迈克尔逊干涉光谱仪原理

激光干涉技术主要应用光波的空间相干特性。具体而言，对于两束光波或电磁波等横波，当波长相等、且相位差为2π整数倍时，合成波的振幅叠加增强至最大；当相位差为π奇数倍时，合成波的振幅抵消减小至最小。早在十九世纪下半叶，科学家们就已发明了多种原理干涉结构装置用于科学研究，其中最著名的是迈克尔逊-莫雷干涉试验，该实验采用钠光源平均谱线近似单色光进行干涉测量，从而否定了“以太”的假说。图1 迈克尔逊-莫雷干涉试验激光干涉仪的构成真正促进干涉技术巨大进步的契机是1960年激光器的发明。激光由于具有极窄的谱线，因而具有非常优秀的空间相干性。目前激光干涉仪主要的用途包括精准的尺寸和移动距离测量，测量准确度最高可以达到纳米甚至亚纳米量级。在构成上激光干涉仪最常使用的波长为632.8 nm，对于经典的迈克尔逊干涉测量原理，由激光器中出射的单色激光经过50:50半透半反的分束镜后分为2束光束，其中一束经过固定的光程后被反射镜反射，称为参考光束；另外一束光束由于存在被测对象，被反射镜反射后光程发生改变(距离或折射率变化引起)，称为测量光束。当两束光被反射后在分束镜第二次合成并随后照射探测器上被接收后，将产生干涉条纹的移动。由之前的光波的叠加性可知，假设测量光路距离变化为316.4 nm，当只存在一去程一回程的情况下，此时干涉条纹相位变化2π。目前商用激光干涉仪普遍采用两去程两回程，同时采用1024倍电子细分卡，因此分辨率可达0.16 nm。图2 激光干涉仪原理构造激光干涉仪的应用现状1. 在工业领域应用随着理论研究的深入和技术的不断进步，激光干涉测量技术目前精彩纷呈，在多个领域中都得到了非常广泛的应用。 包括单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、激光平面干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、皮米激光干涉仪、多波长干涉测距等。 单频和双频激光干涉仪。测量具有非接触和无损检测的特点，能够在线测量长度、角度和转速等参数，因此已成为各国精密数控机床在线定位精度测量的最主要标准之一。在精密加工过程中，位置精度是机床的重要指标，激光干涉仪通过在线位置测量、实时数据处理实现机床误差修正。另外在集成电路制造中，激光干涉仪也是光刻机在线位移测量的核心部件。图3 激光干涉仪在精密机床中的应用激光平面干涉仪。激光干涉仪不仅可以用于测量长度、角度以及位移，也可以测量物体的表面形貌。测量基本原理为激光菲索(Fizeau)干涉，激光经过扩束后先后经过参考平面和待测平面，两个平面的反射光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统接收。分析条纹形状即可判断是否存在缺陷。图4 激光平面干涉仪皮米激光干涉仪。现在随着微纳测量分辨率要求的进一步提高，出现了商品化的皮米激光干涉仪。皮米激光干涉仪采用包覆光纤作为激光传输介质，有效减小了空气折射率扰动对测量的影响；同时在干涉方式上干涉仪采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理，是一种多倍程干涉，进一步提高了分辨率。 图5 皮米激光干涉仪多波长干涉绝对测距。采用单波长干涉测距虽然分辨率可达到纳米级，但是单波长干涉测距是相对测量，且测量时光路不能中断，而多波长干涉能很好解决这个问题。因为在干涉测距中波长就像一把量尺，但如果测量距离大于这把量尺，则需要多次拼接测量。多波长干涉能形成很长的等效波长，使量尺范围大于被测距离，实现绝对距离测量。图6 多波长干涉绝对测距光相控阵雷达。随着自动驾驶技术的高速发展，现在激光干涉技术也应用在光相控阵(OPA)激光雷达(LiDAR)中。激光雷达会产生一系列密集超短激光脉冲扫描周围物体，通过脉冲返回时长差判断距离和轮廓。光相控阵雷达利用光栅干涉原理，可以通过改变不同狭缝中入射光线的相位差来改变光栅后中央条纹(主瓣)位置，从而控制激光雷达光束的指向和转向。 图7 激光干涉技术在光相控阵雷达中的应用2. 在科学研究方面应用激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO用于验证广义相对论预言的引力场扰动产生的时空扭曲。它本质上是一个超大型迈克尔逊干涉仪，由2条4千米长的互相垂直的臂构成，同时光线还会在臂内折返300次。当引力波会产生空间弯曲，干涉结果也会轻微变化。2017年美国科学家借助LIGO观测到双中子星合并引力波事件并获得了诺贝尔物理学奖。图8 激光干涉引力波天文台(LIGO)激光全息干涉测量技术。利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量。图9 激光全息干涉测量技术作者：中国计量科学研究院副研究员 李琪

