激光温度仪的原理

激光加热的温度检测使用激光方式对金属材料进行加热是近年来发展比较快速的新技术，激光加热 具有加热温度高、加热速度快、加热目标灵活等优点，但也正是这些优点，使 得在加热过程中的温度检测存在难点，本文介绍使用RSE60H高温型在线热像仪 对激光加热的现场检测案例，特别是快速、高温的温度趋势分析功能，为此类 温度检测提供有效方案。检测案例： 某高校和某激光设备制造商合作项目，使用激光加热设备对金属材料进行加热，需要看到金属表面的温度变化情况，这对 材料加工工艺非常重要，如果温度控制不当，会造成材料报废或质量不合格。 该现场存在两个检测难点： 1、激光加热的时间非常短：通常激光加热以零点几秒或几秒为周期，且在这么短暂的加热周期中，需要看到温度瞬间的 升高和散热冷却的过程变化，所以对于热像仪的帧频有较高的要求，目前市面上普通的帧频为9Hz的红外热像仪无法追踪 这么快速的变化，而RSE60H的帧频达到25Hz，也就是说，每40毫秒采样一次，可以满足对于快速变化的温度检测需求。 2、温度高：激光加热后的金属温度会瞬间上升到1000℃-1500℃以上，普通的红外热像仪的高温量程上限为1000℃或 1200℃，这就需要特别涉及的测温至2000℃的高温型红外热像仪进行温度检测。在激光移动的过程中，在铁板某一位置处有停留（红框处），导致热量积累使铁板的温度上升到1500℃，同样，右侧 是部分温度数据的导出，红色字体为最高温度值和对应的时刻。 另外，时间轴也可以用计算机时间来标识，案例中的时间轴用开始时间标识。

p 　　粒度仪是用物理的方法测试固体颗粒的大小和分布的一种仪器。根据测试原理的不同分为沉降式粒度仪、沉降天平、激光粒度仪、光学颗粒计数器、电阻式颗粒计数器、颗粒图像分析仪等。 /p p 　　激光粒度仪是通过激光散射的方法来测量悬浮液，乳液和粉末样品颗粒分布的多用途仪器。具有测试范围宽、测试速度快、结果准确可靠、重复性好、操作简便等突出特点，是集激光技术、计算机技术、光电子技术于一体的新一代粒度测试仪器。 /p p 　　 strong 激光粒度仪的光学结构 /strong /p p 　　激光粒度仪的光路由发射、接受和测量窗口等三部分组成。发射部分由光源和光束处理器件组成，主要是为仪器提供单色的平行光作为照明光。接收器是仪器光学结构的关键。测量窗口主要是让被测样品在完全分散的悬浮状态下通过测量区，以便仪器获得样品的粒度信息。 /p p 　　 strong 激光粒度仪的原理 /strong /p p 　　激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以在没有阻碍的无限空间中激光将会照射到无穷远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。 /p p 　　米氏散射理论表明，当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ，θ角的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小 颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大颗粒引起的 大角度(θ1)的散射光是由小颗粒引起的。进一步研究表明，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。 /p p 　　为了测量不同角度上的散射光的光强，需要运用光学手段对散射光进行处理。在光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜，在该富氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器，不同角度的散射光通过富氏透镜照射到多元光电探测器上时，光信号将被转换成电信号并传输到电脑中，通过专用软件对这些信号进行数字信号处理，就会准确地得到粒度分布了。 /p p 　　 strong 激光粒度仪测试对象 /strong /p p 　　1.各种非金属粉：如重钙、轻钙、滑石粉、高岭土、石墨、硅灰石、水镁石、重晶石、云母粉、膨润土、硅藻土、黏土等。 /p p 　　2.各种金属粉：如铝粉、锌粉、钼粉、钨粉、镁粉、铜粉以及稀土金属粉、合金粉等。 /p p 　　3.其它粉体：如催化剂、水泥、磨料、医药、农药、食品、涂料、染料、荧光粉、河流泥沙、陶瓷原料、各种乳浊液。 /p p 　　 strong 激光粒度仪的应用领域 /strong /p p 　　1、高校材料 /p p 　　2、化工等学院实验室 /p p 　　3、大型企业实验室 /p p 　　4、重点实验室 /p p 　　5、研究机构 /p p 　　文章来源：仪器论坛（http://bbs.instrument.com.cn/topic/5163115） /p p br/ /p

p style=" text-indent: 2em " strong 编者按： /strong 如今激光粒度的应用越来越广泛，技术和市场屡有更迭，潮起潮落，物换星移，该如何全方位掌握激光粒度仪的技术和应用发展，如何更好地让激光粒度仪成为我们科研、检测工作中的好战友呢？仪器信息网有幸邀请在中国颗粒学会前理事长，真理光学首席科学家，从事激光粒度仪的研究和开发工作近30年的张福根博士亲自执笔开设专栏，以渊博而丰厚的系列文章，带读者走进激光粒度仪的今时今日。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " strong 激光粒度仪应用导论之原理篇 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 当前，激光粒度仪在颗粒表征中的应用已经非常广泛。测量对象涵盖三种形态的颗粒体系：固体粉末、悬浮液（包括固液、气液和液液等各类二相流体）以及液体雾滴。应用领域则包含了学术研究机构，技术开发部门和生产监控部门。第一台商品化仪器诞生至今已经50年，作者从事该方向的研究和开发也将近30年。尽管如此，由于被测对象——颗粒体系比较抽象，加上激光粒度仪从原理到技术都比较复杂，且自身还存在一些有待完善的问题，作者在为用户服务的过程中，感觉到对激光粒度仪的科学和技术问题作一个既通俗但又不失专业性的介绍，能够帮助读者更好地了解、选择和使用该产品。本系列文章的定位是通俗性的。但为了让部分希望对该技术有深入了解的读者获得更多、更深的有关知识，作者在本文的适当位置增加了“进阶知识”。只想通俗了解激光粒度仪的读者，可以略过这些内容。 /p p style=" text-indent: 2em " 首先应当声明，这里所讲的激光粒度仪是指基于静态光散射原理的粒度测试设备。当前还有一种也是基于光散射原理的粒度仪，并且也是以激光为照明光源，但是称为动态光散射（Dynamic light scattering，简称DLS）粒度仪。前者是根据不同大小的颗粒产生的散射光的空间分布（认为这一分布不随时间变化）来计算颗粒大小，而后者是在一个固定的散射角上测量散射光随时间的变化规律来分析颗粒大小；前者适用于大约0.1微米以粗至数千微米颗粒的测量，而后者适用于1微米以细至1纳米（千分之一微米）颗粒的测量。激光粒度仪在英文中又称为基于激光衍射方法（Laser diffraction method）的粒度分析技术。 /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 【进阶知识1】严格地说，把激光粒度仪的原理说成是“衍射方法”是不准确，甚至带有误导性的。从物理上说，光的衍射和散射是有所区别的。“光的衍射”学说源自光的波动性已经被实验所证实，但是还没从理论上认识到光是一种电磁波这一时期，大约是19世纪上半叶。在更早的时候，人们认为光的行进路线是直线，就像一个不受外力作用的粒子作匀速直线运动那样。这一说法历史上被称为“光的粒子说”。后来人们发现光具有波动形。那个时候人们所知道的波只有水波，所以“衍”字是带水的。“光的衍射”描述的是光波在传播过程中遇到障碍物时，会改变原来的传播方向绕到障碍物后面的现象，故衍射又称做“绕射”。描述衍射现象的理论称为衍射理论。衍射理论在远场（即在远离障碍物的位置观察衍射）的近似表达称为“夫朗和费衍射（Fraunhofer diffraction）”。衍射理论不考虑光场与物质（障碍物）之间的相互作用，只是对这一现象的维像描述，所以是一种近似理论。它只适用于障碍物（“颗粒”就是一种障碍物）远大于光的波长（激光粒度仪所用的光源大多是红光，波长范围0.6至0.7微米），并且散射角的测量范围小于5° 的情形。 /span /p p style=" text-indent: 2em " 麦克斯韦（Maxwell）在19世纪70年代提出电磁波理论后，发现光也是一种电磁波。光的衍射现象本质上是电磁场和障碍物的相互作用引起的。衍射理论是电磁波理论的近似表达。严谨的电磁波理论认为，光在行进中遇到障碍物，与之相互作用而改变了原来的行进方向。一般把这种现象称作光的散射。用电磁波理论能够描述任意大小的物体对光的散射，并且散射光的方向也是任意的。不论是早期还是现在，用激光粒度仪测量颗粒大小时，都假设颗粒是圆球形的。如果再假设颗粒是均匀、各向同性的，那么就能用严格的电磁波理论推导出散射光场的严格解析解（称为“米氏（Mie）散射理论”）。 /p p style=" text-indent: 2em " 现在市面上的激光粒度仪绝大多数都采用Mie散射理论作为物理基础，因此把现在的激光粒度仪所用的物理原理说成是衍射方法是不准确的，甚至会被误认为是早期的建立在衍射理论基础上的仪器。 /p p style=" text-indent: 2em " 世界上第一台商品化激光粒度仪是1968年设计出来的。尽管当时Mie理论已经被提出，但是受限于当时计算机的计算能力，还难以用它快速计算各种粒径颗粒的散射光场的数值。所以当时的激光粒度仪都是用Fraunhofer衍射理论计算散射光场，这也是这种原理被说成激光衍射法的缘由。这种称呼一直延用到现在。不过现在国际上用“光散射方法”这个词的已经逐渐多了起来。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/d07b19f0-4c57-4748-9d53-229c65c56d4e.jpg" title=" 图1：颗粒光散射示意图.jpg" / /p p br/ /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " 颗粒光散射示意图 /p p style=" text-indent: 2em " 激光粒度仪是基于这样一种现象：当一束单色的平行光（激光束）照射到一个微小的球形颗粒上时，会产生一个光斑。这个光斑是由一个位于中心的亮斑和围绕亮斑的一系列同心亮环组成的。这样的光斑被称为“爱里斑（Airy disk）”，而中心亮斑的尺寸是用亮斑的中心到第一个暗环（最暗点）的距离计算的，又称为爱里斑的半径。爱里斑的大小和光强度的分布随着颗粒尺寸的变化而变化。一种传统并被业界公认的说法是：颗粒越小，爱里斑越大。因此我们可以根据爱里斑的光强分布确定颗粒的尺寸。当然，在实际操作中，往往有成千上万个颗粒同时处在照明光束中。这时我们测到的散射光场是众多颗粒的散射光相干叠加的结果。 /p p style=" text-indent: 2em " strong & nbsp 编者结： /strong 明了内功心法，下一步自然会渴望于掌握武功招式。本文深入浅出地介绍激光粒度仪的原理，激光粒度仪的结构自然是读者们亟待汲取的“武功招式”。欲得真经，敬请期待张福根博士系列专栏——激光粒度仪应用导论之结构篇。 /p p style=" text-indent: 0em text-align: right " （作者：张福根） /p

1. 什么是光散射现象？光线通过不均一环境时，发生的部分光线改变了传播方向的现象被称作光散射，这部分改变了传播方向的光称作散射光。宏观上，从阳光被大气中空气分子和液滴散射而来的蓝天和红霞到被水分子散射的蔚蓝色海洋，光散射现象本质都是光与物质的相互作用。2. 颗粒与光的相互作用微观上，当一束光照在颗粒上，除部分光发生了散射，还有部分发生了反射、折射和吸收，对于少数特别的物质还可能产生荧光、磷光等。当入射光为具有相干性的单色光时，这些散射光相干后形成了特定的衍射图样，米氏散射理论是对此现象的科学表述。如果颗粒是球形，在入射光垂直的平面上观察到称为艾里斑的衍射图样。颗粒散射激光形成艾里斑3. 激光粒度仪原理-光散射的空间分布探测分析艾里斑与光能分布曲线当我们观察不同尺寸的颗粒形成的艾里斑时，会发现颗粒的尺寸大小与中间的明亮区域大小一般成反相关。现代的激光粒度仪设计中，通过在垂直入射光的平面距中心点不同角度处依次放置光电检测器进行粒子在空间中的光能分布进行探测，将采集到的光能通过相关米氏散射理论反演计算，就可以得出待分析颗粒的尺寸了。这种以空间角度光能分布的测量分析样品颗粒分散粒径的仪器即是静态光散射激光粒度仪，由于测试范围宽、测试简便、数据重现性好等优点，该方法仪器使用最广泛，通常被简称为激光粒度仪。根据激光波长（可见光激光波长在几百纳米）和颗粒尺寸的关系有以下三种情况：a) 当颗粒尺寸远大于激光波长时，艾里斑中心尺寸与颗粒尺寸的关系符合米氏散射理论在此种情况下的近似解，即夫琅和费衍射理论，老式激光粒度仪亦可以通过夫琅和费衍射理论快速准确地计算粒径分布。b) 当颗粒尺寸与激光波长接近时，颗粒的折射、透射和反射光线会较明显地与散射光线叠加，可能表现出艾里斑的反常规变化，此时的散射光能分布符合考虑到这些影响的米氏散射理论规则。通过准确的设定被检测颗粒的折射率和吸收率参数，由米氏散射理论对空间光能分布进行反演计算即可得出准确的粒径分布。c) 当颗粒尺寸远小于激光波长时，颗粒散射光在空间中的分布呈接近均匀的状态（称作瑞利散射），且随粒径变化不明显，使得传统的空间角度分布测量的激光粒度仪不再适用。总的来说，激光粒度仪一般最适于亚微米至毫米级颗粒的分析。静态光散射原理Topsizer Plus激光粒度分析仪Topsizer Plus激光粒度仪的测试范围达0.01-3600μm，根据所搭配附件的不同，既可测量在液体中分散的样品，也可测量须在气体中分散的粉体材料。4. 纳米粒度仪原理-光散射的时域涨落探测（动态光散射）分析 对于小于激光波长的悬浮体系纳米颗粒的测量，一般通过对一定区域中测量纳米颗粒的不定向地布朗运动速率来表征，动态光散射技术被用于此时的布朗运动速率评价，即通过散射光能涨落快慢的测量来计算。颗粒越小，颗粒在介质中的布朗运动速率越快，仪器监测的小区域中颗粒散射光光强的涨落变化也越快。然而，当颗粒大至微米极后，颗粒的布朗运动速率显著降低，同时重力导致的颗粒沉降和容器中介质的紊流导致的颗粒对流运动等均变得无法忽视，限制了该粒径测试方法的上限。基于以上原因，动态光散射的纳米粒度仪适宜测试零点几个纳米至几个微米的颗粒。5.Zeta电位仪原理-电泳中颗粒光散射的相位探测分析纳米颗粒大多有较活泼的电化学特性，纳米颗粒在介质中滑动平面所带的电位被称为Zeta电位。当在样品上加载电场后，带电颗粒被驱动做定向地电泳运动，运动速度与其Zeta电位的高低和正负有关。与测量布朗运动类似，纳米粒度仪可以测量电场中带电颗粒的电泳运动速度表征颗粒的带电特性。通常Zeta电位的绝对值越高，体系内颗粒互相排斥，更倾向与稳定的分散。由于大颗粒带电更多，电泳光散射方法适合测量2nm-100um范围内的颗粒Zeta电位。NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪在一个紧凑型装置仪器中集成了三种技术进行液相环境颗粒表征，包括：利用动态光散射测量纳米粒径，利用电泳光散射测量Zeta电位，利用静态光散射测量分子量。6. 如何根据应用需求选择合适的仪器为了区分两种光散射粒度仪，激光粒度仪有时候又被称作静态光散射粒度仪，而纳米粒度仪有时候也被称作动态光散射粒度仪。需要说明的是，由于这两类粒度仪测量的是颗粒的散射光，而非对颗粒成像。如果多个颗粒互相沾粘在一起通过检测区间时，会被当作一个更大的颗粒看待。因此这两种光散射粒度仪分析结果都反映的是颗粒的分散粒径，即当颗粒不完全分散于水、有机介质或空气中而形成团聚、粘连、絮凝体时，它们测量的结果是不完全分散的聚集颗粒的粒径。综上所述，在选购粒度分析仪时，基于测量的原理宜根据以下要点进行取舍：a) 样品的整体颗粒尺寸。根据具体质量分析需要选择对所测量尺寸变化更灵敏的技术。通常情况下，激光粒度仪适宜亚微米到几个毫米范围内的粒径分析；纳米粒度仪适宜全纳米亚微米尺寸的粒径分析，这两种技术测试能力在亚微米附近有所重叠。颗粒的尺寸动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试胶体金颗粒直径，Z-average 34.15nmb) 样品的颗粒离散程度。一般情况下两种仪器对于单分散和窄分布的颗粒粒径测试都是可以轻易满足的。对于颗粒分布较宽，即离散度高/颗粒中大小尺寸粒子差异较大的样品，可以根据质量评价的需求选择合适的仪器，例如要对纳米钙的分散性能进行评价，关注其微米级团聚颗粒的含量与纳米颗粒的含量比例，有些工艺不良的情况下团聚的颗粒可能达到十微米的量级，激光粒度仪对这部分尺寸和含量的评价真实性更高一些。如果需要对纳米钙的沉淀工艺进行优化，则需要关注的是未团聚前的一般为几十纳米的原生颗粒，可以通过将团聚大颗粒过滤或离心沉淀后，用纳米粒度仪测试，结果可能具有更好的指导性，当然条件允许的情况下也可以选用沉淀浆料直接测量分析。有些时候样品中有少量几微米的大颗粒，如果只是定性判断，纳米粒度仪对这部分颗粒产生的光能更敏感，如果需要定量分析，则激光粒度仪的真实性更高。对于跨越纳米和微米的样品，我们经常需要合适的进行样品前处理，根据质量目标选用最佳质控性能的仪器。颗粒的离散程度静态光散射法Topsizer激光粒度仪测试两个不同配方工艺的疫苗制剂动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试疫苗制剂直径激光粒度仪测试结果和下图和纳米粒度仪的结果是来自同一个样品，从分布图和数据重现程度上看，1um以下，纳米粒度仪分辨能力优于激光粒度仪；1um以上颗粒的量的测试，激光粒度仪测试重现性优于纳米粒度仪；同时对于这样的少量较大颗粒，动态光散射纳米粒度仪在技术上更敏感（测试的光能数据百分比更高）。在此案例的测试仪器选择时，最好根据质控目标来进行，例如需要控制制剂中大颗粒含量批次之间的一致性可以选用激光粒度仪；如果是控制制剂纳米颗粒的尺寸，或要优化工艺避免微米极颗粒的存在，则选用动态光散射纳米粒度仪更适合。c) 测试样品的状态。激光粒度仪适合粉末、乳液、浆料、雾滴、气溶胶等多种颗粒的测试，纳米粒度仪适宜胶体、乳液、蛋白/核酸/聚合物大分子等液相样品的测试。通常激光粒度仪在样品浓度较低的状态下测试，对于颗粒物含量较高的样品及粉末，需要在测试介质中稀释并分散后测试。对于在低浓度下容易团聚或凝集的样品，通常使用内置或外置超声辅助将颗粒分散，分散剂和稳定剂的使用往往能帮助我们更好的分离松散团聚的颗粒并避免颗粒再次团聚。纳米粒度仪允许的样品浓度范围相对比较广，多数样品皆可在原生状态下测试。对于稀释可能产生不稳定的样品，如果测试尺寸在两者都许可的范围内，优先推荐使用纳米粒度仪，通常他的测试许可浓度范围更广得多。如果颗粒测试不稳定，通常需要根据颗粒在介质体系的状况，例如是否微溶，是否亲和，静电力相互作用等，进行测试方法的开发，例如，通过在介质中加入一定的助剂/分散剂/稳定剂或改变介质的类别或采用饱和溶液加样法等，使得颗粒不易发生聚集且保持稳定，大多数情况下也是可以准确评价样品粒径信息的。当然，在对颗粒进行分散的同时，宜根据质量分析的目的进行恰当的分散，过度的分散有时候可能会得到更小的直径或更好重现性的数据，但不一定能很好地指导产品质量。例如对脂质体的样品，超声可能破坏颗粒结构，使得粒径测试结果失去质控意义。d) 制剂稳定性相关的表征。颗粒制剂的稳定性与颗粒的尺寸、表面电位、空间位阻、介质体系等有关。一般来说，颗粒分散粒径越细越不容易沉降，因此颗粒间的相互作用和团聚特性是对制剂稳定性考察的重要一环。当颗粒体系不稳定时，则需要选用颗粒聚集/分散状态粒径测量相适宜的仪器。此外，选用带电位测量的纳米粒度仪可以分析从几个纳米到100um的颗粒的表面Zeta电位，是评估颗粒体系的稳定性及优化制剂配方、pH值等工艺条件的有力工具。颗粒的分散状态e) 颗粒的综合表征。颗粒的理化性质与多种因素有关，任何表征方法都是对颗粒的某一方面的特性进行的测试分析，要准确且更系统地把控颗粒产品的应用质量，可以将多种分析方法的结果进行综合分析，也可以辅助解答某一方法在测试中出现的一些不确定疑问。例如结合图像仪了解激光粒度仪测试时样品分散是否充分，结合粒径、电位、第二维利系数等的分析综合判断蛋白制剂不稳定的可能原因等。

