精密激光干涉仪

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精密激光干涉仪相关的厂商

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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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  • 深圳智泰精密仪器有限公司本公司是一家专门从事研发、生产、销售二次元、三次元、光学影像测量仪、投影仪、3D激光扫描仪、白光干涉仪、ROHS荧光分析仪、各种检测设备的专业厂家、并且承接设备升级改造、专案机定制、提供专业测量方案。欢迎从事塑胶模具、五金加工、线路板制作等业行前来洽谈定购。智泰集团段生13556844151;QQ545974744http://3dfamily.com.cn
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  • 武汉三工精密制造有限公司是由武汉三工光电设备制造有限公司投资成立的高新技术企业,是集技术研究、开发、生产和销售为一体的高科技企业。公司专业研发、生产具有专业技术水平的激光调阻机、激光切割机等精密激光设备,并全部拥有自主知识产权。严格的IS09001质量认证管理体系,现代化的管理模式造就了“三工”品牌的知名度。  三工精密定位于高端激光设备的制造及全面的解决方案,设立专门的研发实验室,具有为客户专门订制专用激光设备的实力。成功应用新技术、新工艺,同美国、德国等国外激光技术公司合作,拥有高素质的专业团队,高水平的技术开发人员,拥有各种品牌检测仪器,包括Agilent仪表,包括高低阻测量表、Zygo干涉仪、Tektronix示波器、Coherent脉宽测试仪、Spiricon光束质量分析仪、Newport功率计等共计数十台。公司生产的设备已经成功应用在厚膜电路、传感器、汽车电子、消费电子、军工研究所等行业,在一些特殊行业应用打破国外技术垄断,得到了广大用户的信赖和称赞。
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精密激光干涉仪相关的仪器

  • SJ6000高灵敏度超精密激光干涉仪是利用激光干涉现象来实现非接触式测量,具有高精度、高分辨率、快速测量等优点。它集光、机、电、计算机等技术于一体,产品采用进口高性能氦氖激光器,结合不同的光学镜组,可实现线性测长、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度等几何参量的高精度测量。在SJ6000激光干涉仪动态测量软件配合下,可实现线性位移、角度和直线度的动态测量与性能检测,以及进行位移、速度、加速度、振幅与频率的动态分析,如振动分析、丝杆导轨的动态特性分析、驱动系统的响应特性分析等。产品功能(1)可实现线性、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度、回转轴等几何参量的高精密测量;(2)可检测数控机床、三坐标测量机等精密运动设备其导轨的线性定位精度、重复定位精度等,以及导轨的俯仰角、扭摆角、直线度、垂直度等;(3)可实现对机床回转轴的测量与校准;(4)可根据用户设定的补偿方式自动生成误差补偿表,为设备误差修正提供依据;(5)具有动态测量与分析功能,包括位移分析、速度分析、加速度分析、振幅和频率分析等,可进行振动分析、丝杆导轨的动态特性分析、驱动系统的响应特性分析等;(6)支持手动或自动进行环境补偿。测量软件(1)友好的人机界面;(2)丰富的应用功能模块;(3)向导式的操作流程;(4)简洁化的记录管理;(5)支持中文、英文和俄文界面;(6)支持企业专属模板定制。SJ6000高灵敏度超精密激光干涉仪在机床加工领域有着广泛的应用。工作原理激光干涉仪利用激光光束的干涉原理来测量物体的形状和表面的高度差异。其原理是基于两束相干光在空间交叉的地方发生干涉,形成干涉条纹,通过测量干涉条纹的变化来推断被测量物体的参数。测量原理激光干涉仪的测量原理主要包括相位测量和位移测量。相位测量是通过测量干涉条纹的相位差来计算被测量物体的形状、位置等参数;位移测量是通过测量干涉条纹的位移来确定物体的位移量。这两种测量原理在不同应用场景下有着各自的优势和适用性。产品优势1、激光干涉仪具有非常高的测量精度和重复性。2、激光干涉仪可以实现非接触式测量,不会对被测量物体造成损伤。3、激光干涉仪具有实时性测量能力,能够同时测量多个位置或参数,提高测量效率。产品应用激光干涉仪是一种能够测量机床精度的高精度测量装置。它利用激光干涉现象来实现非接触式测量,具有高精度、高分辨率、快速测量等优点,在机床加工领域有着广泛的应用。1.测量机床导轨的直线度和平行度。导轨是机床中的重要零部件,直线度和平行度的误差会直接影响机床的加工精度和稳定性。激光干涉仪可以通过测量导轨上的干涉条纹来确定其直线度和平行度的偏差,从而指导后续的优化和调整。2.测量机床工作台的平面度和垂直度。机床工作台的平面度和垂直度直接影响工件的加工精度和质量。通过激光干涉仪测量工作台上的干涉条纹,可以快速发现工作台的不平整和非垂直状态,并及时进行调整和修正,确保工件的加工精度和稳定性。3.测量机床主轴的同心度和轴向垂直度。机床主轴的同心度和轴向垂直度是决定机床加工精度的关键因素。通过激光干涉仪测量主轴上的干涉条纹,可以准确判断主轴的同心度和轴向垂直度是否达到标准要求,从而为后续的机床调整和校准提供依据。4.其它除了上述应用,激光干涉仪还可以用于测量机床各个部件之间的相对位置和尺寸关系,从而检测和纠正机床的装配误差。此外,激光干涉仪还可以用于检测机床在运行过程中的变形和振动情况,及时发现机床的故障和异常状态,保证机床的稳定性和可靠性。对数控机床进行螺距误差补偿部分技术规格稳频精度0.05ppm动态采集频率50 kHz预热时间≤ 6分钟工作温度范围(0~40)℃存储温度范围(-20~70)℃环境湿度(0~95)%RH线性测量距离(0~80)m (无需远距离线性附件)线性测量精度0.5ppm (0~40)℃角度轴向量程(0~15)m角度测量精度±(0.02%R+0.1+0.024M)″平面度轴向量程(0~15)m平面度测量精度±(0.2%R+0.02M2)μm (R为显示值,单位:μm;M为测量距离,单位:m)直线度轴向量程短距离(0.1~4.0)m 长距离(1.0~20.0)m直线度测量精度短距离±(0.5+0.25%R+0.15M2) μm长距离±(5.0+2.5%R+0.015M2) μm垂直度轴向量程短距离(0.1~3.0)m 长距离(1.0~15.0)m垂直度测量精度短距离±(2.5+0.25%R+0.8M)μm/m 长距离±(2.5+2.5%R+0.08M)μm/m注意事项:平面度测量配置需求:平面度镜组+角度镜组平行度测量配置需求:依据轴向量程范围,选择相应直线度镜组即可短垂直度测量(0.1~3.0)m配置需求:短直线度镜组+垂直度镜组长垂直度测量(1.0~20.0)m配置需求:长直线度镜组+垂直度镜组直线度附件:主要应用于Z轴的直线度测量和垂直度测量恳请注意:因市场发展和产品开发的需要,本产品资料中有关内容可能会根据实际情况随时更新或修改,恕不另行通知,不便之处敬请谅解。