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。

恒创新品傅里叶红外光谱仪MATRIX-50今天给大家推出的是我们2020年新上市的傅里叶光谱仪MATRIX-50，如下图： MATRIX 50型傅立叶变换红外光谱仪产品是天津恒创立达科技发展有限公司的结合机械、电子、AI等技术研制出来的先进仪器。该产品采用众多创新技术使得仪器的光源能量传输效率、干涉仪的稳定性、接收器的灵敏度都达到业内的先进的水平。可以满足教学、工业及研究等各种级别的应用。实验原理 利用干涉仪干涉调频的工作原理，把光源发出的光经迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射样品，接收器接收到带有样品信息的干涉光，再由计算机软件经傅立叶变换即可获得样品的光谱图。 应用行业1、珠宝鉴定 2、食品药品及其包装材料的测试3、塑料、橡胶、尼龙、树脂等高分子材料的鉴定4、沥青溯源及SBS含量测定5、脂肪酸甲酯含量测定6、矿物绝缘油、润滑油结构簇组成的测定7、车用汽油中典型非常规添加物的识别与测定8、硅晶体中碳氧含量的测量9、纺织纤维鉴别10、水晶Q值测定11、建筑玻璃参数测定 恒创2020年新上市的傅里叶光谱是我们自主研发的高品质，高性价比等仪器，目前为了开拓市场，特推出此款产品，欢迎大家前来咨询选购！！！！

C15511-01FTIR引擎采用滨松独有的MEMS技术，在1100-2500nm的近红外区域具有超高的灵敏度。该产品体积小质量轻，手掌大小的尺寸也是内有乾坤，迈克尔逊光谱干涉仪和控制电路统统内置其中。FTIR光谱仪是一种利用光学干涉仪的化学分析技术，利用红外光照射样品，针对每个波长测量透射或反射光强度，从而分析和确定样品中所含物质的类型和数量。目前，大部分实验室或者科研机构都使用的是台式光谱仪不仅占地面积大，而且使用起来也很笨重。C15511-01光谱仪引擎的出现便很好的解决了上述问题，在确保高灵敏度使用参数的同时，将产品尺寸降低为手掌大小，大大满足了分析测试现场的使用需求。 产品特点 ：- 小型紧凑 - 高灵敏度 - 高光谱重现性 - 光纤输入 - 光谱响应范围：1100 to 2500 nm - 高信噪比：非常适用于漫反射测量与吸光度测量性能参数：尺寸（单位：mm）创新点：经过精心重构光学干涉仪的设计思路，并采用独特的MOEMS技术，滨松成功开发出了一款高性能的微型化FTIR引擎。迈克尔逊光谱干涉仪和控制电路统统内置其中，仅手掌大小，却实现了在1.1-2.5μ m区域超高的灵敏度，具有远超同类产品的高信噪比表现（10000:1），以及高光谱重现性。可内置于便携式FTIR仪器中，实现整机小型化的同时，也可保证高性能的实现。 滨松FTIR光谱仪引擎 C15511-01