激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS）是一种原子发射光谱。它利用高能量聚焦脉冲激光光束激发样品表面，对产生的原子光谱进行分析得到对应元素成分及含量。是一种快速、定性的分析手段。随着激光器以及光谱仪小型化技术的发展，轻便的手持LIBS光谱仪成为现实。其优势在于能将精密的分析仪器带到生产的一线，主要用于铁基、铝基、铜基、镍基等金属合金材料的现场牌号鉴别及合金元素成分的快速鉴定。手持LIBS光谱仪能对生产过程进行高速，高效的监控，完善企业质量管理体系，提高生产效率，是工业生产过程中的一个不可或缺的环节。 手持式LIBS激光诱导击穿光谱仪，它利用高能量聚焦脉冲激光光束激发样品表面，对产生的原子光谱进行分析得到对应元素成分及含量。是一种快速、定性的分析手段。随着激光器以及光谱仪小型化技术的发展，轻便的手持式光谱仪成为现实。其优势在于能将精密的分析仪器带到生产的一线，主要用于铁基、铝基、铜基、镍基等金属合金材料的现场牌号鉴别及合金元素成分的快速鉴定。手持LIBS光谱仪能对生产过程进行高速，高效的监控，完善企业质量管理体系，提高生产效率，是工业生产过程中的一个不可或缺的环节。 手持式LIBS激光诱导击穿光谱仪，其工作原理是利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品中的物质，并通过光谱仪获取被等离子体激发的原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。LIBS作为一种新的材料识别及定量分析技术，既可以用于实验室，也可以应用于工业现场的在线检测。在检测领域中，传统的原子吸收和发射光谱仍然占据主导地位，但其存在试剂消耗量大、检测元素受限，不能便携，难用于现场检测等缺点。由于LIBS技术具有快速直接分析，几乎不需要样品制备，可以检测几乎所有元素、同时分析多种元素，对样品表面风化、尘土层形成清洁，可实现逐层分析且可以检测几乎所有固态样品，远距离探测，适用于现场分析等，因而LIBS弥补了传统元素分析方法的不足，尤其在微小区域材料分析、镀层/薄膜分析、缺陷检测、珠宝鉴定、法医证据鉴定、粉末材料分析、合金分析等应用领域优势明显，同时，LIBS还可以广泛适用于石油勘探、水文和地质勘探、冶金和燃烧、制药、环境监测、科研、军事及国防、航空航天等不同领域的应用。

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

激光雷达是集激光、全球定位系统（GPS）、和IMU（惯性测量装置）三种技术于一身的系统，相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。随着科技的不断发展，激光雷达的应用越来越广泛，在机器人、无人驾驶、无人车等领域都能看到它的身影，有需求必然会有市场，随着激光雷达需求的不断增大，激光雷达的种类也变得琳琅满目，按照使用功能、探测方式、载荷平台等激光雷达可分为不同的类型。激光雷达类型图激光雷达按功能分类激光测距雷达激光测距雷达是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。传统上，激光雷达可用于工业的安全检测领域，如科幻片中看到的激光墙，当有人闯入时，系统会立马做出反应，发出预警。另外，激光测距雷达在空间测绘领域也有广泛应用。但随着人工智能行业的兴起，激光测距雷达已成为机器人体内不可或缺的核心部件，配合SLAM技术使用，可帮助机器人进行实时定位导航，实现自主行走。思岚科技研制的rplidar系列配合slamware模块使用是目前服务机器人自主定位导航的典型代表，其在25米测距半径内，可完成每秒上万次的激光测距，并实现毫米级别的解析度。激光测速雷达激光测速雷达是对物体移动速度的测量，通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，从而得到该被测物体的移动速度。激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定。这种方法系统结构简单，测量精度有限，只能用于反射激光较强的硬目标。另一类测速方法是利用多普勒频移。多普勒频移是指目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。激光成像雷达激光成像雷达可用于探测和跟踪目标、获得目标方位及速度信息等。它能够完成普通雷达所不能完成的任务，如探测潜艇、水雷、隐藏的军事目标等等。在军事、航空航天、工业和医学领域被广泛应用。大气探测激光雷达大气探测激光雷达主要是用来探测大气中的分子、烟雾的密度、温度、风速、风向及大气中水蒸气的浓度的，以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报的目的。跟踪雷达跟踪雷达可以连续的去跟踪一个目标，并测量该目标的坐标，提供目标的运动轨迹。不仅用于火炮控制、导弹制导、外弹道测量、卫星跟踪、突防技术研究等，而且在气象、交通、科学研究等领域也在日益扩大。按工作介质分类固体激光雷达固体激光雷达峰值功率高，输出波长范围与现有的光学元件与器件，输出长范围与现有的光学元件与器件(如调制器、隔离器和探测器）以及大气传输特性相匹配等，而且很容易实现主振荡器-功率放大器（MOPA）结构，再加上效率高、体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好等导体，固体激光雷达优先在机载和天基系统中应用。近年来，激光雷达发展的重点是二极管泵浦固体激光雷达。气体激光雷达气体激光雷达以CO2激光雷达为代表，它工作在红外波段 ，大气传输衰减小，探测距离远，已经在大气风场和环境监测方面发挥了很大作用，但体积大，使用的中红外 HgCdTe探测器必须在77K温度下工作,限制了气体激光雷达的发展。半导体激光雷达半导体激光雷达能以高重复频率方式连续工作，具有长寿命，小体积，低成本和对人眼伤害小的优点，被广泛应用于后向散射信号比较强的Mie散射测量，如探测云底高度。半导体激光雷达的潜在应用是测量能见度，获得大气边界层中的气溶胶消光廓线和识别雨雪等，易于制成机载设备。目前芬兰Vaisala公司研制的CT25K激光测云仪是半导体测云激光雷达的典型代表，其云底高度的测量范围可达7500m。按线数分类单线激光雷达单线激光雷达主要用于规避障碍物，其扫描速度快、分辨率强、可靠性高。由于单线激光雷达比多线和3D激光雷达在角频率和灵敏度反映更加快捷，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精 确。但是，单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定局限性。当前主要应用于服务机器人身上，如我们常见的扫地机器人。多线激光雷达多线激光雷达主要应用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，而且可以做到3D。目前在国际市场上推出的主要有 4线、8线、16 线、32 线和 64 线。但价格高昂，大多车企不会选用。按扫描方式分类MEMS型激光雷达MEMS 型激光雷达可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。MEMS整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到 2D 扫描模式。Flash型激光雷达Flash型激光雷达能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦，它运行起来比较像摄像头。激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。Flash LiDAR有它的优势，当然也存在一定的缺陷。当像素越大，需要处理的信号就会越多，如果将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。相控阵激光雷达相控阵激光雷达搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。目前大多数相控阵激光雷达还在实验室里呆着，而现在仍停留在旋转式或 MEMS 激光雷达的时代，机械旋转式激光雷达机械旋转式激光雷达是发展比较早的激光雷达，目前技术比较成熟，但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂，且各核心组件价格也都颇为昂贵，其中主要包括激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等。由于硬件成本高，导致量产困难，且稳定性也有待提升，目前固态激光雷达成为很多公司的发展方向。按探测方式分类直接探测激光雷达直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。相干探测激光雷达相干探测型激光雷达有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。按激光发射波形分类连续型激光雷达从激光的原理来看，连续激光就是一直有光出来，就像打开手电筒的开关，它的光会一直亮着（特殊情况除外）。连续激光是依靠持续亮光到待测高度，进行某个高度下数据采集。由于连续激光的工作特点，某时某刻只能采集到一个点的数据。因为风数据的不确定特性，用一点代表某个高度的风况，显然有些片面。因此有些厂家折中的办法是采取旋转360度，在这个圆边上面采集多点进行平均评估，显然这是一个虚拟平面中的多点统计数据的概念。脉冲型激光雷达脉冲激光输出的激光是不连续的，而是一闪一闪的。脉冲激光的原理是发射几万个的激光粒子，根据国际通用的多普勒原理，从这几万个激光粒子的反射情况来综合评价某个高度的风况，这个是一个立体的概念，因此才有探测长度的理论。从激光的特性来看，脉冲激光要比连续激光测量的点位多几十倍，更能够精确的反应出某个高度风况。按载荷平台分类机载激光雷达机载激光雷达是将激光测距设备、GNSS设备和INS等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的三维信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。在军民用领域都有广泛的潜力和前景。机载激光雷达探测距离近，激光在大气中传输时，能量受大气影响而衰减，激光雷达的作用距离在20千米以内，尤其在恶劣气候条件下，比如浓雾、大雨和烟、尘，作用距离会大大缩短，难以有效工作。大气湍流也会不同程度上降低激光雷达的测量精度。车载激光雷达车载激光雷达又称车载三维激光扫描仪，是一种移动型三维激光扫描系统，可以通过发射和接受激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用收集的目标对象表面大量的密集点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出目标的三维模型及各种图件数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。车载激光雷达在自动驾驶“造车”大潮中扮演的角色正越来越重要，诸如谷歌、百度、宝马、博世、德尔福等企业，都在其自动驾驶系统中使用了激光雷达，带动车载激光雷达产业迅速扩大。地基激光雷达地基激光雷达可以获取林区的3D点云信息，利用点云信息提取单木位置和树高，它不仅节省了人力和物力，还提高了提取的精度，具有其它遥感方式所无法比拟的优势。通过对国内外该技术林业应用的分析和对该发明研究后期的结果验证，未来将会在更大的研究区域利用该技术提取各种森林参数。星载激光雷达星载雷达采用卫星平台，运行轨道高、观测视野广，可以触及世界的每一个角落。为境外地区三维控制点和数字地面模型的获取提供了新的途径，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大意义。星载激光雷达还具有观察整个天体的能力，美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载激光雷达，其所提供的数据资料可用于制作天体的综合三维地形图。此外，星载激光雷达载植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。通过以上对激光雷达特点、原理、应用领域等介绍，相信大家也能大致了解各类激光雷达的不同属性了，眼下，在激光雷达这个竞争越来越激烈的赛道上，打造低成本、可量产、的激光雷达是很多新创公司想要实现的梦想。但开发和量产激光雷达并不容易。丰富的行业经验和可靠的技术才能保障其在这一波大潮中占据主导地位。

浅谈在线激光氧分析技术在石化行业的应用 —— 杜伯会 陈永华 张永茂 2023.6.4（杜伯会，山东省产品质量检验研究院 正高级工程师）摘要：本文主要阐述目前石化行业在线氧分析技术方案状况，分析比较各方案的特点，以及常规应用场景等。重点阐述在线激光氧分析仪的一些特点特性，随着其技术应用方案方法日趋成熟，应用场景将更加丰富。从经济性角度和使用易维护角度看，在线激光氧分析仪的技术方案将会越来越被更多的选择。最后，对在线激光氧分析技术做了市场展望，并提出相关问题和思考。关键词： 在线激光氧分析仪；石化行业；应用；标准一、在线氧分析仪介绍在线氧分析仪是一种工业过程分析仪表，主要用于各种工业过程混合气体中氧含量检测，多应用于石油、空分、化工流程、磁性材料、高温烧结炉保护气体、电子行业保护性气体以及玻璃、建材行业等行业。根据不同的工况工艺，有不同原理的氧分析仪，具体可分为：电化学式氧分析仪（又名燃料电池法氧分析仪）、氧化锆氧分析仪、磁氧分析仪（又名顺磁氧分析仪。顺磁氧的，又分机械顺磁氧和热顺磁氧）、激光式氧分析仪。测量形式有便携式的和在线式的，测量范围有常量的和微量的，不同的气体介质，不同的应用工况条件，不同的技术要求，不同的应用环境下，选用不同原理的氧分析仪方案，各自有着不同的优缺点。1.1 电化学氧分析仪电化学氧气分析仪的核心元件是一个电化学氧气传感器。常见的电化学氧气传感器由一个传感电极（或工作电极）和一个对电极组成，两个电极间有一层薄薄的电解液。要检测的气体先通过一个小的毛细口传感器，然后通过一个疏水膜扩散进入，最终到达电极表面。传感器的结构设计保证会有适量的气体进入与感应电极反应产生足够的电信号，并同时防止电解液泄漏出传感器。通过疏水膜扩散进入传感器里的气体在感应电极发生氧化/还原反应，电极间连接一个电阻，这样，阴极和阳极间会产生一个与氧浓度成正比的电流。通过检测这个电流，就反应出气体中的氧浓度。电化学氧分析仪优点：相对来说通用性好；价格适中；测量精度、准确度较好。电化学氧分析仪缺点：传感器温度范围小，压力不能高，传感器寿命短（化学原理有消耗性），电解液一直在消耗，随着电解液的消耗，仪表会有漂移，稳定性变差；传感器容易受其它气体影响（如腐蚀性气体）。 1.2 氧化锆氧分析仪氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷，一种具有离子导电性质的固体。在常温下为单斜晶体，当温度升高到一定温度时，晶型转变为立方晶体，同时约有7%的体积收缩；当温度降低时，又变为单斜晶体。若反复加热与冷却，氧化锆就会破裂。因此，纯净的氧化锆不能用作测量元件。如果在氧化锆中加入一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O）作稳定剂，再经过高温焙烧，则变为稳定的氧化锆材料，这时，四价的锆被二价的钙或三价的钇置换，同时产生氧离子空穴，所以氧化锆属于阴离子固体电解质。氧化锆主要通过空穴的运动而导电，当温度达到600℃以上时，氧化锆就变为良好的氧离子导体。在氧化锆电解质的两面各烧结一个铂电极，当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧分压高的一侧的氧以离子形式向氧分压低的一侧迁移，结果使氧分压高的一侧铂电极失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电极得到电子显负电，因而在两铂电极之间产生氧浓差电势。此电势在温度一定时只与两侧气体中氧气含量的差（氧浓差）有关。若一侧氧气含量已知（如空气中氧气含量为常数），则另一侧氧气含量（如烟气中氧气含量）就可用氧浓差电势表示，测出氧浓差电势，便可知道烟气中氧气含量。因为氧化锆的耐高温特性，其多应用于温度条件相对较高的工况（窑炉、锅炉）。氧化锆氧分析仪优点：不受检测气体温度高的影响（氧化锆氧量分析仪耐高温）；通过不同导流管可检测各种温度气体中的氧含量；适用于温度较高的工况。氧化锆氧分析仪缺点：采样气体杂质较多时，有可能堵塞采样管；多孔铂电极易受到被测气体中的腐蚀性气体腐蚀而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长；1.3 顺磁氧分析仪任何物质，在外界磁场的作用下，都会被磁化，呈现出一定的磁特性。物质在外磁场中被磁化，其本身会产生一个附加磁场，附加磁场与外磁场方向相同，该物质被吸引，表现为顺磁性；方向相反，该物质被排斥，表现为逆磁性。气体介质处于磁场也会被磁化，而且根据气体的不同也分别表现出顺磁性或逆磁性。如O2、NO、NO2等是顺磁性气体，H2、N2、CO2、CH4等是逆磁性气体。体积磁化率——任何物质，在外界磁场的作用下，都会被磁化，不同物质受磁化的程度不同，可以用磁化强度M来表示。顺磁式氧分析仪，是根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多，在磁场中具有极高的顺磁特性的原理制成的一种测量气体中含氧量的分析仪器。 顺磁式氧分析仪也可叫做磁效应式氧分析仪、或磁式氧分析仪，我们通常通称为磁氧分析仪。它一般分为磁机械式、磁压力式和氧热磁对流式分析仪三种。1.4 激光氧分析仪激光氧分析仪原理：在光谱学上，通过气体吸收谱线的构成，可以分辨物质的组分。自然界中，每种气体都会吸收特定波长的光，当光谱发射的特定波长光束在穿透测量管时，被测气体通过选频吸收，从而导致被吸收光强度产生衰减，输出光将减弱或缺失这部分波长成分，系统利用不同气体成分对应不同的特征吸收谱线及气体浓度和红外或激光吸收光谱之间存在的对应关联，再通过检测吸收谱线的吸收大小（即光强度衰减信息）就可以获得被测气体的浓度。如图 1-1。图 1-1二、在线激光氧分析应用技术介绍2.1、在线激光氧按安装工艺分类2.1.1对射式激光技术介绍如图 2-1所示，对射式激光检测分析技术是指安装在待检装置的两端，一端是发射端，一端是接收端，激光穿过待检样的检测监测方法。图 2-12.1.2 产品特点（1）发射单元和接收单元信号对接要求高适用于较大管径的原位场所；但是管径过大会导致发射光和接收管在一致性的保障增加难度，同时距离大小也对激光光源的发散程度会有影响，导致检测信号检测不到。（2）原位取样安装在监测点位置选择合适点位。（3）耐高温通过安装隔热措施，可以将检测点装置的高温隔离，对设备进行保护。同时，激光发射和接收器是检测现场待测样的光谱信息，使检测设备不受现场温度影响。2.1.3 反射式激光技术介绍如图 2-2所示，是一种运用固态激光光源的非接触式测量方式。在化工、石化和炼化行业，利用可调谐二极管分析仪进行检测和监测，其具有高度可靠，维护量小，成本低等优点被越来越多选用气体分析。通过自身光源对镜面反射回来的信号检测分析，一致性有保障，光源不受污染物和腐蚀气体的影响。低浓度气体样本，通过增加激光器的功率来增强对气体的分辨率。图 2-22.1.4 选用特点安装方式为插入式单侧安装或取样式。对管径要求不能太大，否则取样信号的完整性很难保障；对温度要求范围不能太高，否则由于温度对检测设备的影响难以控制，对设备的稳定性和准确性都将影响；对待测对象的粘度要求，粘度太大容易污染检测单元，导致数据失真。2.1.5 抗污染源的应对措施考虑双层防护，重点考虑防尘防腐防爆措施；内层防护层采用特氟龙材料，具有通气性和对大分子的阻隔性如水分子等；外层特制不锈钢材质保护，具有耐压防冲击的特征。2.2 在线激光氧分析技术与其它方案比较分析在线激光氧分析技术与其它氧分析技术相比，具有安装方便简单、快速响应结果、后期使用维护量少、耗材量少、故障率低、寿命长等特点。从工况要求角度分析，在线激光氧分析技术使用工况范围广，原位检测。2.3 在线激光氧分析技术应用时，选择产品需要注意的一些事项防爆性能识别要求；防腐性能识别要求；防潮性能要求；防尘性能。2.4 安装时对检测现场工况注意事项安装位置的选择；安装结构形式设计方案。对射式需要对较粗管径的检测监测，管径太细路径太短容易造成检测信号不识别，对工况的温度环境要求不高；反射式原位检测适用管径相对较细的管路监测，检测路径往返固定，通过自身的对检测信号浓度识别换算和折算，进行判断。根据待测管径大小又可分为取样式（管径极小的待测气体样品）和插入式管径略大的工况。对环境温度要求不大于80度为佳，另外对待检测样品的粘度有一定要求，如果粘度过大，不能冲洗掉就会粘贴到检测器表面，从而使仪器失灵。因而，不适宜粘度过大的样品。另外，由于插入到检测管路中，需要定期检查和清洗，以免有过多的异物粘贴到检测器表面导致数据失灵。维保时间可根据样品的粘度情况制定，一般以3到6个月为宜。定期检查和清洗维护是必须和必要的。三、目前石化行业在线激光氧分析设备技术应用分析3.1 应用领域在线激光氧分析设备应用领域包括：石油、石化、煤化工等；天然气、合成气；半导体制造业；气体纯度；化学反应监测；纯碳氢化合物气流监测；可燃液体、原液给料的保护气氛；乙烯、丙烯、丁二烯、橡胶基和VCM生产的过程监测；尾气排放检测；储罐气体检测。3.2 石化行业工艺路线图石油化工行业生产工艺路线如图 3-1所示。图 3-13.3 在线氧分析技术在石化行业应用领域常关注的监测项目在线氧分析技术在石化行业应用领域常关注的监测项目，见表3-1。表3-13.4 小结在线激光氧分析技术以其结构简单方便、快捷检测、易维护、经济、性价比高等优点，被广大用户更多关注。应用领域也在不断的被创新发展，不断进步和认知成熟，光纤技术和仪器设备硬件的品质不断提升，是其快速发展的基础；大数据库信息系统的建立完善发展是其走向成熟应用有力保障。四、市场展望与问题思考4.1 市场展望随着社会对环保排放意识增强，对企业生产过程中所产生的影响环境空气质量和设备安全的一些关键性气体指标检测监测越来越被重视起来，同时，随着工业化的快速发展，工业企业向大型化规模化发展，安全保障措施要求不断提升，在线激光氧分析技术的使用将会越来越广泛。4.2 问题思考目前在线激光氧分析技术没有标准方法可参照。一项技术的应用成熟与否，其对应的方法标准也要不断归纳、建立、推出，以标准进行客观评价和评判。在线氧分析技术应用越来越广泛，在线激光氧分析技术所对应的应用方法标准有待研究和总结建立。