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  • 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上发展而来的一种外差式干涉仪。传统单频激光干涉仪采用单频技术,容易受到外界环境干扰,微小的空气湍流都会引起直流电平变化从而影响测量结果,这是单频干涉仪的一个根本弱点。在测试环境恶劣或测量距离较长时,这一缺点十分突出,而双频激光干涉测量仪正好克服了这一缺点。双频干涉仪使用双频激光,其干涉信号是一个频率约为1.5-8 M H z的交流信号,当可动棱镜移动时,双频干涉仪的干涉信号只是使原有的交流信号频率增加或减少了△f,结果依然是一个交流信号。这个交流信号频率的改变取决于可动棱镜位置的变化,不受直流光平和电平变化的影响,因此抗干扰能力强,适合在各种环境条件下开展检测作业。 双频激光干涉测量仪采用外差技术,对环境干扰不敏感,先天具有抗干扰性好,工作稳定的特点,适合在车间生产环境中使用。镭测科技推出的LH3000双频激光干涉仪,基于清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室多年研发的核心技术,拥有自主知识产权,技术指标达到或优于国外产品同等水平。LH3000双频激光干涉仪通过与不同的光学组件结合,可实现对线性、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度等几何量的检测,是高精度线性位移测量、数控机床校准、三坐标机校准、光学平台校准的高效率量测工具。 系统组成: LH3000双频激光头及附件 LC-2000环境补偿单元 Leice Measure测量软件、Leice Analysis 分析软件 线性位移测量镜组(选配:角度、直线度、垂直度、平面度测量镜组等) 光学调整附件 三脚架及其他测量附件产品优势: 采用双频激光,测量精度高 紧凑设计,适合外出服务携带 抗干扰能力强,大型机床长距离检测时也能保证稳定精准 自动环境补偿,不同温度、湿度、压力环境中也能精确检测 符合测校国家标准的测量分析软件 自动生成测量数据报表和误差校正补偿文件。 典型频差7±0.5MHz,测速高达2m/s。(欲了解更多单频与双频干涉仪的性能特点和差异,请阅览本网站解决方案栏目中的:双频激光干涉仪)
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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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  • 3分钟了解激光干涉仪——最精密的尺子
    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。
  • 精确到纳米!国产高端数字化激光干涉仪冲破超精密测量技术“封锁线”
    南极天文望远镜、空间引力波探测装置、极大规模集成电路制造装备、光刻机… … 这一系列关键装备的加工制造,都需要依靠超高精度的测量仪器对大量光学元件的各项参数进行测量。以往,超精密测量技术受到国外封锁,成为制约高端装备制造发展的瓶颈问题。近日,由上海理工大学光电学院庄松林院士领衔的韩森教授团队与苏州慧利仪器有限责任公司共建联合实验室所研发的国产化高端产品——数字化激光干涉仪进展顺利。据介绍,该项目研究成果技术难度大、创新性强,取得了多项自主知识产权,部分产品填补国内空白,PV值测量等核心指标及相关技术达到国际领先水平。有装备制造的地方就需要精密的测量仪器“简单来说,干涉仪就是将激光分为两束,照射至需要测量的器件上,再汇合产生干涉,从而精确地测量出被测件表面的形貌误差,包括平面、球面、柱面或者自由曲面。”韩森向科技日报记者介绍,数字化干涉检测技术是结合光学干涉测量原理与计算机技术、能够实现纳米精度的非接触式测量技术,是超精密光学计量、国家大科学装置及工程、高端工业检测领域最重要的手段之一。中国装备制造要实现突破,首先要解决制造质量问题,其核心关键就是超精密测量能力。“有装备制造尤其是高端装备制造的地方,就需要精密的测量仪器,国内精密测量仪器不能照搬国外的那一套,我们必须把核心技术掌握在自己手中。”韩森说道。团队针对中国高端检测仪器和技术的需求,系统性地开展了模块化激光干涉仪设计以及应用的关键技术的研究与攻关。他们首先基于模块化设计思路开发了激光干涉仪的核心关键部件和测量软件,形成了多种型号高精密数字化激光干涉仪;接着在满足高精度相对测量基础上提出绝对检测算法和闭环自检技术,使平面面形检测精度提高5倍。在双重身份中缩短创新与市场的距离技术创新到市场,还有多远的路需要走?“最后一公里”是科技成果转化的普遍难题。“早在2018年,上理工就与苏州慧利仪器有限责任公司共建联合实验室,以人为纽带,让高校教授长期深度对接产业,更有利于盘活一系列资源。”韩森表示,在“大学教授”和“创业者”的双重身份下,高校的基础创新与企业的技术实践紧密绑定,提高了科研成果转化率和使用效益。目前,项目成果完成了数字化激光干涉仪的工程化,研制出多种口径的商业化检测仪器,实现“产学研用”的完美结合。相关产品及技术已经在国家计量单位、国家大科学装置及工程、高精密光学机械加工行业等多家企事业单位进行推广应用,有助于提升中国高端检测仪器在市场的占有率,推动高精密检测技术发展。项目团队还参与起草国家行业标准、国家平晶检测规程和数字式球面干涉仪校准规范工作,填补国内空白。项目授权发明专利5项、实用新型专利5项,发表论文10余篇,荣获中国产学研创新成果一等奖、日内瓦发明展特别金奖等多个奖项。
  • 超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器