近日，由北京市经济和信息化委员会委托北京市技术创新服务中心主持的“WFX-220A原子吸收分光光度计、AF-3000系列原子荧光光谱及WQF-530傅立叶变换红外光谱仪”三个项目新产品鉴定会在北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司顺利召开。　　鉴定委员会由清华大学邓勃教授、国家地质实验测试中心杨啸涛研究员、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所石镇山所长、首钢集团郑国经研究员、清华大学孙素琴教授、北京理化中心陈舜琮研究员、北京矿业研究总院冯先进研究员共七位专家组成，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所张锦茂研究员、专家顾问章诒学高工列席会议。邓勃教授任鉴定会组长，北京市技术创新服务中心王安居处长主持会议。　　鉴定会专家认真听取了WFX-220A原子吸收分光光度计、AF-3000系列原子荧光光谱仪及WQF-530傅立叶变换红外光谱仪三个课题组分别对项目工作总结、技术总结及相关文件的汇报，观看了产品现场演示，了解了新产品的技术原理及优势。　　其中WFX-220A型原子吸收分光光度计通过集成阀体的引入及对气路系统优化设计，大幅度减小了火焰/石墨炉气路系统的体积，提升了安全性及可靠性 采用CPLD控制系统技术实现精确时序控制并同步检测，以较少的IO线驱动多电机等低功耗 石墨炉电源采用ARM芯片，实现了PID控制及运算，提升了控制精度和稳定性。　　而AF-3000系列原子荧光光谱仪则是在四象限对光技术的基础上，增加了光源漂移校准功能 智能空心阴极灯系统可实现空心阴极灯的自动识别和寿命监控 采用全密闭原子化室结构和自适应尾气过滤系统，稳定氩氢火焰，有效吸附废气中的有害成分 采用热流道加热器和脉冲热面点火技术，显着提高了原子化器温度控制的精准度和点火器件的使用寿命，确保原子化效率的长期稳定性 采用通信桥技术，实现WIFI、USB、串口等多种通信并发模式，可进行远程控制。　　最后一款WQF-530傅立叶变换红外光谱仪采用了定镜调节机构专利技术的新型角镜型迈克尔逊干涉仪，提高了干涉仪的长期稳定性 干涉仪内置温湿度传感器，温湿度及通讯状态实现自诊断，提高了仪器的可靠性 采取温度稳定型DLATGS探测器模块设计，提高了光谱透过率重复性及仪器稳定性。该产品性能优良，性能价格比高，满足FDA21CFR Part11标准对仪器的要求，具有较强的市场竞争力。　　鉴定委员会经质询和讨论，达成一致意见，同意北京瑞利分析仪器3款新品通过鉴定。

仪器简介MATRIX 50型傅立叶变换红外光谱仪产品是天津恒创立达科技发展有限公司的结合机械、电子、AI等技术研制出来的先进仪器。该产品采用众多创新技术使得仪器的光源能量传输效率、干涉仪的稳定性、接收器的灵敏度都达到业内的优质水平。可以满足教学、工业及研究等各种级别的应用。实验原理利用干涉仪干涉调频的工作原理，把光源发出的光经迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射样品，接收器接收到带有样品信息的干涉光，再由计算机软件经傅立叶变换即可获得样品的光谱图。卓越的光学系统设计 干涉仪采用DSP控制电磁驱动Michelson干涉仪，具有连续动态调整功能，自动优化系统能量，无需人工调整； SuperTect数字技术的电子系统。全数字化，输出数字信号。24 位、500KHz 的 A/D 转换，高速 USB接口，达到光谱数据实时采集，保证了数据的真实性和可靠性； 仪器内置工业级温湿度模块，显示屏直接数字化显示温湿度，并具有湿度报警装置，而且腔体整体密封，保证整个腔体密封干燥，提高了防潮效果，大大提高各部件的使用寿命； 专利的高能量红外光源，内置独特设计的反射镜，光源能量利用率远高于传统设计，可为傅立叶变换红外光谱仪的ATR及显微红外应用提供足够的能量。 可重复使用的304不锈钢盒装干燥剂，无需开盖即可更换干燥剂。 高频率稳定性He-Ne激光器和低功耗长寿命二极管激光器可选设计； 带电子稳压的24W碳化硅棒红外光源，采用数字供电技术，为光源提供稳定可靠的供电支持，并保证光源具有超长的使用寿命。 动态准直技术：激光采用四象限探测准直技术，可以消除干涉仪动镜运动过程中产生的机械偏差，可以消除环境变换（重力、温度变化等）造成的光学误差； 采用非正交设计的Michelson改良型干涉仪，大大提高了能量利用率； 分束器，探测器，窗片等核心部件均为进口且镀有特殊的防雾化涂层，具有超高的透过率，同时还能降低湿气对溴化钾的腐蚀，也可选择KRS-5、ZnSe等可靠的防潮材料； 光学镜面设计：光学反射镜采用整体SPDT切削工艺，保证镜面高反射效率及光学系统一致性。 扩展功能强大，可连接透射附件、衰减全反射附件（ATR附件）、漫反射附件、平面反射附件、外反射附件、红外显微镜等；功能强大智能操作软件设计 1. 带有操作指引的智能人机交互设计，界面直观简洁，简单易学；2. 丰富的谱图库，强大的自建库功能及高质量的谱图检索；3. 实时显示数据采集，可以连续显示数据采集过程和谱图预览模式；4. 操作软件包括基线校正，数据转换，多组分定量、曲线分峰拟合，H20/CO2自动补偿，吸光度透过率转换、 KK转换，标峰，四则运算，Y轴归一化功能，QC比较， 基础解析等功能；支持 CSV,SPA,DPT,TXT等等十几种格式；支持波数cm-1和波长um任意切换。 应用行业珠宝鉴定食品药品及其包装材料的测试塑料、橡胶、尼龙、树脂等高分子材料的鉴定沥青溯源及SBS含量测定脂肪酸甲酯含量测定矿物绝缘油、润滑油结构簇组成的测定车用汽油中典型非常规添加物的识别与测定硅晶体中碳氧含量的测量纺织纤维鉴别水晶Q值测定建筑玻璃参数测定… … 规格参数1. 光谱范围：7800～350 cm-12. 分辨率：优于0.8cm-1 3. 波数精度：≤0.01cm-14. 信噪比：40000:1 （P-P值，4cm-1，一分钟扫描）5. 分束器：KBr基片镀锗（进口）6. 光源:高能量、高效率、长寿命陶瓷光源（进口）7. 干涉仪：30度入射角Michelson干涉仪8. 接收器：带有防潮膜的高灵敏度DLATGS接收器（进口）9. 支持系统：Windows 系统创新点：1.专利的高能量红外光源，内置独特设计的反射镜，光源能量利用率远高于传统设计，可为傅立叶变换红外光谱仪的ATR及显微红外应用提供足够的能量。 2.动态准直技术：激光采用四象限探测准直技术，可以消除干涉仪动镜运动过程中产生的机械偏差，可以消除环境变换（重力、温度变化等）造成的光学误差. 3.可重复使用的304不锈钢盒装干燥剂，无需开盖即可更换干燥剂。 MATRIX-50 傅里叶红外光谱仪