激光诱导击穿光谱（LIBS）是一项利用高度聚焦激光器烧蚀材料表面来测定材料化学成分的分析技术。LIBS 是用于材料验证计划中的质量控制（QC）和材料可靠性鉴别（PMI）的重要技术，尤其适用于钢铁行业。大多数手持式 LIBS 分析仪采用 1064nm 波长脉冲激光器。高能量短脉冲（纳秒）在单位面积产生的功率足以烧蚀少量材料（大约一纳克）并在样品表面产生等离子体。Thermo ScientificTM NitonTM ApolloTM手持式 LIBS 分析仪来自等离子体的光是多色的（白光），这意味着它包含多个不同的波长。白光被衍射光栅分成组分波长，其原理与白光穿过棱镜被分成各种颜色的彩虹大致相同。不同元素会发出特定波长的光，光的强度与元素浓度成正比。光谱仪可测量特定波长下发射的光子数量，并生成样品光谱。它通过测量关注元素的典型峰，并生成浓度指示结果。Thermo ScientificTM NitonTMApolloTM手持式 LIBS 分析仪用于测量每个元素的波长线的光谱仪，在机械尺寸方面必须高度稳定。鉴于铁谱中有数千条密集的发射线，必须将测量窗口保持在精确的绝对波长范围内，这对于避免附近线的干扰至关重要，否则这些干扰可能会漂移到分析窗口中，而所需线的信号会从窗口中漂移出来。如果产品不具有坚如磐石的尺寸稳定性，这种情况就会发生。光谱仪支架材料的尺寸会随温度变化而稍有变化。这会导致读数出现误差。 Thermo ScientificTM NitonTM ApolloTM手持式 LIBS 分析仪大多数手持式 LIBS 分析仪均采用 Invar-36 光谱仪支架。Invar 是一种 36% 镍铁合金，在室温至大约 230°C 的温度范围内，具有所有金属和合金中最低的热膨胀（来源：AZO 材料）。Thermo Scientific

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。

激光外差干涉技术在光刻机中的应用 张志平*，杨晓峰 复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203摘要 超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。关键词 光刻机；外差干涉；双频激光干涉仪；平面光栅1 引言集成电路产业是国家经济发展的战略性、基础性产业之一，而光刻机则被誉为集成电路产业皇冠上的明珠［1］。作为光刻机三大指标之一的套刻精度，是指芯片当中上下相邻两层电路图形的位置偏差。套刻精度必须小于特征图形的1/3，比如14 nm节点光刻机的套刻精度要求小于5.7 nm。影响套刻精度的重要因素是工件台的定位精度，而工件台定位精度确定的前提则是超精密位移测量反馈，因此超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一［2-4］。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对位置测量精度的需求也不断提高；同时，为了满足光刻机产率不断提升的需要，掩模台扫描速度也在不断提高，甚至达到 3 m/s 以上；此外，为了满足大尺寸平板显示领域的需求，光刻机工件台的尺寸和行程越 来越大，最大已达到 1. 8 m×1. 5 m；最后，为了获得工件台和掩模台良好的同步性能，光刻机还要求位置测量系统具备多轴同步测量的功能，采样同步不确定性优于纳秒级别［5-8］。 综上，光刻机要求位置测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程、数米每秒测量速度、闭环反馈以及多轴同步等特性。目前，在精密测量领域能同时满足上述测量要求的，只有外差干涉测量技术。 本文分别介绍外差干涉测量技术原理及其两 种具体结构——双频激光干涉仪和平面光栅测量系统，以及外差干涉技术在光刻机中的典型应用。 2 外差干涉原理 2. 1 拍频现象 外差干涉又称为双频干涉或者交流干涉，是利用“拍频”现象，在单频干涉的基础上发展而来的一 种干涉测量技术。 假设两列波的方程为 x1 = A cos ω1 t ， （1） x2 = A cos ω2 t 。 （2） 叠加后可表示为（3）拍频定义为单位时间内合振动振幅强弱变化 的次数，即 v =| (ω2 - ω1)/2π |=| v 2 - v 1 | 。 （4） 波 x1、x2 以及合成后的波 x 如图 1 所示，其中包 络线的频率即为拍频，也称为外差频率。如果其中一个正弦波的相位发生变化，拍频信号的相位会发生完全相同的变化，即外差拍频信号将完整保留原始信号的相位信息。 图 1. 拍频示意图Fig. 1. Beat frequency diagram对于激光而言，因为频率很高（通常为 1014 Hz 量级），目前的光电探测器无法响应，但可以探测到两束频率相近的激光产生的拍频（几兆到几十兆赫兹）。因此拍频被应用到激光领域，发展成激光外差干涉技术。2. 2 外差干涉技术 由拍频原理可知 ，所谓外差就是将要接收的信号调制在一个已知频率信号上，在接收端再将该调制信号进行解调。由于高频率的激光信号相位变化难以精确测量，但利用外差干涉技术可以用低频拍频信号把高频信号的 相位变化解调出来，将大大降低后续精确鉴相的难度。因此，外差技术最显著的特点就是信号以交流的方式进行传输和处理。 与单频干涉技术相比，外差干涉技术的突出优点是：1）由于被测对象的相位信息是加载在稳定的差频（通常几兆到几十兆赫兹）上，因此光电探测时避过了低频噪声区，提高了光电信号的信噪比。例如在外界干扰下，测量光束光强衰减 50% 时，单频干涉仪很难正常工作，而外差干涉仪在光强衰减 90% 时仍能正常工作 ，因此更适用于工业现场 。 2）外差干涉可以根据差频信号的增减直接判别运动方向，而单频干涉技术则需要复杂的鉴相系统来 判别运动方向。单频干涉技术与外差干涉技术对比如表 1 所示。表 1. 单频干涉技术与外差干涉技术对比Table 1. Comparison between homodyne interferometry and heterodyne interferometry3双频激光干涉仪 3. 1 双频激光干涉仪原理 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上结合外差干涉技术发展起来的，其原理如图 2 所 示。双频激光器发出两列偏振态正交的具有不同频率的线偏振光，经过偏振分光器后光束被分离。 图 2. 双频激光干涉仪原理图Fig. 2. Schematic diagram of dual frequency laserinterferometer设两束激光的波动方程为 E1 = E R1 cos ( 2πf1 t ) E2 = E R2 cos ( 2πf2 t ) ， （5） 式中：ER1和 ER2为振幅；f1和 f2为频率。 偏振态平行于纸面的频率为 f1 的光束透过干涉仪后，被目标镜反射回干涉仪。当被测目标镜移动时，产生多普勒效应，返回光束的频率变为 f1 ± Δf， Δf 为多普勒偏移量，它包含被测目标镜的位移信息。经过干涉镜后，与频率为 f2 的参考光束会合，会合后光束发生拍频，其光强 IM函数为 （6） 式（6）包含一个直流量和一个交流量，经光电探测器转换为电信号，再进行放大整形后，去除直流量，将交 流量转换为一组频率为 f1 ± Δf- f2的脉冲信号。从双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的脉冲信 号，作为后续电路处理的基准信号。测试板卡采用减法器通过对两列信号的相减，得到由于被测目标 镜的位移引起的多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为 （7） 式中：λ 为激光的波长；N 为干涉的条纹数。因此， 只要测得条纹数，就可以计算出被测物体的位移。 3. 2 系统误差分析 双频激光干涉仪的系统误差大致由三部分组成：仪器误差、几何误差以及环境误差，如表 2 所示。 三种误差中，仪器误差可控制在 2 nm 以内；几何误 差可以通过测校进行动态补偿，残差可控制在几纳米以内；环境误差的影响最大，通常可达几十纳米到几微米量级，与测量区域的环境参数（温度、压 力、湿度等）有关，与量程几乎成正比，因此大量程测量时，需要对环境参数进行控制。 表 2. 双频激光干涉仪系统误差分解Table 2. System error of dual frequency laser interferometer4 平面光栅测量系统 双频激光干涉仪在大量程测量时，精度容易受 温度、压力、湿度等环境因素影响，研究者们同样基于外差干涉原理研发了平面光栅测量系统，可克服双频激光干涉仪的这一缺点。 4. 1 基于外差干涉的光栅测量原理 众所周知 ，常规的光栅测量是基于叠栅条纹的，具有信号对比度差、精度不高的缺点。基于外差干涉的光栅测量原理如图 3 所示，双频激光器发出频率 f1 和 f2 的线偏振光，垂直入射到被测光栅表面，分别进行+1 级和−1 级衍射，衍射光经过角锥反射镜后再次入射至被测光栅表面进行二次衍射， 然后会合并沿垂直于光栅表面的方向返回。由于被测光栅与光栅干涉仪发生了相对运动，因此，返回的激光频率变成了 f1 ± Δf和 f2 ∓ Δf，其中 Δf为多 普勒频移量，它包含被测目标镜的位移信息。 图 3. 基于外差干涉的光栅测量原理Fig. 3. Principle of grating measurement based on heterodyne interference会合后的光束 f1 ± Δf 和 f2 ∓ Δf 发生拍频，其频率为 ( f1 ± Δf ) - ( f2 ∓ Δf ) = ( f1 - f2 ) ± 2Δf。（8） 式（8）的信号与双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的 参考信号相减，得到多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为（9） 式中 ：p 为光栅的栅距 ；N 为干涉的条纹数 。 因此，只要测得条纹数 ，就可以计算出被测物体的位移。 上述原理推导是基于一维光栅刻线的，只能测量一维运动。为了获得二维测量，只需将光栅的刻线由一维变成二维（即平面）即可。 4. 2 两种测量系统优缺点对比 由此可知，基于外差干涉的光栅测量原理与双频激光干涉仪几乎完全相同，主要的差别是被测对象由反射镜换成了衍射光栅。两种测量系统的优缺点如表 3 所示。表 3. 双频激光干涉仪与光栅测量系统对比Table 3. Dual frequency laser interferometer versus gratingmeasurement system5外差干涉测量在光刻机中的应用 发展至今，面向 28 nm 及以下技术节点的步进扫描投影式光刻机已成为集成电路制造的主流光刻机。作为光刻机的核心子系统之一的超精密工件台和掩模台，直接影响着光刻机的关键尺寸、套刻精度、产率等指标。而工件台和掩模台要求具有高速、高加速度、大行程、超精密、六自由度（x、y 大 行程平动，z 微小平动，θx、θy、θz微小转动）等运动特点，而实现这些运动特点的前提是超精密位移测量反馈。因此，基于外差干涉技术的超精密位移测量子系统已经成为光刻机不可或缺的组成部分。 4. 光刻机中的多轴双频激光干涉仪［10］Fig. 4. Multi-axis dual frequency laser interferometer in lithography machine[10]图 4 为典型的基于多轴双频激光干涉仪的光刻机工件台系统测量方案［10］，在掩模台和硅片台的侧面布置多个多轴激光干涉仪，对应地在掩模台和硅 片台上安装长反射镜；通过多个激光干涉仪的读数解算出掩模台和硅片台的六自由度位移。 然而，随着测量精度、测量行程、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪由于测量精度易受环境影响、长反射镜增加运动台质量致使动态性能差等问题难以满足日益提升的测量需求。因 此，同样基于外差干涉技术的平面光栅测量系统成为了另一种选择［8］。 光刻机工件台平面光栅测量技术首先由世界光刻机制造巨头 ASML 公司取得突破。该公司于 2008 年 推 出 的 Twinscan NXT：1950i 浸 没 式 光 刻机，采用了平面光栅测量技术对 2 个工件台的六自 由度位置进行精密测量。如图 5 所示，该方案在主基板的下方布置 8 块大面积高精度平面光 栅（约 400 mm×400 mm），在两个工件台上分别布置 4 个 平面光栅读数头（光栅干涉仪），当工件台相对于平 面光栅运动时，平面光栅读数头即可测出工件台的 运动位移［2，5，9］。图 5. ASML 光刻机的平面光栅测量方案［2，5，9］Fig. 5. Plane grating measurement scheme of ASML lithography machine[2,5,9]相比多轴双频激光干涉仪测量方案，平面光栅测量方案具有以下优点：1）测量光路短（通常小于 20 mm），因此测量重复精度和稳定性对环境变化不 敏感；2）工件台上无需长反射镜，因此质量更轻、动态性能更好。 然而，平面光栅测量方案也有其缺点：1）大面积高精度光栅制造难度太大；2）由式（9）可知，位移 测量结果以栅距 p 为基准，然而受栅距均匀性限制， 测量绝对精度不高。为了获得较好的精度和线性度，往往需要利用双频激光干涉仪进行标定。 面临极端测量需求的挑战 ，Nikon 公 司 在 NSR620D 光刻机中采用了平面光栅和双频激光干涉仪混合测量的技术方案［9］，如图 6 所示。该方案 将平面光栅安装在工件台上表面，而将光栅读数头安装在主基板下表面，同时增加了双频激光干涉仪，结合了平面光栅测量系统和双频激光干涉仪的 优点。在读头与读头切换时采用双频激光干涉仪进行在线校准。 图 6. Nikon光刻机混合测量方案［9］Fig. 6. Hybrid measurement scheme of Nikon lithography machine [9]6激光外差干涉系统的发展趋势 无论是双频激光干涉仪还是平面光栅测量系统，要想获得纳米级测量精度，既需要提高测量系统本身的精度，更需要从使用的角度努力，即“三分 靠做，七分靠用”。 就激光外差干涉测量系统本身而言，误差源主要来自于光学非线性误差。在外差干涉测量系统 中，由于光源及光路传输过程各光学器件性能不理想或装调有偏差，会带来两个频率的光混叠现象， 即原本作为测量信号频率 f1（或 f2）的光中混杂了频 率 f2（或 f1）的光，或原本作为参考信号频率 f2（或 f1） 的光中混杂了频率 f1（或 f2）的光。在信号处理中该混叠的频率信号会产生周期性的光学非线性误差。尽管目前主流的双频激光干涉仪厂家已经将非线性误差控制在 2 nm 以内［10- 12］，但应用于 28 nm 以下光刻机时仍然需要进一步控制该误差。国内外众多学者从非线性误差来源、检测和补偿等角度出发，进行了大量研究并取得了丰硕成果［13- 17］。这些成果有望对非线性误差的动态补偿提供理论支持。 从应用角度，研究热点主要集中在应用拓展、 安装误差及其测校算法、环境参数控制及其补偿方法研究等方面。在应用拓展方面，激光外差干涉技术除了应用于测长之外，还在小角度测量、直线度、平面度、反馈测量等方面取得了应用［18- 20］。在安装误差和环境误差补偿算法方面，主要聚焦于多自由度解耦算法、大气扰动补偿等研究方向［4，21- 27］。 7 总结 阐述了光刻机对位移测量系统大量程、亚纳米 分辨率、纳米精度、高测速及多轴同步的苛刻要求。 概述了激光外差干涉技术原理，指出目前为止，激光外差干涉技术是唯一能满足光刻机上述要求的超精密位移测量技术。并综述了两种基于激光外差干涉技术的测量系统：双频激光干涉仪和平面光栅测量系统。总结了这两种位移测量系统在光刻机中的典型应用，以及激光外差干涉技术的当前研究热点和发展趋势。全文详见：激光外差干涉技术在光刻机中的应用.pdf

美国西北大学的研究人员研制出了一种小型中红外激光二极管，其转换效率超过50%。有关报道称这一成果是量子级联激光器(QCL)研究的重大突破，使量子级联激光器向多个领域的实际应用，包括对危险化学品的远程探测，迈出了重要一步。相关研究成果刊发在最近的《自然—光子学》(Nature Photonics)杂志网络版上。 　　量子级联激光器是一种发光机制异于传统半导体激光器的新型二极管激光器，根据量子力学原理设计，其发光波长可覆盖中红外区域。与传统的二极管激光器不同，量子级联激光器是单极器件，仅需电子即可运作，利用电子在一维量子化的导带间的跃迁来实现发光。经过多年的研究和工业化开发，现代近红外(波长在1微米左右)激光二极管的转换效率已接近极值，而中红外(波长大于3微米)激光二极管却很难达到效率极值。先前的报道认为，即使冷却到低温状态，高效量子级联激光器的转换效率也不会高于40%。 　　美国西北大学量子器件研究中心(CQD)的研究人员通过优化激光器设备的材料质量，在量子级联激光器效率方面取得了突破性进展。他们剔除了在低温条件下激光器操作中非必要的设计元素，研制出的新型激光器在温度冷却到40开尔文时，4.85微米波长光的转换效率达到了53%。 　　该研究小组的领导者、美国西北大学麦考密克工程与应用科学学院电气工程和计算机科学教授玛尼杰拉泽吉认为，这种高效激光器的问世是一个重大突破，这是科学家们首次使激光器发出的光能超过热能。她强调，激光器的转换效率突破50%这个门槛，是一个里程碑式的成就。 　　报道称，提高转换效率依然是目前激光器研究的首要目标。而新型设备所展现的高效率，可大大扩展量子级联激光器的功率标定范围。最近的研究表明，伴随着量子级联激光器的广泛发展，单体脉冲激光器的输出功率已高达120瓦特，而在一年前，只有34瓦特。 　　该研究得到了美国国防部高级研究计划局高效中红外激光器(EMIL)项目和美国海军研究所的共同资助。

小角激光散射仪 PP-1000 PP-1000小角激光散射仪利应用了小角光激光光散射法（Small Angle Laser Scattering，简称SALS），可以对高分子材料和薄膜进行原位检测，实时解析。与SAXS和SANS的装置相比，检测范围更广。利用偏光板的Hv散射测量可以进行光学各向异性的评价，解析结晶性胶片的球晶半径，Vv散射测量可以进行聚合物混合的相关距离的分析。 特点l 0.33 ~ 45°散射角度的测量,最短测试时间10 毫秒l 检测范围0.1μm ~数十微米l 可以在专用溶液单元中测量溶液样本l Hv散射，Vv散射测量可以在软件上轻松切换 用途l 高分子材料评价→结晶性胶片结晶化温度、球晶直径、结晶化速度配光、光学异方性→聚合物混合相分离过程和相关距离(分散度)→高分子凝胶三维架桥结构的大小→树脂热硬化树脂和UV硬化树脂的硬化速度 l 粒子物性评价粒子直径，凝聚速度 检测原理 小角激光散射仪由光源、偏振系统、样品台和记录系统组成。单色激光照射到样品时发生散射现象，散射光投射到屏幕上并被拍摄下来，得到样品的散射条纹图。操作过程：1．在样品台上放置样品。2．根据想要测量的对象调整检偏片。3．来自样品的散射图案会被相机记录下来。 当起偏片与检偏片的偏振方向正交时，得到的光散射图样叫做Hv散射；当起偏片与检偏片的偏振方向均为垂直方向时，得到的光散射图样叫做Vv散射。从这些散射图形中可以获取球晶半径、相分离结构、分散相颗粒平均粒径、配向状态等信息。l Hv散射 球晶半径解析：R = 4.09 / qmax(R:球晶半径，qmax:散射光强度最大的散射向量) q = 4πn/λsin(θ/ 2)(q:散射向量, λ:介质中的波长，n:样品折射率，θ:散射角) l Vv散射 对聚合物混合的相分离过程的评价连续相与分散相的大小，分散相颗粒平均粒径（分散度）粒子直径的评价相分离构造与相关距离检测 技术参数 应用案例 l PVDF球晶半径分析 溶融温度230℃結晶化温度160℃PP-1000散射图样 偏光显微镜图样 各时间45°方向的散射向量提取 球晶半径计算创新点：1.0.33 ~ 45° 散射角度的测量,最短测试时间10 毫秒 2.检测范围0.1μ m ~数十微米 3.可以在专用溶液单元中测量溶液样本 4.Hv散射，Vv散射测量可以在软件上轻松切换 大塚电子小角激光散射仪PP-1000