    超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 杨宏兴 1,2,付海金 1,2,胡鹏程 1,2*,杨睿韬 1,2,邢旭 1,2,于亮 1,2,常笛 1,2,谭久彬 1,2 1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150080; 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求,哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法,并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破,研制了系列超精密高速激光干涉仪,激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10,位移分辨力为 0. 077 nm,光学非线性误差最低为 13 pm,最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域,为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造;激光干涉;超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量(DMLI)技术是一种以激光 波长为标尺,通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点,DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪,已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例,其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪,来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求,目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米,并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级;而位移测量速度需求,则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言,影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求,以美国 Keysight 公司(原 Agilent 公司)和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构,长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破, 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而, 一方面,上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单,不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求;另一方面,上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求, 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法,并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破,研制了系列超精密高速激光干涉 仪,可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量,已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段,而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性,本课题组围绕这 3 个核心指标(特别是光学非线性)设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入,具备抗环境干扰能力强的优点,是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径,并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于,通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性,并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统,保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性[19- 20]。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组(图 11) 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″,与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。(a)典型镜组的3D设计图;(b)实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上, 通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠,优化了纳米量级的光学非线性误差。2014 年,本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构[2,21],具体结构如图 12 所示,测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源,建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法,改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组[2-3],并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K[22- 25]。同时,本课题组也采用多光纤高精度平行分光,突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光,致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题,保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。