极拓扑绝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，这将极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。设计一个精确的锥束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。ZZ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JD的增材制造中需要微米量级的精度控制，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来进行位置的精确跟踪。

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ZG科学院光电技术研究所光束控制ZD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WY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极拓扑绝缘体观测

       电荷极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极绝缘体具有带隙、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绝缘体，首次在实验上观测到了声子四极拓扑绝缘体。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，首先需要测量误差。

       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，可提供亚纳米级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)

■  激光干涉仪校正极低温非线性扫描

       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。但是当在极低温环境（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，可以在极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

发表文章

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)

用户单位

       attocube公司产品以其稳定的性能、极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

国外部分用户