热变形维卡软化点温度测定仪是一种用于测量材料在高温环境下的热变形和软化点的实验设备。这种设备在质量控制、材料科学、塑料工业等领域都有广泛的应用。本文将详细介绍热变形维卡软化点温度测定仪的原理、结构、操作方法以及可能出现的误差和处理方法。和晟 HS-XRW-300MA 热变形维卡软化点温度测定仪热变形维卡软化点温度测定仪主要由加热装置、测试系统和测量仪器等组成。加热装置包括电炉、热电偶和加热炉壳等部分，用于提供高温环境。测试系统包括试样、加载装置和位移传感器等，用于测量材料的热变形和软化点。测量仪器则是用于记录和显示测量数据的设备。操作热变形维卡软化点温度测定仪需要遵循一定的步骤和注意事项。首先，选择合适的试样和试剂，确保试样在高温环境下能够充分软化和变形。其次，将试样放置在加热装置中，并使用加载装置施加一定的压力。然后，逐渐升高温度，并记录试样的变形量和温度变化。最后，通过测量仪器输出测量结果，并进行数据处理和分析。在使用热变形维卡软化点温度测定仪时，可能会出现一些误差。例如，由于加热不均匀或加载压力不一致，可能会导致测量结果出现偏差。此外，由于试样本身的性质和制备方法也会对测量结果产生影响。因此，在进行测量时，需要采取一些措施来减小误差，例如多次测量取平均值、选择合适的加热方式和加载压力等。热变形维卡软化点温度测定仪的测量结果可以反映材料在高温环境下的性能和特点。因此，正确理解和使用测量结果是至关重要的。在实践中，需要根据具体的实验条件和要求，选择合适的测定仪器和试剂，并严格按照操作规程进行测量。同时，需要充分考虑误差和处理方法，以确保测量结果的准确性和可靠性。总之，热变形维卡软化点温度测定仪是一种重要的实验设备，可以用于测量材料在高温环境下的热变形和软化点。了解其原理、结构、操作方法以及可能出现的误差和处理方法，对于科学研究和实际应用都具有重要意义。

p 　　根据“两会”期间公布的2020年政府工作报告，今年要实现单位国内生产总值能耗和主要污染物排放量继续下降 深化重点地区大气污染治理攻坚 要打好蓝天、碧水、净土保卫战，实现污染防治攻坚战阶段性目标。 br/ /p p 　　2020年是打赢蓝天保卫战、“十三五”规划的全面收官之年，我国大气污染治理进入攻坚“深水期”，剩下的都是难啃的“硬骨头”。作为一直以来的重点和难点，扬尘污染治理已然成为大气污染防治目标完成与否的关键点之一。 /p p 　　扬尘治理，需对症下药 而把脉问诊，监测为先。高性能的扬尘传感器对实现扬尘全面监测、精准治理、降低成本等多方面的重要性不言而喻。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 扬尘传感器的需求及应用现状 /strong /span /p p 　　行业发展初期，扬尘监测设备多基于β射线吸收法，然而受仪器体积较大、成本高昂等因素掣肘，量大面广的需求无法得到真正满足。 /p p 　　基于光散射原理的粉尘传感器，在民用室内检测应用中，经历了从采用LED光源和扩散式采样，用于粉尘浓度变化的趋势检测，到升级为激光光源和风扇采样，可以精确检测PM2.5数值的创新发展过程。然而针对室外扬尘监测还需要PM10和TSP的精准监测要求，则无法得到满足。 /p p 　　因此，能够同时准确测量PM2.5/PM10/TSP、体积小、购买和维护成本低成为了扬尘监测设备配套传感器面临的主要挑战。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 室外扬尘颗粒物监测的技术难点 /strong /span /p p 　　① 与β射线原理的设备保持较高的线性相关性 /p p 　　国站监测设备采用的是β射线原理，其他的扬尘监测站的监测数据必须要与其保持高度一致性，但由于原理上的差异，要做到这一点，传感器需要采用更高性能的器件，有效提升颗粒物识别的能力。 /p p 　　② 满足室外-30℃~70℃的工作温度要求 /p p 　　温度对传感器激光管的影响非常大，然而室外温度范围更宽，夏天在太阳下暴晒，温度可能会到达70℃ 冬天北方严寒地区最低温度可能达到零下30℃。这就要求传感器在此温度下不仅能够正常工作，还要确保检测的准确性。 /p p 　　③检测精度不受水雾影响 /p p 　　由于室外环境经常会遇到凝霜与露水的情况，这些水汽进入到传感器后会严重影响到传感器的测量值，甚至会造成传感器永久损坏。 /p p 　　④长期使用，精度不受积灰影响 /p p 　　扬尘传感器工作在室外，大颗粒的灰尘经过传感器采样风道内会受到重力影响附着在传感器内部，长期使用，会使得灰尘在传感器内部大量堆积，影响到测量准确性。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 四方光电激光扬尘传感器的技术特点 /strong /span /p p 　　四方光电基于创新的光散射技术研究，陆续推出红外粉尘传感器、激光粉尘传感器等系列传感器产品，广泛应用于室内、室外及车内检测等领域。 /p p 　　在此基础上，四方光电针对扬尘传感器的应用场景，以及不同地方标准需求，推动技术革新升级，成功研发扬尘颗粒物传感器PM3003S及 PM3006。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/578caa97-49a6-4d7e-9c5f-e5fc398bc203.jpg" title=" 222_副本.jpg" alt=" 222_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图1：PM3006S(左)及 PM3006(右)激光扬尘传感器 /p p 　　 strong 1、 扬尘颗粒物智能识别技术(API技术) /strong /p p 　　PM3003S，PM3006采用了独特的API(Auto Particle Identification，自动颗粒识别)技术，在多种尘源下进行标定，根据检测到的颗粒物分布进行自动判断，确保PM2.5、PM10和TSP的检测精度。 /p p style=" text-align: center" img style=" width: 580px height: 393px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/bb9423a3-a58f-4a20-924e-5ae69424f42a.jpg" title=" 11.jpg" width=" 580" height=" 393" border=" 0" vspace=" 0" alt=" 11.jpg" / /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/8ddb10c0-114d-496b-bd0c-6b33eaad613f.jpg" title=" 22.jpg" / /p p 　　 strong 2、 高温、恒功率、线型激光管 /strong /p p 　　PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器采用了工作温度在-30~70℃的恒功率、线型光源，其光功率高达100mW，相比点光源高出20倍以上，原始信号更强，大大提升了颗粒物的识别效率。同时对光源采用了恒功率控制，保证原始信号的稳定输出，确保测量的稳定性。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/e6860d1a-bc80-4215-b684-13ef739fa43c.jpg" title=" 33_副本.jpg" alt=" 33_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图2：室外扬尘传感器与民用粉尘传感器光源差别，左：高功率线型光源，右：低功率点光源 /p p 　　 strong 3、 自带除水雾装置，不受水汽影响。 /strong /p p 　　四方光电研制的PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器前端配套了除湿装置，防止室外环境中细小的水珠进入检测气室，消除水汽对扬尘传感器的精度影响。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/0c10a2cf-ddd2-450c-bf4b-330c21a12571.jpg" title=" 44_副本.jpg" alt=" 44_副本.jpg" / /p p 　　 strong 4、 创新结构设计，长效防积灰。 /strong /p p 　　PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器通过流体力学仿真对采样风道进行了长效防积灰结构设计，经过实际验证，可以减少室外环境对传感器检测精确度的影响，降低后期维护成本。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/efa66063-7146-489b-88b2-af426b89892a.jpg" title=" 66.jpg" alt=" 66.jpg" / /p p 　　我国室外扬尘网格化监测经历了早期的β射线吸收法，到采用民用净化器大量应用的激光粉尘传感器的过程。在使用过程中发现，民用的激光粉尘传感器不仅不能满足-30~70℃室外环境温度的全天候使用要求，同时还必须面对监测场所，特别是建设工地经常喷洒降霾的水雾影响，或者下雨潮湿的气候环境等。这种环境下，水雾经常被判断为严重雾霾造成爆表。同时网格化室外粉尘监控希望得到局部的可以与国家大气环境监测网数据具备的PM2.5/PM10/TSP的多项参数对比， 民用激光传感器由于激光功率小，采样流量小， PM10分辨率很低，无法提供准确的PM10, 通常采用根据PM2.5的数字进行比例计算，造成PM10监测数据失真。四方光电研制的PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器通过采用宽温型大功率线型激光光源、API粉尘自动识别技术、先进的流道设计实现抗污染、大流量车规级采样机构、高湿度环境的水雾去除装置等，低成本地实现了对室外扬尘粉尘与β射线吸收法达到0.9相关系数的高精度测量。 /p p br/ /p

激光是20世纪60年代发展起来的一门新兴科学。它是一种具有亮度高、方向性好、单色性好等特点的相干光。 　　激光应用于材料加工，使制造业发生了根本性变化，解决了许多常规方法无法解决的难题。在航天工业中，铝合金用激光焊接的成功被认为是飞机制造业的一次技术大革命。激光加工技术在汽车工业中的使用，实现了汽车从设计到制造的大变化，优化汽车结构，减轻了汽车自重，最终使汽车性能提高，耗油量降低。激光精加工和激光微加工不仅促进了微电子工业的发展，而且为微型机械制造提供了条件。另外，传统加工方法大都为力的传递，因此加工速度受到限制，而激光加工更多地是光的传递，惯性小，柔性大，而且激光能量密度高，加工速度可以很快，激光加工被誉为“未来制造系统共同的加工手段”。总之激光加工技术在世界范围内的迅猛发展正在引起一场新的工业革命，最终使材料加工业从目前的电加工时代过渡到光加工时代。 　　2012年在全球经济低迷不振的大环境下，激光器制造商在“经济余震”中所经历的不确定性和担忧，在经济大衰退之后的几年内将依然存在。然而从长远销售预期来看，在很多几乎不受地域或者全球性经济衰退影响的领域，激光正在作为一种成熟的、对经济增长发挥重要作用的技术，呈现出上扬态势。尽管预计全球债务危机将会限制2013年的某些资本设备支出，但是激光器有望凭借“能实现制造自动化、提高效率、降低能耗，进而使企业在经济风暴中更具竞争力”的优势脱颖而出。 　　半导体制造业发展迅速，“绿色”技术无疑具有光明的未来，这就要求有新的激光加工工艺与技术来获得更高的生产品质、成品率和产量。除了激光系统的不断发展，新的加工技术和应用、光束传输与光学系统的改进、激光光束与材料之间相互作用的新研究，都是保持绿色技术革新继续前进所必须的。2013年激光技术在半导体行业将会取得怎样的成绩呢? 　　半导体市场：黯然神伤 　　虽然智能电子设备组件的微加工将继续为光纤激光器制造商带来利好势头，但是主要依赖于半导体资本设备采购的激光器制造商，将在2013年遭遇坎坷。 　　“随着半导体行业从45nm转向20nm甚至更高的节点，需要更多的制造步骤处理更多的层和新材料，这导致资本强度增加。”半导体设备暨材料协会(SEMI)行业研究与统计高级总监DanTracy表示，“2010年和2011年，半导体行业在产能扩充方面实现了坚挺恢复，同时也转向了更加先进的工艺技术。而2012年产能扩张的减少，为半导体行业带来了更多不确定性，一些分析师预计2013年半导体行业的资本支出将出现负增长。”Tracy还补充道，半导体资本设备市场存在着周期性，最近报道的设备数据反映了2012年下半年更加低迷的行业状况。2012年10月的订单出货比为0.75，订单量约比2011年10月下跌20%。 　　“对于微电子行业来讲，2012年将是一分为二的年头，”相干微电子部门营销总监DavidClark表示，“预计2013年传统消费电子产品，如笔记本电脑、PC、数码相机、硬盘驱动器和电视机将非常不景气，但是平板电脑和智能手机以及相关组件将会以惊人的速度增长。这无疑是个好消息，因为这些移动设备组件很多都是使用相干的激光器制造的，相干的这部分业务将会继续强劲增长。”Clark补充说，“如果基于Windows8的超级本和平板电脑在企业市场获得真正成功，相信这必将刺激2013年IC销售额的限制增长。” 　　ICInsihts公司也看到了类似趋势，其预计2013年电子设备的销售额将增长5%，2012年的增长率为3%。Clark对更长远的趋势也持乐观态度，他表示，“4G-LTE无线网络建设、互联网流量的持续增长、云计算的采用一级即将向450nm晶圆的迁移，所有这些都将促使未来几年内半导体资本支出方面出现重大投资。” 　　相干2012年第四财季(截至2012年9月29日)的销售额，从上年同期的2.08亿美元下降到1.89亿美元 与上个季度相比，订单量下降近23%。相比之下，Newport则由于研发市场和工业市场的强劲表现而实现了创纪录的销售额 当然半导体资本支出的疲软也使其受到了一定影响，其第四财季(截至2012年9月29日)微电子业务销售额比上年同期下降了9.7%，降至1.1亿美元。 　　作为一家主要为半导体行业提供光刻光源的供应商，Cymer公司2012年第三季度(截至2012年9月30号)的总营收约为1.32亿美元，基本与上年同期持平，但低于2012年第二季度1.49亿美元的总营收。2012年10月，Cymer公司被荷兰ASML公司以大约26亿美元的价格收购 2012年第三季度，Cymer出货了27套紫外系统，并向ASML交付了其首款极紫外光源，曝光功率为30W。 　　Cymer公司和日本Gigaphoton公司是业界领先的极紫外光源制造商，依据摩尔定律，他们会继续享受业务增长。但是研究超短、超高功率激光脉冲(如用于光与物质相互作用研究的极强光设施)的激光器制造商，正在寻求超越摩尔定律。 　　“早在2007年，来自美国能源部基础能源科学顾问委员会的一份报告就显示，当集成电路制造达到分子级或纳米级的时候，其将远远超越摩尔定律的限制。一个基于纳米芯片的超级计算机，可以舒适地握在掌中，且耗电极低。”CalmarLaser公司营销总监TimEdwards说，“这使得激光产业令人兴奋不已——没有激光发挥举足轻重的作用，分子尺度的未来将无法实现。飞秒光纤激光器制造商始终致力于提升脉冲到脉冲之间的稳定性，以满足眼科、光谱、DNA分析、分子成像、薄膜太阳能电池加工以及计量等应用的苛刻要求，所有这些都提供了广阔的科研激光市场，但是不知为何激光市场并未快速增长。” 　　随着激光技术的发展，激光技术必将在未来的半导体行业发展中扮演越来越重要的角色。接下来为激光技术在半导体行业的一些应用： 　　1 激光技术在晶片/芯片加工领域的应用 　　1.1在划片方面的应用 　　划片工艺隶属于晶圆加工的封装部分，它不仅仅是芯片封装的关键工艺之一，而是从圆片级的加工(即加工工艺针对整片晶圆，晶圆整片被同时加工)过渡为芯片级加工(即加工工艺针对单个芯片)的地标性工序。从功能上来看，划片工艺通过切割圆片上预留的切割划道(street)，将众多的芯片相互分离开，为后续正式的芯片封装做好最后一道准备。 　　目前业界讨论最多的激光划片技术主要有几种，其主要特征都是由激光直接作用于晶圆切割道的表面，以激光的能量使被作用表面的物质脱离，达到去除和切割的目的。但是这种工艺在工作过程中会产生巨大的能量，并导致对器件本身的热损伤，甚至会产生热崩边(Chipping)，被剥离物的沉积(Deposition)等至今难以有效解决的问题。 与很多先行技术不同，传统旋转砂轮式划片机的全球领导厂商东京精密公司和日本著名的激光器生产商滨松光学联合推出了突破传统理念的全新概念的激光划片机MAHOH。其工作原理摒弃了传统的表面直接作用、直接去除的做法 而采取作用于硅基底内的硅晶体，破坏其单晶结构的技术，在硅基底内产生易分离的变形层，然后通过后续的崩片工艺使芯片间相互分离。从而达到了无应力、无崩边、无热损伤、无污染、无水化的切割效果。 　　1.2在晶片割圆方面的应用 　　割圆工艺是晶体加工过程中的一个重要组成部分。早期，该技术主要用于水平砷化镓晶片的整形，将水平砷化镓单晶片称为圆片。随着晶体加工各个工序的逐步加工，在各工序将会出现各种类型的废片，将这些废片加工成小直径的晶片，然后再经过一些晶片加工工序的加工，使其变成抛光片。 　　传统的割圆加工方法有立刀割圆法、掏圆法、喷砂法等。这些方法在加工过程中对晶片造成的损伤较大，出片量相对较少。随着激光加工技术的发展，一些厂家对激光加工技术引入到割圆工序，再加上较为成熟的软件控制，可以在一个晶片上加工出更多的小直径晶片。 　　2 激光打标技术 　　激光打标是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。 　　激光打标是利用高能量密度的激光束对目标作用，使目标表面发生物理或化学的变化，从而获得可见图案的标记方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个指定的图案。激光打标与传统的标记工艺相比有明显的优点： 　　(a)标记速度快，字迹清晰、永久 　　(b)非接触式加工，污染小，无磨损 　　(c)操作方便，防伪功能强 　　(d)可以做到高速自动化运行，生产成本低。 　　在晶片加工过程中，在晶片的特定位置制作激光标识码，可有效增强晶片的可追溯性，同时也为生产管理提供了一定的方便。目前，在晶片上制作激光标识码是成为一种潜在的行业标准，广泛地应用于硅材料、锗材料。 　　3 激光测试技术 　　3.1激光三角测量术 　　微凸点晶圆的出现使测量和检测技术面临着巨大的挑战，对该技术的最基本要求是任一可行的检测技术必须能达到测量微凸点特征尺寸所需的分辨率和灵敏度。在50μm节距上制作25μm凸点的芯片技术，目前正在开发中，更小凸点直径和更节距的技术也在发展中。另外，当单个芯片上凸点数量超过10000个时，晶圆检测系统必须有能力来处理凸点数迅速增加的芯片和晶圆。分析软件和计算机硬件必须拥有足够高的性能来存储和处理每个晶圆上所存在的数百万个凸点的位置和形貌数据。 　　在激光三角检测术中，用一精细聚焦的激光束来扫描圆片表面，光学系统将反射的激光聚焦到探测器。采用3D激光三角检测术来检测微凸点的形貌时，在精度、速度和可检测性等方面，它具有明显的优势。 　　3.2颗粒测试 　　颗料控制是晶片加工过程、器件制造过程中重要的一个环节，而颗粒的监测也就显得至关重要。颗粒测试设备的工作原理有两种，一种为光散射法 另一种为消光法。 　　对于悬浮于气体中的颗粒，通常采用光散射法进行测试，同时某些厂家利用这种工作原理生产了测试晶片表面颗粒的设备 而对于液体中的颗粒，这两种方法均适用。 　　4 激光脉冲退火(LSA)技术 　　该技术通过一长波激光器产生的微细激光束扫描硅片表面，在一微秒甚至更短的作用时问内产生～个小尺寸的局域热点。由于只有上表面的薄层被加热，硅片的整体依然保持低温，使得此表面层的降温速率几乎和它的升温速率一样快。从固体可溶性的角度考虑，高峰值温度能够激活更多的掺杂原子，此外正如65nm及以下工艺所求的那样，较短的作用时间可以使掺杂原子的扩散降到最低。退火处理的作用范围可以限制在硅片上的特定区域而不会影响到周围部位。 　　该技术已经应用于多晶硅栅极的退火，在减少多晶硅的耗尽效应方面取得了显著的效果。K.Adachi等将闪光灯退火和激光脉冲退火处理的MOS管的Ion/Ioff进行了比较，在pMOS-FET和nMOSFET中，采用激光脉冲退火处理的器件的漏极电流要大10%，器件性能的增强可以直接归因于栅电极耗尽效应的改善和寄生电阻的减小。