(a)典型镜组的3D设计图;(b)实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术,本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 (图 17),其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 (k=3),位移分辨力为 0. 077 nm,最低光学非线性误差为 13 pm,最大测量速度为 5. 37 m/s(表 2)。并成功应用于上海微电子装备(集团)股份有限公司 (SMEE)、中国计量科学研究院(NIM)、德国联邦物理技术研究院(PTB)等十余家单位 ,在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。(a)20轴以上超精密高速激光干涉仪;(b)单轴亚纳米级激光干涉仪;(c)三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量, 不仅考验仪器的研制水平,更考验仪器的应用水 平,如复杂系统中的多轴同步测量,亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理,高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制:多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面,多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是,一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运;另一方面该类仪器技术复杂、难度极大,我国一直未能完整掌握,这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此,本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统,已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域,典型应用如图 18 所示,其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求,打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁,在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中,干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上,最大测量速度可达 5. 37 m/s,激光真空 波 长/频 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10(k=3),位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm,光 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴(3~5 mK@ 10 min)和隔振环境,可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦,以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求,进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制:亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面,如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义,被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中,关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量,其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此,本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪,并成功应用于我国首套量子化质量基准装置(图 19),在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用,并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一[30- 32]。为达到亚纳米级测量精度,除了精密的隔振与温控环境以外,该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响, 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外,为了实现对被测对象的姿态监测,该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来,随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展,光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此,本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展,下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面: 1)围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中,其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升,将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度,对激光干涉仪的研发提出严峻挑战;极紫外光刻机采用真空工作环境,可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差,同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2)皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年, 国家自然科学基金委员会(NSFC)联合德国科学基 金会(DFG)共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”(2021 至 2023 年)。