p style=" text-indent: 2em " 编者按：粉体的粒度及粒度分布是衡量产品质量的关键性指标，而目前最火的粒度检测方法之一就是激光粒度仪了。这种粒度检测方法不受温度变化、介质黏度、试样密度及表面状态等诸多因素的影响，具有测试速度快、测量范围广、便捷易操作等特点。放眼市场，激光粒度仪的品牌和型号也可谓五花八门，琳琅满目。但值得称道的激光粒度仪虽然不胜枚举，却仍然会收到诸多因素的影响，造成检测结果的不稳定。太原理工大学矿业工程学院的专家张国强就深度剖析了7大影响激光粒度仪检测结果的因素。 /p p style=" text-indent: 2em " 专家观点： /p p style=" text-indent: 2em " 目前市面上的激光粒度分析仪其基本原理均为米氏散射理论及其近似理论。包括测量纳米级颗粒所使用的动态光散射原理也是借助米氏散射理论而补充完善起来的 。米氏散射理论把待测颗粒等效成各向同性的球形粒子，在入射光照射下根据麦克斯韦电磁方程组，可以求出散射光强角分布的严格数学解。 利用米氏散射理论的基本公式进一步求出此时散射光强分布对应的颗粒粒径。米氏散射理论通过测量待测样品的散射光强分布巧妙地解决了超细颗粒的粒度测量问题，但由于基于米氏理论的激光粒度测量技术本身的复杂性，提前预先设定的边界条件并不能全面地反映实际样品的具体情况。 同时商品化的激光粒度分析仪由于受生产厂家技术实力水平的限制，导致各厂家仪器的内部构造与算法程序等方面均存在差异。 /p p style=" text-indent: 2em " 为探究粉体粒度测试评价用标准样品的特性，为激光粒度分析仪生产厂家提供优化仪器性能的理论依据，为粒度检测用户提供评价激光粒度测试结果可靠性与准确性的依据。下面我将对激光粒度仪测试结果的重要影响因素进行分析： /p p style=" text-indent: 2em " （1）复折射率 /p p style=" text-indent: 2em " 激光散射法粒度测量的对象一般是微米级的粒子，这些粒子的光学常数并不能简单看成 /p p style=" text-indent: 2em " 粒子材料的光学性质，而是指颗粒的复折射率n’，其定义为：n‘=n+ik。其中 n 为通常所说的折射率，虚部k表示光在介质中传播时光强衰减的快慢，即吸收系数，有时也被称作吸收率。 /p p style=" text-indent: 2em " 复折射率的选择合适与否直接影响到粒度检测结果的准确性与可靠性，但是影响待测颗粒复折射率的因素较多，难以确定其准确值，所以到目前为止在激光粒度测量领域中仍旧没有确定复折射率的统一方法 。在实际的粒度检测过程中，一般只是对同种物质使用一个固定的复折射率，这样的测量结果必然会与样品的真实值有较大偏差。 但是如果针对不同粒 /p p style=" text-indent: 2em " 度区间的颗粒都去寻找其复折射率，却又不现实的。 /p p style=" text-indent: 2em " （2）折射率 /p p style=" text-indent: 2em " Mie 散射理论是麦克斯韦电磁方程组的严格解，激光法检测的前提假设是粉体粒子是球形且各向同性的，大多数晶体在不同的方向上有不同的折射率。由于不同厂家的设备中光能探测器的数量、空间分布位置、灵敏度的不同也会导致检测结果的差异。 /p p style=" text-indent: 2em " （3）内置算法 /p p style=" text-indent: 2em " 由于光强分布的差异，不同粒度仪生产厂家所采用的软件内置算法不同，造成系数矩阵的计算结果差异，由此给反演带来不同程度的误差。 /p p style=" text-indent: 2em " （4）内外复折射率 /p p style=" text-indent: 2em " 球形石英粉等颗粒，在高温环境下烧灼成型。由于既要成球，又要熔透转变为非晶型或不定形，其技术难度很高。 所以在生产过程中会有部分无定形态的熔融石英包裹在结晶石英上，以及熔融石英内部含有空心气泡。这种颗粒被称为双层颗粒，颗粒内外复折射率不同，导致激光法测量时可能带来较大误差，据相关文献，最大误差可能超过 50%。 /p p style=" text-indent: 2em " （5）反常异动现象 /p p style=" text-indent: 2em " 有研究者发发现在有些折射率下对于部分粒径区间，随着粒径的变小，散射光强分布主峰会向探测器内侧移动，而正常情况下应向探测器外侧移动，从而影响粒度检测的结果。 这种现象被称为散射光能分布的反常移动现象。 /p p style=" text-indent: 2em " （6）分散状态 /p p style=" text-indent: 2em " 使用激光粒度仪检测过程中，需注意保证待测颗粒处于良好的分散状态。 当前市面上的主流激光粒度仪， 基本上都带有离心循环分散和超声分散两种分散模式，所以对于这种类型仪器的用户，不建议测试前的机外分散， 因为在用烧杯将分散后的溶液导入循环槽的过程中极易在杯底残留部分大颗粒，导致测试结果产生误差。 在仪器中分散样品时，应注意根据物料性质调整超声和离心循环分散的功率，太大容易导致气泡的产生，太小则容易导致分散效果变差和大颗粒沉底。 /p p style=" text-indent: 2em " （7）仪器的保养程度 /p p style=" text-indent: 2em " 激光粒度仪的保养程度，对检测结果有较大影响。激光粒度仪需要定期标定维护。在实际的使用过程中发现，部分样品极易在测试过程中附着在仪器的管路内部，从而混入之后的测试样品中带来测试误差。而仪器自带的清洗功能很难解决这类问题，需要在激光粒度测量中引起足够重视。 /p p style=" text-indent: 2em " 鉴于激光粒度测量过程中的影响因素过多，各种样品不同粒级区间的复折射率难以确定，所以目前来看并没有可靠地依据来证明激光粒度测试的准确性，这也是激光粒度检测急需解决的问题。在对粉体粒度要求较高的领域，可以采用多种粒度检测手段，综合比较检测结果，来得到较为可靠的粉体粒度值。此外研制并推广国家及行业内认可的激光粒度分析标准样品，也是一个解决激光粒度检测差异性的实用方法。 /p

激光干涉测量助力空天探索 在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，作为人类观测宇宙的新窗口，引力波将为人类探索早期黑洞合并、超新星爆发等宇宙结构形成过程提供观测手段，对探索宇宙起源与演化具有重要的意义。为了探测中低频段的空间引力波，国内外研究人员计划在相距数十万乃至数百万千米的空间轨道上建立超高灵敏度星间激光干涉系统，该方法的本质是将现有的激光干涉超精密测量技术应用到外太空去，突破地面探测臂长的限制，摆脱地面各种干扰源对精密测量的影响。其关键技术是测量相距数百万公里的两个测试质量之间的间距变化，主要包括：测试质量与卫星平台之间的间距变化、两个卫星平台之间的间距变化，前者涉及到测试质量的多个自由度精密检测，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2（平动）以及~1 nrad/Hz1/2（转动）水平。揭秘空间引力波探测的原理 空间引力波探测任务需要实现对测试质量皮米量级的平动测量以及纳弧度量级的转动测量，关键技术单元包括：激光外差干涉、差分波前传感以及高精度相位测量三部分，如图1所示，通过测量两测试质量之间的平动转动，获得其间距变化信息，从而探测引力波信号。图1面向空间引力波探测的激光外差干涉多自由度超精密测量技术示意图激光外差干涉 激光外差干涉测量原理如图2所示，频率相近的两束激光（测量光频率f1，参考光频率f2）合束后，合成波（频率为f1+f2）会存在一个包络，其频率为|f1-f2|，这一包络频率也被称为外差频率。 当测试质量在沿测量光传播方向上运动状态改变、或者引力波来临时，干涉仪的测量臂光程发生变化，表现为外差干涉信号的相位波动，即图2中紫色虚线部分。以经典迈克尔逊干涉结构为例，外差干涉信号相位的一个周期变化对应位移变化半波长（光程变化一个波长），有 其中，λ为激光输出波长，L为测试质量的等效位移，φ为外差干涉信号的相位变化。图2 激光外差干涉原理示意图差分波前传感 差分波前传感是一种基于激光波前相位比较的高精度角度测量方法，测量原理如图3所示。测量光与参考光合束后入射至四象限探测器表面，两束光满足干涉条件产生外差干涉信号，照射在探测器四个象限后会分别产生四路干涉信号。当测量目标平动时，四路外差干涉信号相位发生相应波动，与采用普通光电探测器的原理相一致；当测量目标转动时，测量光的波前相对参考光发生偏离，由于四象限探测器具有一定的空间间距，导致四路外差干涉信号的相位波动并不相同，通过对比不同象限的干涉信号相位差异，可以反演得到测量目标在水平方向和竖直方向上的转动角度，有 其中，θh为水平转动角，θv为垂直转动角 ФA/B/C/D为不同象限的外差干涉信号相位变化 kh/v为比例系数，由光束参数以及四象限探测器的几何参数共同决定，实验中常用偏摆镜配合自准直仪进行标定。图3 差分波前传感和四通道拍频信号波形示意图高精度相位测量 高精度相位测量可以通过锁相放大器或者相位计来实现，其基本原理如图4所示，外差干涉信号转化为电信号后与本地时钟（或外部参考）及其正交信号混频，低通滤波后分别得到Q信号（quadrature）和I信号（in-phase），计算I/Q反正切值并作相位解包裹运算得到相位差，Q信号作为相位误差信号反馈至本地可调时钟，更新本地时钟输出频率从而保持与输入外差干涉信号频率一致，形成锁相环路。图4 相位测量基本原理[1]国内外干涉仪研究进展LISA LISA （Laser Interferometer Space Antenna）是于1992年发起的一项探测1 mHz~1 Hz频段引力波信号的科学研究计划，这是最早开始、也是目前国际上发展最成熟的空间引力波探测计划，其中一项关键技术是实现测试质量的超高灵敏度多自由度测量。 2012年，德国汉诺威大学的Marina Dehne等人设计搭建了一套用于验证测试质量干涉仪噪声源及其消除技术的激光外差干涉测量系统，分析了多个噪声源（激光频率、激光强度、激光指向漂移、温度、偏振态、移频驱动边带、杂散光等）对相位读出的影响，并研究了多种噪声消减数据处理方法，在空间引力波探测目标频段成功实现了~1 pm/Hz1/2的超精密位移测量。图5给出了LISA激光干涉平动转动测量技术发展时间线，该计划从提出开始，经历地面模拟论证、噪声源探索、技术卫星验证、光路布局优化测试等，距今已经开展了三十余年，其中用于测试质量多自由度测量的激光外差干涉技术灵敏度已经突破1 pm/Hz1/2和1 nrad/Hz1/2。目前光学干涉平台布局处于优化设计阶段，激光外差干涉超精密测量技术是否能够实现百万公里距离的两测试质量之间的皮米级平动测量并成功探测到宇宙深处的引力波，这仍然需要时间来给出答案。图5 激光干涉平动转动测量技术发展时间线(LISA)太极&天琴 2008年，我国科学家开始探讨中国的空间引力波探测计划，并于2012年正式成立了空间引力波探测工作组，2014年提出基于“日心”轨道和“地心”轨道两个独立的探测方案，即太极计划和天琴计划[2-3]。目前两者均形成了较为完备的星间激光干涉测量方案。 同LISA一样，太极和天琴于2019年分别发射了太极一号和天琴一号技术验证卫星，所搭载的光学干涉平台如图6所示，前者采用殷钢材料制作光学干涉平台基座、后者则采用光粘的方式来提高干涉装置的热稳定性，两者都包含有前端光程参考干涉仪和测试质量测量干涉仪。测试实验最新结果表明，空间激光干涉仪可以实现毫赫兹频段皮米量级的超精密位移测量，标志着我国在空间引力波探测中用于测试质量的激光外差干涉测量技术研究正逐渐走向国际前列。图6 我国空间引力波探测技术验证卫星激光干涉平台（a）太极一号[2]（b）天琴一号[4] 其他 2021年，美国德州农工大学提出了一种一体式外差干涉仪，将分光镜波片等关键镜组胶粘成一个整体，提升干涉仪稳定性，并通过抽真空、被动控温、噪声建模消减等措施最终实现了33 pm/Hz1/2@0.1 Hz的平动测量。 2022年，清华大学谈宜东团队提出了一种用于测试质量五自由度测量的偏振复用双光束干涉仪，光路设计如图7所示，包含参考干涉仪（RHI）、双光束干涉仪（DBHI）和偏振复用干涉仪（PMHI），初步实验在10 mHz~1 Hz频段实现了优于10 pm/Hz1/2 以及20 nrad/Hz1/2的平动转动灵敏度测量。图7 偏振复用双光束激光外差干涉五自由度测量系统星辰宇宙，未来可期 “此曲只应天上有，人间难得几回闻”，如果说引力波是携带着浩瀚宇宙信息的乐曲，那么激光干涉超精密测试技术就是用来“听曲”的最灵敏的传声筒。在空间引力波探测领域，我国的激光外差干涉多自由度超精密测量技术相比于欧美LISA团队仍处于跟跑阶段，但未来有希望实现并跑甚至领跑。而且，空间引力波探测中涉及的外差干涉技术，可以对长度量进行高精度、大量程的超精密测量，可扩展应用于下一代高速、超精密二维或三维运动台的精确定位与运动控制，进而支撑我国超精密加工制造、IC 装备及尖端航空航天科技的发展，对于国民经济和工业建设有着重要的实际意义[5]。全文下载：空间引力波探测中的激光干涉多自由度测量技术.pdf参考文献：[1]Schwarze T S.Phase extraction for laser interferometry in space: phase readout schemes and optical testing[D]. Hannover: Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover, 2018.[2] Luo Z R, Wang Y, Wu Y L, et al. The Taiji program: A concise overview[J]. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2021(5), 05A108.[3] Luo J, Chen L S, Duan H Z, et al. TianQin: a space-borne gravitational wave detector[J]. Classical & Quantum Gravity, 2015, 33(3): 035010.[4]Luo J, Bai Y Z, Cai L, et al. The first round result from the TianQin-1 satellite[J]. Classical and Quantum Gravity, 2020, 37(18): 185013.[5] 谈宜东, 徐欣, 张书练. 激光干涉精密测量与应用.中国激光,2021,48(15) : 1504001.作者简介 谈宜东，清华大学精密仪器系，长聘副教授，博士生导师，副系主任；基金委优秀青年科学基金获得者，英国皇家学会牛顿高级学者，教育部创新团队负责人。中国电子信息行业联合会光电产业委员会副会长、中国仪器仪表学会机械量测试仪器分会常务理事。 主要从事激光技术和精密测量应用等方面的研究工作。作为负责人承担国家自然科学基金，装发和科工局测试仪器领域关键技术攻关项目，科技部重点研发计划课题，军科委基础加强，重大科学仪器专项等项目40余项。在Nature Communications,PhotoniX, Optica, Bioelectronics and Biosensors, IEEE Transactions on Industrial Electronics等期刊发表 SCI 论文 100余篇，授权发明专利36项，在国际会议Keynote/Plenary/Invited报告40余次。先后获日内瓦国际发明展金奖，中国激光杂志社主编推荐奖，中国光学工程学会技术发明一等奖，中国电子学会技术发明一、二等奖多项。课题组介绍 清华大学精密仪器系激光技术与精密测量应用课题组，在激光器件及其物理效应、精密测量应用等方面开展了大量的工作，构成了从基础器件的设计和发明，到物理现象和效应的发现，进而在发现基础上的仪器发明，直至仪器的推广和应用这一较为完整的体系。先后研制了双折射-塞曼双频激光器及其双频激光干涉仪，实现了成果转化，成规模应用于国家02专项以及中芯国际、吉顺芯等公司进口光刻机干涉仪的替换；基于激光回馈原理的无靶镜纳米测量干涉仪，用于国家多个重点型号工程，包括：高分四号、一号以及激光聚变点火等。课题组还开展了远距离激光侦听、激光回馈调频连续波绝对测距、生化检测、pm量级灵敏度的激光干涉超精密测量技术(引力波专项)等研究。

锂离子电池产业作为我国“十二五”和“十三五”期间重点发展的新材料、新能源、新能源汽车三大产业中的交叉产业，国家出台了一系列支持锂离子电池产业发展的支持政策，直接带动了我国锂离子电池行业的持续高速增长。为了规范锂离子电池行业的健康稳健发展，国家相关部门先后制订了涉及到锂离子电池全产业链的相关行业标准，而相关电池材料的粒度分布检测就是其中一项重要检测指标。下面，我们看一看这些行业标准对粒度分布的相关规定。锂离子电池材料粒度分布要求电池材料的粒度分布影响电池材料的物理性能及电化学性能，进而影响锂离子电池的容量、能量密度、充放电性能、循环性能及安全性能等。在锂离子电池材料中，需要检测粒度的粉体材料主要有正极材料及原材料、负极材料及原材料、导电添加剂、电解质、隔膜涂覆材料。正负极材料正极材料颗粒的粒径越小，越有利于Li+的嵌入和脱嵌，有利于提升锂离子电池的倍率性能；同时，粒径越小的材料首次容量越高。但是，粒径越小的材料比表面积越大，颗粒表面能升高，易团聚并与电解液发生副反应，电池内阻升高，充放过程中会积聚过多能量，温度升高，从而导致安全隐患；同时，粒径越小的材料不可逆容量增加，降低电池的循环性能。如果材料中混入少数超大颗粒，会导致在极片生产过程中出现划痕、断带现象，严重影响产品质量。粒径较小的负极材料具有较大的首次容量，但不可逆容量也较大；随着粒径增大，首次充放电容量降低，不可逆容量减少。同时，粒径越小的颗粒，越有利于Li+的嵌入和脱嵌，有利于提升电池的倍率性能。如果材料中混入少数超大颗粒，会导致在极片生产过程中出现划痕、断带现象，严重影响产品质量。正极材料和负极材料原料的颗粒的粒径大小影响到正极材料和负极材料的生产工艺控制及成品性能。比如，三元前驱体的粒度影响三元材料的煅烧时间及晶粒大小一致性。粒径越小的前驱体煅烧时间越短；粒径分布越窄的前驱体，煅烧时热量从材料表面传导到材料中心的时间一致性越高，晶粒生长时间一致性越高，晶粒大小一致性也越高。碳酸锂作为正极材料的锂源材料，粒度大小对正极材料的生产工艺和性能也有着重大影响。导电添加剂导电添加剂颗粒的粒径太小，容易发生团聚，不能与活性物质充分接触，导致导电作用降低；如果粒径太大，导电添加剂颗粒不能嵌入到活性物质中，同样会降低导电添加剂的导电作用。如果材料中混入少数超大颗粒，会导致在极片生产过程中出现划痕、断带现象，严重影响产品质量。对于电解液的电解质来说，电解质颗粒大小越均匀，电解液性能的一致性越好。电解液作为锂离子电池的血液，承担着运输锂离子的重任，质量的好坏直接影响锂离子电池的电化学性能，并很大程度上影响锂离子电池的安全性能。涂覆隔膜涂覆隔膜是在基膜的单面或双面涂覆一层氧化铝、二氧化硅等粉体无机材料，从而提升隔膜的高温性能、穿刺强度、亲液性能等。涂覆材料粒度大小及分布对涂覆隔膜的性能起着决定性的作用。以最常用的氧化铝涂覆隔膜为例，一般采用亚微米级别的α相氧化铝材料，颗粒大小适中且粒度均匀的氧化铝能很好地粘接到隔膜表面，不会堵塞膜孔，成孔均匀，能够提高隔膜的耐高温性能和热收缩率，能够改善隔膜对电解液的亲和性，同时保持较好的机械性能，从而提高锂电池的安全性能。氧化铝涂层的粒径越大，隔膜的厚度会增加，隔膜的化学性能会迅速下降。综上所述，粒度分布测试已成为提升锂离子电池性能的重要检测手段，选择一款高性能的激光粒度分析仪就成为了研发机构、材料生产厂家、电芯生产厂家的共同需求。一款好的激光粒度分析仪应该具备良好的测试结果的真实性、重现性、分辩能力、易操作性等。测试结果的真实性是指测试结果能够反映颗粒的真实大小，尽管粒度测量不宜引用“准确性”这一指标，但这并不意味着测量结果可以漫无边际地乱给。测试结果的真实性是激光粒度分析仪最根本的分析性能，如果没有测试结果的真实性做基础，仪器的重复性、重现性等其它性能就失去了讨论的意义。测试结果的重现性是指将同一批样品多次取样的测试结果的重复误差，误差越小，表示重现性越好。重现性的好坏取决于仪器获取光能分布数据的稳定性、对杂散光的控制能力、对中精确度、光源和背景的稳定性、进样器的分散性能等。只有具备良好重现性的仪器才能对测试样品的粒度分布进行可靠的评价，有利于用于多个样品之间差异的准确识别。激光粒度分析仪的分辨能力指的是仪器对样品不同粒径颗粒的测量分辨能力以及对给定粒度等级中颗粒含量的微小变化识别的灵敏程度。一般来说，除了影响重现性的因素外，散射光能分布角度和光强的获取，低背景噪声的光学电子设计，高精度的模数转换及反演计算水平都对仪器的分辨能力有较大影响。只有高分辩能力的仪器才能准确识别测试样品的细微粒径变化。激光粒度分析仪的原理结构激光粒度分析仪的易操作性是指操作简单、故障率低、易于日常维护保养。如果仪器的易操作性不高，即便有良好的测试性能，也不能高效满足用户的测试需求。Topsizer激光粒度分析仪和Topsizer Pus激光粒分析仪就是这样两款在锂离子电池行业被广泛应用的高性能激光粒度分析仪。量程宽、重现性好、分辨能力强、自动化程度高、故障率低等优异性能保证了测试结果和分析能力，而且与国内外、行业上下游黄金标准保持一致，不仅为用户节省了方法开发和方法转移上的时间和成本，更重要的是可以避免粒径检测不准带来的经济损失和风险，无论在产品研发、过程控制还是质量控制上，都能够为用户带来真正的价值。● 测试范围：0.02-2000μm（湿法），0.1-2000μm（干法）● 重复性：≤0.5%（标样D50偏差）● 准确性：≤±1%（标样D50偏差）● 测量速度：常温测量10秒内完成欧美克Topsizer激光粒度分析仪Topsizer激光粒度分析仪是珠海欧美克仪器有限公司于2010年被英国思百吉集团全资收购后，利用思百吉集团的全球资源全新打造的旗舰产品，具有量程宽、重现性好、精度高、测试结果真实、自动化程度高等诸多优点，真正站在了当前粒度检测领域的前沿。● 测试范围：0.01-3600μm（湿法），0.1-3600μm（干法）● 重复性：≤0.5%（标样D50偏差）● 准确性：≤±0.6%（标样D50偏差）● 测量速度：常温测量10秒内完成欧美克Topsizer Plus激光粒度分析仪Topsizer Plus激光粒度分析仪是继广受赞誉的Topsizer 后，作为马尔文帕纳科的全资子公司，珠海欧美克仪器有限公司推出的又一款高端粒度分析仪器。该仪器引入了国际先进的光学设计，结合欧美克近30年的技术积累，采用全球化的供应链体系，使激光衍射法的测试范围达0.01-3600um。Topsizer Plus保持了Topsizer量程宽、重复性好、分辨力高、真实测试性能强和智能化程度高等优点，通过进一步提升光学设计、硬件和反演算法，拓展了其测试范围以及实际测试性能，代表了当前国产激光粒度仪的技术水平。

激光控制室 效果图 光学组件 　　世界上最大的激光聚变装置29日在美国加利福尼亚州北部的利弗莫尔劳伦斯国家实验所举行落成典礼。这一装置能产生类似恒星内核的温度和压力，并使美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。 　　打造12年 耗资35亿 　　据利弗莫尔劳伦斯国家实验所发表的新闻公报，这个激光聚变装置名为“国家点火装置(NIF)”，被安置在一幢占地约3个橄榄球场地的10层楼内，它由美国能源部下属国家核安全管理局投资，从1997年开始建设，总共耗资约35亿美元。 　　公报说，国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。这一过程同太阳中心产生能量原理相似，因此这一试验被称为“人造太阳”。在此基础上，科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。 　　无需核试验 保持核威慑力 　　公报说，国家点火装置共有3个任务，第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。 　　国家点火装置的第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。 国家点火装置的第三个任务是保证美国的能源安全。 　　能源结构革命性变化 　　科学家希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。公报说：“国家点火装置所产生的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的‘能量增益’目标。如能取得成功，将是有历史意义的科学突破。” 　　加州州长施瓦辛格发表讲话说，这一激光系统的建成是加州和美国的伟大成就，它将有可能使美国的能源结构发生革命性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能量，使其转变成驾驶汽车和家庭生活所需要的能源。 　　三大核心任务 　　■科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况。 　　■模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，使科学家进一步了解宇宙的秘密。 　　■科学家希望从2010年开始借助它来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。 　　聚焦 　　研制新型氢弹 变身“常规武器” 　　激光核聚变除了可生产取之不尽的清洁能源外，在军事上还可用于发展新型核武，特别是研制新型氢弹，同时亦可部分代替核试验。因为通过高能激光代替原子弹作为氢弹点火装置实现的核聚变反应，可以产生与氢弹爆炸同样的等离子体条件，为核武设计提供物理学资料，进而制造出新型核武，成为战争新“杀手”。 　　早在20世纪50年代，氢弹便已研制成功并投入使用。但氢弹均是以原子弹作为点火装置。原子弹爆炸会产生大量放射性物质，所以这类氢弹被称为“不干净的氢弹”。 　　采用激光作为点火源后，高能激光直接促使氘氚发生热核聚变反应。这样，氢弹爆炸后，就不会产生放射性裂变物，所以，人们称利用激光核聚变方法制造的氢弹为“干净的氢弹”。传统的氢弹属于第2代核武，而“干净氢弹”则属于第4代核武器，不受《全面禁止核子试验条约》的限制。由于不会产生剩余核辐射，因此可作为“常规武器”使用。 　　回顾 　　美法日“人造太阳”大事记 　　美国 仍居世界领先地位，不仅拥有世界上最大的“诺瓦”激光器、世界上功率最大的“X射线模拟器”，还有目前刚刚落成的“国家点火装置”。 　　法国 激光核聚变研究以军事化为主要目标，确保法国TN-75和TN-81核弹头能处于良好状态。早在1996年，法国原子能委员会便与美国合作进行一项庞大的“兆焦激光计划”，预计2010年前完成，经费预算达17亿美元。其主要设施240台激光发生器可在20纳秒内产生180万焦耳能量，产生240束激光。 　　日本 1998年，日本成功研制核聚变反应堆上部螺旋线圈装置和高达15米的复杂真空头，标志着日本已突破建造大型核聚变实验反应堆的技术难点。 　　名词 核聚变 　　与核裂变依靠原子核分裂释放能量不同，聚变由较轻原子核聚合成较重原子核释放能量，常见的是由氢的同位素氘与氚聚合成氦释放能量。与核裂变相比，核聚变能储量更丰富，几乎用之不竭，且干净安全，不过操作难度巨大。 　　当星体内部存在巨大压力，核聚变能在约1000万摄氏度的高温下完成，然而，在压力小很多的地球，核聚变所需温度达到1亿摄氏度。“国家点火装置”将寄望通过汇聚大功率激光束实现这一高温。能否在核聚变过程中实现“能量收益”是问题的关键。之前有试验实现过核聚变，但未能使核聚变释放的能量超过试验所需能量。

在第一台激光器诞生60多年后的今天, 随着激光光源、探测技术、实验装置和数据处理等各方面技术的飞跃发展, 激光光谱技术作为微观感知领域的核心技术, 已经成为物理、化学、生物、环境以及天文学等领域中研究光与物质相互作用的重要手段, 从实验室基础研究到各领域应用第一线都扮演着无可替代的角色。拉曼光谱技术早有布局，突破工业过程气体分析技术瓶颈在工业过程气体监测领域，傅里叶红外（FITR)、质谱(MS)、气相色谱(GC)等原理的气体分析仪各有优点。傅里叶红外技术一个气室很难适合不同的量程，也无法分析H2、02、N2甚至不同的碳氢化合物；质谱分析技术对于同质量的气体分子识别度很低；气相色谱分析需要载气，对于不同类型气体需要切换不同的分离柱。而得益于激光技术的普及以及各种高精度光谱分析模块的出现，激光拉曼光谱气体分析技术发展迅速。该产品主要定位于石油天然气、页岩气、石化、大型煤化工等工业过程高端市场。四方光电副总经理、高级工程师石平静向记者介绍：随着我国对大型能源装备国产化要求的提高，针对高端气体分析仪器领域进口替代需求，为加快解决激光拉曼光谱气体分析仪在不同行业的应用问题，公司早在2012年就开始着手激光拉曼光谱气体分析仪的研究，并作为牵头单位实施国家重大科学仪器设备开发专项“激光拉曼光谱气体分析仪器的研发与应用”项目。通过开发专项的研发，四方光电形成了包括光路及光谱分析、拉曼信号增强、拉曼分析测控软件、智能算法等技术，解决了激光器功率、温度、压力等外部因素的波动对测量精度的影响问题，共获授10项发明专利。通过拉曼信号增强的技术突破及自主研制宽光谱范围的拉曼光谱分析模块，四方光电激光拉曼光谱气体分析仪可以满足天然气多组分快速同步分析。分析时间由原先行业的100秒至几十分钟缩短为10秒，提高了10倍以上；可快速测量CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O、CH3OH、CH3-NO、NO等十余种气体，用一台激光拉曼光谱气体分析仪，配套采用不同应用场景的行业应用软件，就可以解决天然气页岩气成分、煤气化、高炉转炉焦炉、石油炼化等工业流程多组分气体在线监测的行业难点。图1：四方光电激光拉曼光谱气体分析仪（左：实验室台式分析仪 右：在线防爆型分析系统）深耕TDLAS技术，筑就气体分析产业高地近红外和中红外光谱区域新激光器的可用性又推动了气体测量传感器的发展，这些传感器现在广泛应用于工业过程。基于可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 分子，如 O2、CH4、H2O、CO、CO2、NH3、HCI和HF，可以在连续、实时操作中以高选择性和灵敏度进行原位检测。使用波长调制光谱 (WMS) 等灵敏的检测技术，通常可以在1秒的积分时间内进行低 ppb和ppm浓度测量。检测限值可以通过使用抽取式采样和长的多通道池来提高。当前TDLAS 已成为工业过程中用于困难测量任务的公认技术，因为它与高温、高压、粉尘水平和腐蚀性介质兼容，可以确定气体浓度、温度、速度和压力。石平静表示，基于四方光电气体传感技术平台，打造高端气体分析科学仪器是公司重要的长期战略。公司深耕激光TDLAS技术研究多年，旨在提升基于激光光谱测量技术的专业能力，进一步聚焦实验室和过程分析领域，实现业务可持续性发展，为工业客户提供从产品研发和工艺流程设计，到生产制造和质量控制的全方位专业支持。基于对TDLAS技术及激光器的自主研发，公司推出了GasTDL-3100高性能原位激光过程气体分析仪，采用对射式设计，响应时间快速，在原位式测量中以秒计算，可在线及时反应被测气体O2、CO、CO2或者CH4浓度，避免了采样式测量带来的时间延迟；在高温、高粉尘、高水分、高腐蚀性、高流速等恶劣测量环境下具有良好的适应性；气体浓度不易失真，测量精度高。可以广泛用于冶金、石化、水泥、电力、环保等行业。图2：四方光电TDLAS原位激光过程气体分析仪依托激光核心技术积累，发力环境气体监测正当时在环境监测烟气排放领域，基于TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱技术，公司开发了GasTDL-3000激光氨逃逸气体分析仪，适用于在线监测脱硝工艺出口NH3的浓度，采用高温伴热抽取技术，可以有效降低气体冷凝损耗，实时准确地反应逃逸氨的变化，为环保监测提供可靠数据支持。图3：四方光电TDLAS激光氨逃逸气体分析仪“近年来，TDLAS激光气体检测技术以其高效、方便和卓越的通用性也正成为目前解决煤矿瓦斯、燃气报警等环境问题的研究热点”，石平静还告诉记者，在工业领域和日常生活中甲烷一直被广泛应用 ,是典型的易燃易爆气体，及时精准检测，对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。TDLAS全光学设计、灵敏度高、电绝缘性好、不受电磁干扰、易于微机连接、能实现远距离传输，在易燃易爆物集散地、高温等极端环境中具有不可比拟的独特优势，是目前最有前景的一种甲烷监测传感技术。目前国内外市场上的甲烷传感器种类繁多，TDLAS调谐激光式方法相比于催化燃烧和氧化物半导体三种方法，是一种比较高端的甲烷测量方法，具有精度高、范围大、响应速度快、抗干扰、稳定性好，环境适应性高。近日，四方光电研发推出的一款激光甲烷气体传感器，按管廊标准要求进行设计，可应用于地下管廊(网)、地下井室石油化工、燃气生产运输等有甲烷气体的环境。图4：四方光电TDLAS激光甲烷传感器十年厚积，以激光光谱技术夯实高端医疗呼吸机用氧气传感器领导力地位四方光电坚持“1+3”发展战略，医疗健康气体传感器领域成果转化能力进一步提高，目前有制氧机超声波氧气传感器（取代传统的氧化锆氧气传感器）、激光氧气传感器（取代电化学和顺磁氧气传感器）、超声波肺功能检查仪等。氧气传感器是呼吸机、麻醉机的重要关键部件，开发高性能的医用氧气传感器，打破国外主流呼吸机企业和国外传感器供应商的技术垄断非常必要，是实现高端医疗呼吸机、麻醉机真正国产化的必要条件。呼吸机用氧气传感器国内目前主要采取电化学与顺磁测量氧气浓度，前者使用寿命短，通常使用一年就需要更换，且用一段时间会有偏差，需要不定期校准；后者价格昂贵，对气体压力比较敏感，需要进行压力补偿。针对目前呼吸机用氧气传感器存在的缺陷和技术难点，四方光电基于TDLAS可调谐激光光谱技术原理，就激光器选型与封装技术、氧气传感器控温及驱动电路设计、快速响应微小型气室设计以及信号解调及算法处理等多个方面进行研究，研制出具有较高精度、高稳定性、快速响应的激光氧气传感器，该产品替代同类进口产品，加快补齐我国高端医疗装备的短板，实现自主可控。 图5：四方光电快速激光氧气传感器写在结尾四方光电长期专注于气体传感器以及高端气体分析仪器的研发和产业化，依托省级技术中心、湖北省气体仪器仪表工程中心两个技术平台，四方光电积极融入国家技术创新体系，先后获得国家科技部创新基金重点项目、国家重大科学仪器专项、工信部物联网发展专项、湖北省重大技术创新项目、武汉市重大科技成果转化项目等多个项目的支持，逐步建立了包括红外、紫外、热导、激光拉曼、TDLAS、超声波、电化学、MEMS金属氧化物半导体等原理的气体传感器技术平台，这个平台为四方光电的高端气体分析仪器国产化提供了强有力的动力。最新发展的激光拉曼光谱、可调谐半导体激光吸收光谱TDLAS 等气体分析技术，配合公司常年发展积累的红外、热导、顺磁等原理的气体分析仪器技术，四方光电已经形成我国自有自主知识产权的高、中端完整的气体分析仪器应用解决方案，将大力推动钢铁冶金、煤化工、石油炼化、天然气等国家战略产业以及医疗健康等领域高端装备的国产化。