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院(PTB)合作完成,预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪,并进行国际范围内的直接 比对。3)空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后,各国纷纷开展了空间引力波探测计划,这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中,中国的空间引力波探测计划,将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上,实现皮米精度的超精密测量,本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下,将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究,特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作,预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础,建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队,并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持,建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台,开发了系列超精密激光干涉测量仪,在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用,推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展,并将通过进一步研发,为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见:超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf

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  • 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。

  • 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]

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  • 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/APCFC/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:
  • TYDEX太赫兹扫描法布里 - 珀罗干涉仪
    太赫兹扫描法布里 - 珀罗干涉仪太赫兹扫描法布里 - 珀罗干涉仪(TSFPI)设计用于测量窄带THz辐射的波长和强度。 TSFPI可以与脉冲以及连续的窄带THz辐射源一起使用。TSFPI由两个半透明的平行硅镜组成,其中一个安装在电机驱动的线性驱动器上。THz辐射参数的测量是通过移动反射镜的平移(扫描)来完成的,如图2所示。1。图1. TSFPI的原理图。TSFPI可与以下来源一起使用:?回旋管 ?光泵浦亚毫米波激光器 ?返波振荡器 ?自由电子激光器 ?差频THz发生器 ?混频太赫兹发生器 量子级联激光器 ?p-Ge激光器 ?新型太赫兹源。太赫兹扫描法布里-珀罗干涉仪还能够测量宽带太赫兹源的波长和强度,以及根据法布里-珀罗干涉仪透射光谱(图2)过滤太赫兹辐射。TSFPI支持许多镜像转换模式,例如将镜像移动到给定位置,将镜像转换为给定的距离、连续的和循环的转换。镜像转换速度,转换的间隔,开始和结束位置也可以调整。图2.TFP光谱仪测量的镜面间距为500μm的TSFPI透射光谱Menlo Systems TERA K8。图3示出了由TSFPI执行的光泵浦超声波波长激光器的振荡波长的测量结果。 从图中可以看出,相邻TSFPI透射zui大值之间的距离约为216μm(433μm-216μm=217μm 647μm-433μm=214μm 865μm-647μm=218μm),其对应于 一半的激光波长。 此结果与理论TSFPI透射zui大值一致:λ= 2 * d / m,其中d是TSFPI反射镜之间的间距,单位为μm,m是干涉级数,λ是以μm为单位测量的波长。图3.光声探测器Tydex GP-1P与TSFPI反射镜间距的信号幅度。 太赫兹辐射是由光泵浦的亚毫米波激光器产生的,λlas=432μm。规格规格Value工作频率范围THz0,1-15自由光谱范围,太赫兹0,01-1,8毫米镜之间的间距0-9,5间距设置精度,μm± 1.25光轴高度,毫米110自由孔径,毫米52尺寸(长x宽x高),毫米232х151х120质量,公斤5,0主要特征:?TSFPI广泛操作范围,0.1 - 15 THz ?高击穿阈值 ?大光圈,52毫米 ?镜面定位精度高,±1.25μm?易于使用。TSFPI包包括以下内容:?TSFPI干涉仪装置 ?电源和控制装置 ?镜像转换控制软件 ?电缆 ?用户指南。TSFPI以下配件可以单独提供:?光声Golay探测器GC-1P / T / D ?0.1-15 THz范围内指定波长的BPF(带通滤波器) ?低通滤光片(LPF)过滤IR辐射,其截止频率分别为:23.4 THz,23.3 THz,23.1 THz,14.3 THz,10.9 THz,8.8 THz,5.5 THz,4.3 THz,4 THz,3.2 THz ?一组透射率为1%,3%,10%和30%的衰减器 ?TPX和HRFZ-Si镜片。
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