中红外QCL成像有助于光谱学家分析组织切片和进行药物分析，它还能进行呼气分析实现早期疾病诊断，并支持实时无创血糖监测。”昕虹光电为山西大学研究组呼气氨气检测项目，提供了来自瑞士Alpes Lasers的QCL光源以及配套的专用激光发射头、温控+电流驱动器。我们的应用科学家在QCL应用于医疗呼气检测方面，有丰富的学术研究经验。若您有相关需求，欢迎与我们联系！原文标题：Quantum Cascade Lasers Boost Life Science Research作者：PANAGIOTIS GEORGIADIS, OLIVIER LANDRY, ALEX KENIC, and MILTIADIS VASILEIADIS (Alpes Lasers)来源：Photonics.com编译：昕甬智测实验室1971 年 10 月，Rudolf F. Kazarinov和Robert A. Suris 提出了“在具有超晶格的半导体中放大电磁波的可能性”[1]。科学界花了20多年的时间来构建利用这一原理的器件。1994年，贝尔实验室的Jérôme Faist及其同事发表了基于子带间跃迁（量子阱之间导带中的激发态）的激光源工作原型和相关研究结果[2]。Faist后来与同事在瑞士共同创立了Alpes Lasers。图一 量子级联激光器 (QCL) 的典型光束轮廓（来源：Alpes Lasers）自量子级联激光（QCL）光源商业化以来，已经过去了20 多年。使用热电冷却在室温下运行的QCL现在已无处不在。这些激光器开创了中远红外光谱的新时代。近年来，QCL在稳定性、功率、光谱范围、可调性和整体性能方面取得了许多进步，其成本也逐渐被工业界所接受。此外，带间级联激光器（ICL）是另一种中红外激光器，与QCL一样，ICL中的每个注入载流子都会产生多个光子。ICL 的工作原理是基于II型异质结和级联带间跃迁（电子带之间的转移），不同于QCL的子带间跃迁。ICL在较短波长上是QCL的有效补充，通常在3.5 µm波长范围内，ICL的性能优于QCL。中远红外光谱的发展为光谱学领域创造了各种各样的应用场景，一些利用相干中红外光源的新应用得以在医学和工业中开展，并获得许多研究成果。就像1970年代初期傅里叶变换红外（FTIR）光谱设备取代色散光谱仪一样，QCL可以预见地正在逐渐取代笨重的FTIR设备。在QCL的相关研究中受益匪浅的几个关键领域，包括生命科学中的生物学、病理学和毒理学，以及医疗保健和制药行业。随着其激光功率的增加（允许穿透更厚的样品）、稳定性和紧凑性（允许它们部署在临床环境中），基于QCL的光谱分析，正迅速成为医学研究的先进技术。中远红外激光用于生命科学和医学领域的几个例子，像是薄组织切片的中红外成像、基于激光光谱学的液体或气体样品分析、生物标志物监测、病原体检测、药物开发分析等应用。QCL 使各种各样的医疗应用得到了改进，从样本的实验室分析到改变游戏规则的常规医疗程序，例如无创血糖监测。尽管取得了很大进展，目前生物医学界尚未充分发挥QCL技术的潜力。医学影像红外成像已经为医学领域带来重大进步。多光谱和高光谱成像技术已被证明对生物分子研究和组织病理学非常有效，并且在测试时间和准确性方面，使用成像来促进医疗干预变得越来越重要。 目前，我们已经有了成熟的无创红外成像技术，利用红外光谱分析组织和细胞。这些技术当中的一部分使用背反射光（主动）构建图像，其他的方法依赖检测组织由于其温度而发射的红外辐射（被动），由红外探测器感测热发射并产生组织中发射分布的热图。此外，在红外中使用标记成像（labeled imaging）[3]已经被视为一种成熟的常规技术存在[4]。电磁频谱中红外波段的使用在临床诊断中的应用范围广泛，从高分辨率和深度分辨的组织可视化，到温度变化（热成像）评估。此外，中红外光谱体外映射在组织和细胞分类的应用取得了显着进展——例如，用于识别癌细胞[5]。然而，在使用中红外光子学进行此类分析，尤其是无标记细胞和组织分类方面，还存在巨大的潜力[6]。大多数商用中红外成像设备通常受限于有限的波长能力（使用单模激光源），或是低功率导致较低的信噪比（如FTIR显微镜）。每种设备通常都是为特定的医学成像应用量身定制的，因此只针对某特定光谱范围做开发。相较之下，来自维也纳工业大学的Andreas Schwaighofer及团队在2017的一篇论文《Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy》证明QCL具有明显的优势：QCL可以针对特定目的进行定制，或者同时满足多种需求。最近的研究计划旨在通过进一步扩展QCL的能力，以开发功能更全面的中红外成像设备。研发人员希望同时达到FTIR设备的光谱可调性和基于多激光器外腔（External-Cavity）配置的更强信号激光源，在外腔配置中,组合使用了多达六个宽增益激光器。这些器件在可调谐性、精度和功率方面为中红外激光源提供了前所未有的能力。呼气分析分析呼出空气的科学，也称为呼吸组学（breathomics）或呼气组学（exhalomics），正在迅速成为医生和研究人员的主流应用。中红外激光特别适合这一新兴领域，因为人呼吸中存在的大多数挥发性有机分子在中红外光谱中具有明显的吸收指纹。针对呼气中的挥发性有机化合物（VOCs）以及特定气体（例如甲烷、丙酮、CO2 和其他受关注的化合物），可以使用激光光谱分析技术对其进行浓度检测。这些物质是生物标志物，可以向医生传达有关个人健康的大量信息。例如：VOC成分可以揭示炎症，丙酮水平可以提供关于一个人的代谢活动的信息（常用于肥胖研究和监测代谢紊乱），高水平的一氧化氮可能表明哮喘，而一氧化碳水平可以作为一种氧化应激或呼吸系统疾病的生物标志物。在过去的10年中，几个研究小组一直在探索呼吸组学，某些医疗初创公司正在利用QCL和 ICL分布式反馈（DFB）激光源，对人或动物呼吸进行气体传感。新的激光源例如QCL阵列和光束合并的DFB QCL等技术，将使多组分的呼吸分析成为可能，为医生提供更强大的诊疗工具。图二 基于QCL的呼气检测仪器液体生物标志物分析尽管QCL光谱通常与气体传感有关，但QCL也是分析液体的重要工具。由于拥有更高的激光功率，QCL允许分析更厚的样品和更复杂的基质，使其适用于生命科学中的许多应用。此类应用之一是基于激光的血液分析，它最近受到了很多媒体的关注，特别是在实时无创监测血糖水平方面。这种开创性的方法使用中红外激光源，可以实时经过皮肤透过光谱来监测葡萄糖。这种方法可以减轻糖尿病患者因使用针头定期检查血糖水平而带来的压力。此外，中红外集成光子学进一步改进了现有的小型化、可穿戴设备，能够执行连续测量，为医生提供可用于个性化治疗的数据。中红外激光在血液分析中的一项新用途是检测神经退行性疾病，例如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。通过专注于可在中红外光谱中检测到的一些特定生物标志物[8]，医生可以使用 QCL光谱分析技术，远在可识别的症状出现之前，提前8年预测疾病的未来发作。起始于疾病早期的药物治疗会更有效，因此这些信息很有价值，甚至可能促进疾病的预防。尿液是另一种可以分析生物标志物的液体生物样本（图三）。因为样本易于获取且相关检测的实验室技术丰富，尿液分析被广泛使用，最重要的是，尿液中存在的细胞成分、蛋白质和各种分泌物反映了一个人的代谢和病理生理状态（图四）。医生要求进行尿液分析的原因有很多，包括进行常规医学评估、评估特定症状、诊断医疗状况（例如尿路感染和未控制的糖尿病）以及监测疾病进展和对治疗的反应（例如肾脏疾病和糖尿病）。图三 QuantaRed Technologies基于QCL的尿液分析仪，具有两个由Alpes Lasers开发的组合DFB QCL。该分析仪是在NUTRISHIELD项目中开发的，获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助（来源：QuantaRed Technologies GmbH）图四 Alpes Lasers开发的DFB QCL合路器。该组件已成功集成到尿液分析仪和基于光子学的检测模块中，用于分析水质，特别是用于检测细菌。该模块是在WaterSpy项目中开发，获得了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助（来源：Alpes Lasers）使用QCL的分析设备能够根据中红外光谱分析结果直接量化尿液中的主要成分，如尿素和肌酐。QCL技术还可以检测酮类、葡萄糖和蛋白质。这些生物标志物的浓度升高可以作为各种疾病和病症的早期指标（图五）。图五 多激光系统中光束组合器的各种元件，包括高热负荷外壳中的 QCL(L和R)、反射镜 (M)、窗口 (W)、二向色分束器 (P) 和调节螺钉(x) 和 (y)（来源：Alpes Lasers）结语随着QCL领域的高速发展，包括多激光器外腔、超宽谱可调设备，或者在不久的将来，新开发的QCL频率梳的应用，可以期待的是，QCL将为生命科学领域带来更大规模的进展。参考文献1. R.F. Kazarinov and R.A. Suris (1971). Possible amplification of electromagnetic waves in asemiconductor with a superlattice. Sov Phys — Semicond, Vol. 5. pp. 707-709.2. J. Faist et al. (1994). Quantum cascade laser. Science, Vol. 264, Issue 5158, pp. 553-556.3. D.M. Gilmore et al. (2013). Effective low-dose escalation of indocyanine green for near-infrared fluorescent sentinel lymph node mapping in melanoma. Ann Surg Oncol, Vol. 20, Issue 7, pp. 2357-2363.4. Quest Medical Imaging (2021). Applications of the Quest Spectrum fluorescence imaging system, www.quest-mi.com/promising-applications.5. S. Pahlow et al. (2020). Application of vibrational spectroscopy and imaging to point-of-care medicine: a review. Appl Spectrosc, Vol. 72, pp. 52-84.6. S. Mittal and R. Bhargava (2019). A comparison of mid-infrared spectral regions on accuracy of tissue classification. Analyst, Vol. 144, Issue 8, pp. 2635-2642, www.doi.org/10.1039/c8an01782d.7. A. Schwaighofer et al. (2017). Quantum cascade lasers (QCLs) in biomedical spectroscopy. Chem Soc Rev, Vol. 46, Issue 7, pp. 5903-5924.8. A. Nabers et al. (2018). Amyloid blood biomarker detects Alzheimer’s disease. EMBO Mol Med, Vol. 10, Issue 5, p. e8763, www.doi.org/10.15252/emmm.201708763.昕甬智测实验室隶属于宁波海尔欣光电科技有限公司，专注于中远红外激光光谱检测技术（QCL/ICL+TDLAS），致力推动激光光谱技术的产业化应用，以激光之精，见世界之美。

在粒度测试过程中，有时会出现数据异常的情况，如重复性不好、同一个样品结果与之前有差异等。这样的情况一般是由以下几个原因造成的。1、环境异常：粒度仪的使用环境应该满足以下条件，一是室温在10℃~30℃之间，并且介质温度要与室温相同或相近，若介质与室温温相差过大会导致样品池结雾而影响测试结果。二是实验台要稳固，周围无振动源。振动会使仪器测试过程中光路发生变化，导致测试结果不稳。三是电源电压要稳定且有良好的接地，电压不稳会影响仪器内部电路运行的可靠性和光源的稳定性，从而使信号不稳或完全错误，从而导致结果异常。下图为样品池结雾时测试窗口异常的状态：环境异常的解决办法是对症下药，消除异常，如加装空调、加固工作台、远离振动源、远离电磁干扰设备（如电炉）、加装稳压电源、加装接地等。2、折射率发生改变：现代激光粒度仪一般采用Mie散射理论，选择正确的折射率直接决定了测试结果的准确性，正确的折射率可以通过系统或测量来得到。下图是同一样品不同折射率时的测试结果差异。 折射率发生变化的原因是测试不同的样品时忘记把上一个样品的折射率修改成现在样品的折射率，解决办法是严格按操作规范进行操作，要认真细致，不马马虎虎。3、保养维护不当：激光粒度仪是精密仪器，日常使用要按照操作规程使用，日常保养和维护不当会产生样品池污染、样品池划伤、透镜污染、管路脏、光电探测器损坏、使用腐蚀性介质测试导致循环系统损坏等，这些原因都会导致仪器测试结果异常。下图为样品池或者透镜脏时测试仪器背景。解决方法是定期清洗样品池和管路，及时更换划伤的样品池、不在非耐腐蚀循环泵中使用腐蚀性介质、不用汽油擦仪器表面、不随便打开仪器上盖、不使杂物掉到循环池中等。4、样品制备原因：一是取样不具有代表性（包括从车间里取样和实验室缩分）。二是所用的介质不合适。三是分散剂的种类和用量不正确。四是超声分散时间和强度不一致等。下图是同一种样品分散前后的对比图像。 解决方法还是对症下药，一是从车间取样时要尽量从料流中取样而不要在堆积状态下取样，如果不得不在堆积状态下取样，必须进行多点取样（至少4点），即从不同位置、不同深度取样后混合到一起。二是从实验室样品中取测试样时，要先搅拌均匀，用小勺多点（至少4点）取样放到仪器中进行分散测试。三是悬浮液取样时，要先用电动搅拌器搅拌均匀，然后用液体取样器从中部抽取。对比重较大、较粗、粒度分布很宽的特殊样品，要先加很少量的介质制成膏状物，混合均匀后再取样。四是介质要纯净、不与颗粒发生物理和化学反应、对颗粒表面具有良好的润湿作用、使颗粒具有适当的悬浮状态、介质与室温的温差要尽量小等。五是干法粒度测试时对气体介质的要求是纯净、干燥、无油、压力适中等。六是选择合适的分散剂并控制好用量。七是确定并使用最佳超声功率和时间。以上四个方面讨论了激光粒度测试过程中出现数据异常的常见原因，并给出了相应的解决方法。但引起数据异常的原因很多，情况也不一样，本文无法一一列举，如出现类似问题，可求教于专业人士，丹东百特也愿意以“专业、迅速、热情、周到”的服务理念，为您排忧解难。 （本文作者：百特售后服务工程师 管青宇）

区别于普通光源，激光具有相干性高、单色性纯和方向性好等优点。因此，自激光问世以来，科学家们一直致力于激光参数极致调控的研究，以推动科学研究和工业应用的发展。其中，光谱纯度是决定激光相干性的关键因素。激光运转过程中自发辐射对其强度和相位的影响、泵浦源的功率抖动、谐振腔的温度变化和振动以及发光增益介质的晶格缺陷等原因都会对激光器的线宽进行展宽，从而降低输出激光的相干性。基于稳频控制的腔外伺服电学反馈技术和基于光子寿命延长的固定外腔光反馈技术是当前实现窄线宽激光输出的常用手段。腔外伺服电学反馈技术的核心是引入高稳定度频率基准参考源，固定外腔光反馈技术实现线宽压缩的程度有限，且不能自动匹配主腔激光波长的变化。因此如何在常态条件下实现激光线宽深度压缩的同时，还能自适应波长的变化具有重要的科学意义和工业应用价值。重庆大学朱涛教授团队从源头出发，系统深入地研究了超窄线宽激光的波长自适应光谱纯化机制，提出通过外部微弱的分布扰动信号来有效抑制激光腔的自发辐射，从而在常态条件下实现激光光谱深度纯化的思想。在此基础上提出了一种主腔结合弱分布反馈外腔的激光新构型，这种构型对光纤激光器、半导体激光器等具有增益类型的激光器均适用，并且弱分布反馈的方式可以通过连续波导实现连续的弱分布反馈，也可采用干涉结构如WGM等实现离散的弱分布反馈，其中弱分布反馈的物理过程可以是瑞利散射，也可以是构建的分布弱反射等。他们在论文中展现了半导体DFB激光器结合弱分布反馈的超窄线宽激光器，在常态条件下实现了十赫兹量级的自适应输出（理论上该线宽可以低至赫兹以下）。分布弱反馈深度压缩激光线宽的核心首先是减缓了激光腔内运转过程中自发辐射的耦合速率，从而大幅减小了激光本底线宽；其次是较弱的分布反馈可对激光腔中光子相位在时空域上进行自适应连续修正，避免了固定外腔反馈形成的激光相位突变和多纵模振荡，保证激光单纵模持续运转的同时可实现激光线宽的极致压缩。这项工作为在常态条件下实现自适应超高光谱纯度激光提供了有力的理论和实验基础。图1 激光光谱纯化原理图图2 光谱纯化及自适应动态演化过程该研究团队提出的思路和激光构型为改进和获得各种增益类型的高相干激光光源打开了新的视野，对实现其它激光参数的极致调控也具有重要的参考意义。目前，研究团队下一步将在高相干的基础上进一步研究激光时频空参数的极致调控，并推动激光精密测量领域向着精度更高、速度更快、范围更广的方向发展。该工作以“Ultra-high spectral purity laser derived from weak external distributed perturbation”为题发表在Opto-Electronic Advances （光电进展）2023年第2期。

滨松公司利用其独特的光学半导体制造工艺，成功研制出世界上最大规模的液晶型空间光调制器（Spatial Light Modulator，以下简称SLM※1），该SLM的有效面积约较以往产品增加了4倍，且耐热性更高。该开发器件可应用于工业用高功率连续振荡（以下简称CW）激光器，实现激光分束等控制，应用到如金属3D打印，以激光烧灼金属粉来模塑成形车辆部件等，同时有望提高激光热加工的效率和精度。本次研发项目的一部分是受量子科学技术研发机构（QST）管理的内阁办公室综合科学技术和创新会议战略创新创造计划（SIP）第2期项目“利用光和量子实现Society 5.0技术”的项目委托，开展的研发工作。该开发器件将于4月18日（星期一）至22日（星期五）在横滨Pacifico（横滨市神奈川县）举办为期5天的国内最大的国际光学技术会议“OPIC 2022”上发布，敬请期待。※1 SLM：通过液晶控制激光等入射光的波前，调整反射光的波前形状，来校正入射光的光束和畸变 等，是可自由控制激光衍射图形的光学设备。传统开发产品（左）和本次研发器件（右）产品开发概要本次研发的器件是适用于高输出功率CW激光器的SLM。激光器分为在短时间间隔内可重复输出的脉冲激光器和连续输出的CW激光器。脉冲激光器可以减少热损坏，实现高精度加工；而CW激光器可用于金属材料的焊接和切割等热加工，因此成为激光加工的主流。滨松凭借长期以来积累的独特的薄膜和电路设计技术，已经成功开发了全球耐光性能最佳，适用于工业脉冲激光器的SLM。通过应用SLM，将多个高功率脉冲激光光束进行并行加工，相较于仅聚焦到1个点的加工方式，它的优势在于它可以实现碳纤维增强塑料（CFRP）等难加工材料的高速、高精度地加工。但在应用于CW激光器时，存在随着SLM温度上升导致性能下降的问题。SLM结构和图形控制原理SLM由带像素电极的硅衬底、带透明电极的玻璃衬底，以及两衬底中间的液晶层组成。它通过控制在像素电极上的液晶的倾斜角度，来改变入射光的路径长度然后进行衍射。其结果便是，通过对入射光进行分支、畸变校正等，实现对激光束照射后衍射图形的自由调控。此次，滨松公司运用了大型光学半导体器件在开发和生产中积累的拼接技术（※2），将SLM的有效面积扩大到30.24×30.72 mm，约为现有尺寸的4倍，为世界上最大的液晶型SLM，也因此它可以减少SLM单位面积的入射光能量。同时，由于采用耐热性和导热性俱佳的大型陶瓷衬底，提高了散热效率，成功地抑制了因CW激光器连续照射而引起的温度升高，使得SLM可适用于工业用的高功率CW激光器。此外，大面积硅衬底在制造过程中容易出现弯曲、平整度恶化的情况，进而导致入射图形的光束形状产生畸变，针对这一问题我们运用了滨松独特的光学半导体元件生产技术，使SLM在增大面积的同时，保持了衬底的平整度。至此，实现了光束的高精度控制。※2拼接技术：在硅衬底上反复进行光刻的技术。适用于完成无法一次性光刻的大型电子回路。本次研发的器件适用于工业用高功率CW激光器，实现多点同时并行加工，有望提高如金属3D打印为代表的激光焊接和激光切割等激光热加工的效率。此外，通过对光束形状进行高精度的控制，该开发器件可根据对象物体的材料和形状进行优化，进而实现高精度的激光热加工。今后，我们将继续优化SLM结构中的多层介质膜反射镜，以进一步提高耐光性能。此外，我们也会将此开发器件搭载到激光加工设备中，进行实际验证实验。研发背景SIP第2期课题旨在通过将网络空间（虚拟空间）和物理空间（现实空间）高度融合的信息物理系统（Cyber Physical System，以下简称CPS）验证具有革命性的创新型工业制造。其中，“利用光和量子的Society 5.0实现技术”中，我们研发的主题包括激光加工在内的3个领域，旨在通过CPS激光加工系统验证创新型制造的可能性。随着CPS激光加工系统的实现，我们期待通过AI人工智能收集在多种条件下用激光照射物体得到的加工结果数据，选择最佳的加工条件，进而优化设计和生产过程。SLM被定义为CPS激光加工系统中必需的关键设备，为此，我们将继续致力于提高SLM的性能。本次研发的器件在CPS激光加工系统中的应用场景主要规格

浮区法单晶生长技术在晶体生长过程中具有无需坩埚、样品腔压力可控、生长状态便于实时观察等诸多优点，目前已被公认为是获取高质量、大尺寸单晶的重要手段之一。激光浮区法单晶生长系统可广泛用于凝聚态物理、化学、半导体、光学等多种学科领域相关单晶材料制备，尤其适合高饱和蒸汽压、高熔点材料及高热导率材料等常规浮区法单晶炉难以胜任的单晶生长工作。Quantum Design中国引进的高性能激光浮区法单晶生长系统，传承了日本理化研究所(RIKEN,CEMS)的先进设计理念，具有更高功率、更加均匀的能量分布和更加稳定的性能。 图1：RIKEN（CEMS）设计的五束激光发生器原型机实物图2：RIKEN（CEMS）设计的同源五束激光发生器原型机原理图 与传统的激光浮区法单晶生长系统相比，新一代激光浮区法单晶炉系统具有四项技术优势：● 采用技术五束激光设计，确保熔区能量分布更加均匀；（号：JP2015-58640）● 更加科学的激光光斑优化方案，有助于降低晶体生长过程中的热应力；（号：JP2017-136640, JP2017-179573 ）● 采用了特的实时温度集成控制系统。（号：JP2015-78683 ） 采用新一代激光浮区法单晶炉系统生长出的部分单晶体：（图片由 Dr. Y. Kaneko (RIKEN CEMS) 提供）Sr2RuO4Ba2Co2Fe12O22SmB6Y3Fe5O12 新一代激光浮区法单晶炉系统主要技术参数：加热控制激光束源5束同源设计激光功率2KW熔区可实现高温：~3000℃*测温范围900℃~3500℃温度稳定性+/-1℃晶体生长控制晶体生长大设计长度150mm*晶体生长大设计直径8mm*晶体生长大速度/转速200mm/hr 40rpm样品腔真空度/压力10-4torr to 10 bar样品腔气氛O2/Ar/混合气晶体生长监控高清摄像头晶体生长控制PC控制其它占地面积D140 xW210 x H200 (cm)除此之外，Quantum Design还推出了多款光学浮区法单晶炉以满足不同的单晶生长需求。高温光学浮区法单晶炉：采用镀金双面镜以避免四镜加热带来的多温区点、高反射曲面设计，高温度可达2100-2200摄氏度，高效冷却节能设计不需要额外冷却系统，稳定的电源输出保证了灯丝的恒定加热功率。适用于生长高温超导体、介电和磁性材料、金属间化合物、半导体/光子晶体/宝石等。德国SciDre公司的高温高压光学浮区炉：能够提供2200–3000℃以上的生长温度，晶体生长腔可大压力可达300Bar，甚以及10-5mBar的高真空。适用于生长各种超导材料单晶，介电和磁性材料单晶，氧化物及金属间化合物单晶等。Quantum Design中国期望能够给予浮区法晶体生长技术的科研学者更多的支持与帮助！

据激光加工专委会统计，2023年中国激光产业产值约980亿元，直逼千亿元大关。 据MRFR数据显示，预计2026年全球激光加工市场规模将达到61.1亿美元。 中国激光产业正处于成长期，预计2024-2029年，我国激光产业市场规模将以20%左右的增速增长，到2029年产业规模或超7500亿元。可见，激光产业有着巨大的市场潜力。激光技术市场需求已成为国内外企业重点关注的话题之一。我国激光技术的市场需求主要在哪里？中国激光技术目前已应用于光纤通信、激光切割、激光焊接、激光雷达、激光美容等行业，涉及多个领域，形成了完整的产业链。激光切割激光焊接激光美容比如在工业制造领域，激光已成为需求极大的一种工具。用户可利用激光束对材料进行切割、焊接、打标、钻孔等，这类激光加工技术已在汽车、电子、航空、冶金、机械制造等行业得到广泛应用。新能源汽车制造激光打标激光钻孔激光这个“潜力股”跟热成像有关系吗？在激光这个庞大的产业链中，激光器和激光设备两个环节的竞争尤为激烈。激光器是产生、输出激光的器件，是激光设备的核心器件。从激光器来看，光纤激光器由于具备电光转换效率高、光束质量好、批量使用成本低等优势，可胜任各种多维任意空间加工应用，成为目前激光器的主流技术路线，在工业激光器中占比过半。对此值得关注的是，在光纤激光器的生产质检过程中，热成像仪可以发挥极大的应用价值。比如在大功率光纤激光器的制造过程中，严重的缺陷会导致光纤熔接处异常发热，从而对激光器造成损坏或烧掉热点。因此，光纤熔接接头的温度监测是光纤激光器制造过程中的一个重要环节。使用红外热像仪可以实现对光纤熔接点的温度监测，从而判断产品质量是否合格。在光纤激光器生产质检中，热成像还可以如何发力？先简单了解下，光纤激光器的组成和工作流程：注解：单条激光的功率有限。在泵浦和合束器的双重加成下，激光的输出功率会变得更大。在上述流程中，热成像可以有如下应用：① 光纤熔接点质量监测光纤之间会有很多焊接点，光纤熔接处可能存在一定尺寸的光学不连续性和缺陷，借助热成像仪可以监测光纤熔接点的温度有无异常，判断熔接点是否存在缺陷，提高产品质量。② 泵浦检测泵浦在工作时会产生大量热量，其温度会直接影响芯片输出的激光波长，使用热成像仪可以对每台泵的来料进行质量检测，保证激光器质量。③ 合束器检测通过热成像仪，既可以判断合束器温度是否异常，也可以检测合束聚合后，输入和输出光纤受热是否均匀。

激光痕量气体监测仪的新进展：性能和噪音分析（Recent progress in laser?based trace gas instruments: performance and noise analysis ，J. B. McManus M. S. Zahniser D. D. Nelson J. H. Shorter S. C. Herndon D. Jervis M. Agnese R. McGovern T. I. Yacovitch J. R. Roscioli， Appl. Phys. B (2015) 119:203–218）摘要我们用一些近来的数据回顾了使用中红外量子级联激光器，带间级联激光器和锑化二极管激光器的发展。这种监测仪主要用于高精度和高灵敏度测量大气中的痕量气体。在高性能软件的控制下，利用吸收光谱进行快速扫描，集成和高精度拟合。通过中红外波段，实现了出色的灵敏度。Aerodyne监测仪证明了在自然情况下痕量气体的测量精度达到1012级别，可实时测量CO2，CO，CH4，N2O和H2O的同位素。我们还描述信号处理方法，以识别和降低测量噪音。光谱信息分析的原理是将光谱加载到数组中并利用滤波片，傅立叶分析，多元拟合和成分分析进行处理。我们提供一个仪器噪音分析的实例，噪音是由电子信号与光干涉条纹混合形成。引言随着各种中红外单片固态激光器的问世，使用基于中红外激光仪器，对大气痕量气体的高精度测量已经成为常规，包括量子级联激光器（QCL），带间级联激光器（ICL）和基于锑化物的二极管激光器（TDL）。在3μm附近的波长范围内有缺口，但现在，设计人员有更多选择，在3μm附近的波长区域频率使用混合技术。在本文中，我们回顾Aerodyne Research，Inc.（下称ARI）公司使用中红外激光监测仪测量不同的痕量气体，并达到高灵敏度和/或高精度水平。这些仪器基于快速扫描和精确光谱拟合的直接吸收光谱，在高性能软件的控制下，在中红外波段，利用长光程，在减压情况下，通过热电冷却的激光和探测器实现出色的灵敏度。这里介绍了两种仪器：单激光仪器，光程长度最大为76 米；双激光仪器，光程长度最大为210 米。通过仔细选择波长，我们可以用单激光器同时测量多种气体。根据吸收率来说，仪器噪音在1 s的平均值为?5×106，可以测量1012级别大气中的气体]。这些仪器可以在多种环境中使用，包括实验室，偏远现场和移动平台（如卡车，轮船和飞机）。ARI公司仪器介绍及其性能一般来说，对于高浓度气体，几毫米的测量光程可能就足够了；但对于痕量气体来说，则需要数百米光程。Aerodyne气体监测仪仪器使用中红外快速频率扫描，直接吸收光谱并进行精确光谱拟合。仪器在减压池中利用较长吸收光程的新型红外激光源，对多种气态分子提供灵活而直接的高精度测量。光谱仪的基本配置比较简单：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探测器。图1显示了这种装置。多反腔有确定的路径长度，符合标准的激光可以传输到检测器，对样品气体的测量基于比尔-兰伯特定律。在许多情况下，激光扫描气体出现多个吸收峰，从而测量多个不同气体。让两道或更多激光通过吸收室，或者使用单个检测器时分复用，可以测量更多的气体。Aerodyne监测仪尽可能使用反射光学元件，光学系统几乎没有色散。通过选择不同波段激光和激光驱动，选择峰值灵敏度不同的检测器来匹配，测量给定单一气体或一组气体。对于不同的测量目的，选择不同的吸收光程。一般多反腔的光程为7–76 米，一般使用宽带透镜；对于浓度非常低的气体，210米光程的窄带高反射率透镜可以提高灵敏度。仪器的优化在过去的几年中，我们持续对仪器进行了改进，比如使用了新型的电流驱动器，它提供了QCL高顺从电压情况下的低噪音电流。我们还设计了低噪音激光驱动和其他电子设备，降低整个系统的噪音。使得平均1s采样情况下，吸收噪音为?5×106，在均时100 s具有更高的精度，这相当于约5×10-7的最终吸收噪音。很多因素使得噪音超过检测器限度，特别是窄带电子噪音和光学干涉条纹。中红外激光微量气体仪器由Aerodyne Research，Inc.生产的操作软件“ TDLWintel”控制，让每条激光可以设置为时分复用。TDLWintel可控制监测仪的操作并实时处理数据。两种激光电流斜率由TDLWintel定义，然后对检测到的信号采样（16位A / D在?1-1.5 MHz下运行），同步求平均，基于HITRAN参数以及测得的温度和压力的曲线，与计算出的吸收值拟合，可以对多达16种气体混合比实时记录。数据可以以10Hz采样频率记录，最大有效数据率由泵抽速和吸收池的大小决定。实验过程中一些情况，比如阀门开关或背景消减，也可由TDLWintel软件控制。我们展示了单激光（76米光程）和双激光监测仪（76米或者210米光程）的气体测量噪音结果（平均1s），分别在表1和表2中，测量噪音为以空气中的混合比表示，同时提供了噪音的不确定性。根据不同的吸收路径和测量情况，吸收噪音最佳的结果在1s内约为?5×106。仪器适用在各种环境中，无论是在实验室还是在野外实验中。野外现场包括偏远位置或在移动平台（例如轮船，卡车和飞机）上。我们在最近20年在许多野外现场使用过这些仪器。在过去的几年中，Aerodyne “移动实验室”已配备了多种气相仪器（单激光和双激光监测仪）以及测量颗粒物和较重的有机化合物配套仪器。如测量天然气中的甲烷排放，或者测量两种气体示踪物（例如，亚硝酸盐氧化物和乙炔），移动实验室可以直接开到附近，测量示踪气体以及甲烷。另外，通过测量乙烷（常见天然气的成分），我们可以区分来自天然气设施的甲烷和来自生物来源的甲烷。仪器的噪音分析 了解测量噪音源对于保持仪器性能水平至关重要，通常将重点放在最终的噪音源分析和讨论上，例如探测器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，统称为“技术噪音”，可能来自光学和电子方面，并可能是噪音的主要来源。而在在短时间尺度上的噪音可能是更长的时间范围的漂移。不同的噪音源可能表现出不同的功率谱密度（PSD），例如检测器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音会表现出闪烁噪音（1 / f PSD）。噪音可能会在频谱中产生随机波动，或者它可能具有窄带频率。另一个复杂因素是信号处理算法对噪音信号的响应。对于Aerodyne，混合比噪音是对噪音信号，以及压力和温度变量中多元拟合的结果。了解和减少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音图（方差作为平均时间的函数）以及功率谱，并将噪音划分类型。Allan-Werle方差工具是一种通用工具，可以评估短时噪音和平均时间极限。按类型划分噪音有助于指示其来源。三种常用噪音包括是暗噪音，轻噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在检测器被堵塞的情况下报告的混合比）包括检测器噪音，基本电子（Johnson）噪音以及其他多余的电子噪音。“轻噪音”（正常光照水平但吸收深度很小）包括所有暗噪音加激光噪音（1/f，即闪烁噪音和散射噪音），激光驱动电流噪音（产生幅度波动）和干涉条纹的变化。 “比例噪音”（吸收深度较大时看到的多余噪音）包括激光驱动电流噪音，压力和温度噪音以及峰值位置运动结合调谐率误差。频谱数组处理将频谱分解为许多部分，并显示出较多变量。通常应用于频谱数组的处理工具包括减去偏移量，平均值，拟合度，统计量度，变量[p]，[q]或这两者的傅立叶变换，相关性，和主成分分析。尽管有很多处理的实例，但是很难提出一个通用的分析方法，帮助我们了解所看到的一切。即使我们“解剖”光谱并找到大的干涉条纹，这不一定意味着干涉条纹是多余噪音的来源，比如干涉条纹不动或它们的频率太高而无法影响拟合。为了确定，我们需要确定导致多余的噪音因素，该因素的短期波动应与混合比的波动匹配。我们通过一个噪音分析的例子说明了分析过程。结果表明，多余噪音是由两种波的混合，即光学干涉条纹和电子信号混合导致的，产生的低频成分，明显影响混合比的测定，而任一单一波则对结果几乎没有影响。结论 我们对当前Aerodyne Research，Inc.生产的微量气体激光测量仪器进行了综述。提供了一组气体，以及同位素比的测量结果。仪器在性能上的改进包括降低了电源和激光驱动噪音。另外，制造工序变得更加精简。目前吸收噪音在1s内达到?5×106。然而，为获得最佳性能，仍然需要对噪音做进一步的探索。本文中的实例显示，多余噪音是由两种波的混合，由光学干涉条纹和电子信号混合导致。仪器的相关优势1. 持续对仪器的改进及噪音的分析，测量痕量气体的精度更高，测量气体达到ppt级别，甚至在10Hz的频率仍然保持极高的精度；2. 一次同时测量多种气体，消除了多台仪器测量时气体产生的系统误差并大大提高效率；3. 仪器适用于多种环境，满足实验室测量，野外远程测量和移动测量需求。 欲了解该产品的更多特点，欢迎咨询联系澳作生态仪器有限公司

table border=" 1" cellspacing=" 0" cellpadding=" 0" width=" 600" tbody tr td width=" 113" p style=" line-height: 1.75em " 仪器名称 /p /td td width=" 535" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " 多功能激光粉尘仪 /p /td /tr tr td width=" 113" p style=" line-height: 1.75em " 单位名称 /p /td td width=" 535" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " 北京绿林创新数码科技有限公司 /p /td /tr tr td width=" 113" p style=" line-height: 1.75em " 联系人 /p /td td width=" 187" p style=" line-height: 1.75em " 翟利明 /p /td td width=" 161" p style=" line-height: 1.75em " 联系邮箱 /p /td td width=" 187" p style=" line-height: 1.75em " 2851630081@qq.com /p /td /tr tr td width=" 113" p style=" line-height: 1.75em " 成果成熟度 /p /td td width=" 535" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " □正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 √可以量产 /p /td /tr tr td width=" 113" p style=" line-height: 1.75em " 合作方式 /p /td td width=" 535" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " □技术转让 & nbsp □技术入股 & nbsp & nbsp √合作开发& nbsp & nbsp □其他 /p /td /tr tr td width=" 648" colspan=" 4" p style=" line-height: 1.75em " strong 成果简介： /strong br/ /p p style=" text-align:center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/c834e053-482a-48d0-9e8d-a14b7828e2c2.jpg" title=" 多功能激光粉尘仪.jpg" width=" 350" height=" 327" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 350px height: 327px " / span style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp /span /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp LD-7S多功能激光粉尘仪是“高稳定高可靠PM2.5微电脑激光粉尘仪产业化培育”项目研究成果，本成果主要解决仪器长期运行的温度和零点漂移、环境湿度对测量值的影响等关键技术问题，并在电源保护及自动校准方面进行了技术创新，提高了电源的稳定性和可靠性，延长了电池使用寿命，可方便实现远程校准。多功能可便携、可在线实时监测、良好的环境适应性以及良好兼容性是我们产品的亮点。产品主要功能及性能指标如下： br/ & nbsp & nbsp & nbsp strong 主要功能 /strong ： /p ul class=" list-paddingleft-2" li p style=" line-height: 1.75em " 直读质量浓度mg/m3（设置浓度转换系数K值）。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 内置φ40mm滤膜，可在监测颗粒物浓度的同时收集粉尘样品。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " PM10、PM5、PM2.5、PM1.0、TSP切割器可供选择。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 独特的光路自清洗系统，避免粉尘对仪器核心部件的污染。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 内设出厂前已标定的具有光学稳定性的自校装置，可有效消除仪器的系统误差。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 大屏幕汉字提示,操作直观简便。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 多种工作模式，可直读TWA和STEL，可根据设定时间定时启动采样，所得数据可存贮、回放或导入PC机进行数据处理、打印表格和曲线。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 内置强力抽气泵，更适合于需配备较长采样管的采样场所（如集中空调排气口PM10可吸入颗粒物浓度的检测）。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 可设定粉尘浓度超标报警阈值，超标时自动声音报警或将信号传输到控制中心进行监控。 /p /li /ul p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp strong 主要技术指标 /strong strong /strong /p ul class=" list-paddingleft-2" li p style=" line-height: 1.75em " 检测灵敏度（相对于校正粒子）：0.001mg/m3（高灵敏度）；0.01mg/m3（低灵敏度）。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 测量范围（相对于校正粒子）：（0.001 ～10 ）mg/m3（高灵敏度）；（0.01～100）mg/m3（低灵敏度）。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 测定时间：0.1min，1min（标准测量时间），及（1～9999）min任意设定。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 重复性误差：≤2%。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 相对误差：± 10%。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 显示屏：汉字提示屏。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 连续监测：可设定测量时间（1～9999）s，待机时间（0～9999）s，采样次数（1～9999）次。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 数据存贮： /p /li /ul p style=" line-height: 1.75em " 一般测量：循环存储99组数据（可由仪器回放，亦可PC机读取）。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 劳动卫生：循环存储30组数据（可由仪器回放，亦可PC机读取），每组包括：采样日期，采样开始时间，使用K值，测量周期，TWA值，STEL值和记录序号。同时保留最新一次测量的每分钟所测浓度值（以CPM表示），最多1440个数值（24h），该组数据只能通过PC机读取。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 连续监测：可存储两组测量连续监测数据，每组最多存储9999个浓度值，只能通过PC机读取。 /p ul class=" list-paddingleft-2" li p style=" line-height: 1.75em " 报警模式：可设定报警浓度阈值，超过该阈值时声音报警。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 输出接口：PC机通讯串行接口（RS232/RS485）。 /p /li li p style=" line-height: 1.75em " 电源：可充电锂电池组3.5Vх2，电池充满可连续使用8h以上。在线仪器可使用专用 电源适配器供电。 /p /li /ul /td /tr tr td width=" 648" colspan=" 4" p style=" line-height: 1.75em " strong 应用前景： /strong br/ & nbsp & nbsp & nbsp 本成果仪器与其他商品销售仪器与其他商品销售颗粒物测量仪器相比，最大的特点是，具有湿度修正功能，可有效降低湿度对测量值的影响，改善高湿度环境下的测量准确度；既可通过设定测量时间进行颗粒物的实时测量，又可通过内置滤膜采样装置同时收集滤膜样品，进行重量法测量校准和成分分析。因此该仪器可应用于公共卫生，环境保护及工矿企业职业场所三大领域对包括PM2.5在内的颗粒物浓度进行快速检测，也可用于科研单位进行环境分析、污染源分析及对人类健康影响分析等。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp 近年来，PM2.5污染成为政府和民众关注的热点问题。为研究和了解可吸入颗粒物的来源、形成、污染过程，全国开始大范围建设在线监测网络，获取现场数据，为污染预警及控制以及政府决策提供依据。2015年全国环境监测工作现场会上环境保护部副部长吴晓青上谈“十三五”监测事业发展思路时提出了八项监控重点。其中之一是巩固和提升污染源监督性监测，企业自行监测及信息公开。这将涉及环境监测，卫生监察以及几十万企业，因此国 a href=" http://www.chinairn.com/report/20140303/084510754.html" style=" color: rgb(0, 0, 0) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 家政 /span /a 策将对产品应用产生巨大的推动作用。十二五期间我国的PM2.5监测覆盖了所有地级市，仅设备方面的前期投入就超过20亿元。“十三五”规划则对污染物排放总量的控制更加严格，要根据大气、水、土壤三大行动计划实施的需求，整合优化环境监测网络，不断强化污染源监测、环境应急与预警监测，这将带来可观的工业污染源、交通道路及筑建行业在线监测设备需求。除此之外颗粒物监测仪器在智能楼宇室内环境监测、净化器净化效果评价，控烟执法等市场需求也急剧增加，这些为PM2.5检测仪器撬动了一个巨大的市场。基于光散射原理制成的激光测尘仪具有成本低、体积小、重量轻、灵敏性高、操作简便、维护成本低廉以及快速直读的特性，非常适于上述应用，已成为很多系统集成商的唯一选择。但同所有原理的检测设备一样，所有光散射法检测仪器的测量值均受环境湿度影响，亟待解决，而本成果有效解决了湿度影响问题，有效提高了高湿度环境颗粒物浓度测量数据的可靠性，这对光散射法仪器大规模应用具有重要的意义。 /p /td /tr tr td width=" 648" colspan=" 4" p style=" line-height: 1.75em " strong 知识产权及项目获奖情况： /strong br/ & nbsp & nbsp & nbsp 本成果已取得自主知识产权， 其中“一种高稳定可靠粉尘浓度检测仪”实用新型专利1项（专利号2015 2 0643938.5）；“LD-7S激光粉尘仪软件” 软件著作权1项（证书号：软著登字第1179054）。 /p /td /tr /tbody /table p br/ /p

绿色荧光蛋白极化激元激光原理示意图：将活细胞产生的绿色荧光蛋白填充在微光腔中制成一层薄膜，光和电子能量混合产生准粒子。　　一个由英德科学家组成的研究团队在最近出版的《科学进展》杂志上发表论文称，他们首次将水母体内的荧光蛋白基因插入大肠杆菌基因组，利用转基因大肠杆菌产出了增强型绿色荧光蛋白(eGFP)并用来产生激光。研究人员指出，这一突破代表着极化激元激光领域的重大进步，其效率和光密度都比普通激光高得多，有望为研究量子物理学和光学计算开辟新途径。　　据美国趣味科学网日前报道，传统的极化激元激光器用无机半导体做增益介质，必须致冷到极低温度 而有机发光二极管(OLED)显示器中的有机电子材料能在室温下工作，但需要有皮秒(万亿分之一秒)光脉冲来供能。研究团队开发的新激光器也能在室温下工作，但只需纳秒(10亿分之一秒)脉冲。　　极化激元激光来自一种量子凝聚现象：激光增益介质中的原子或分子反复吸收发出光子，产生一种叫做极化激元的准粒子，在一定条件下变成一种联合量子态，从而发出激光。理论上极化激元激光需要的能量更少。　　研究人员把转基因大肠杆菌产生的eGFP填充在许多光微腔里，作为一种“光泵”，能以纳秒速度发出闪光，使整个系统达到产生激光所需的能量。“光泵”能在达到激发阈值后，给设备注入更多能量以产生传统激光。该激光发明人之一、苏格兰圣安德鲁大学物理与天文学院教授马尔特盖瑟说，皮秒脉冲的能量更合适，但制造起来要比纳秒脉冲难1000倍，他们的做法简化了很多制造工序。　　盖瑟还指出，新方法的一个关键优点是，蛋白质分子的发光部分被一种纳米大小的圆柱形外壳保护着，让它们彼此间不会互相干扰，分子结构很适合在高亮度下工作，更容易发出激光。但目前的激发阈值还太高，今后经过改进，最终可让极化激元激光器的激发阈值比传统激光器低得多，这样效率会更高，发光更致密。