仪器简介MATRIX 50型傅立叶变换红外光谱仪产品是天津恒创立达科技发展有限公司的结合机械、电子、AI等技术研制出来的先进仪器。该产品采用众多创新技术使得仪器的光源能量传输效率、干涉仪的稳定性、接收器的灵敏度都达到业内的优质水平。可以满足教学、工业及研究等各种级别的应用。实验原理利用干涉仪干涉调频的工作原理，把光源发出的光经迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射样品，接收器接收到带有样品信息的干涉光，再由计算机软件经傅立叶变换即可获得样品的光谱图。卓越的光学系统设计 干涉仪采用DSP控制电磁驱动Michelson干涉仪，具有连续动态调整功能，自动优化系统能量，无需人工调整； SuperTect数字技术的电子系统。全数字化，输出数字信号。24 位、500KHz 的 A/D 转换，高速 USB接口，达到光谱数据实时采集，保证了数据的真实性和可靠性； 仪器内置工业级温湿度模块，显示屏直接数字化显示温湿度，并具有湿度报警装置，而且腔体整体密封，保证整个腔体密封干燥，提高了防潮效果，大大提高各部件的使用寿命； 专利的高能量红外光源，内置独特设计的反射镜，光源能量利用率远高于传统设计，可为傅立叶变换红外光谱仪的ATR及显微红外应用提供足够的能量。 可重复使用的304不锈钢盒装干燥剂，无需开盖即可更换干燥剂。 高频率稳定性He-Ne激光器和低功耗长寿命二极管激光器可选设计； 带电子稳压的24W碳化硅棒红外光源，采用数字供电技术，为光源提供稳定可靠的供电支持，并保证光源具有超长的使用寿命。 动态准直技术：激光采用四象限探测准直技术，可以消除干涉仪动镜运动过程中产生的机械偏差，可以消除环境变换（重力、温度变化等）造成的光学误差； 采用非正交设计的Michelson改良型干涉仪，大大提高了能量利用率； 分束器，探测器，窗片等核心部件均为进口且镀有特殊的防雾化涂层，具有超高的透过率，同时还能降低湿气对溴化钾的腐蚀，也可选择KRS-5、ZnSe等可靠的防潮材料； 光学镜面设计：光学反射镜采用整体SPDT切削工艺，保证镜面高反射效率及光学系统一致性。 扩展功能强大，可连接透射附件、衰减全反射附件（ATR附件）、漫反射附件、平面反射附件、外反射附件、红外显微镜等；功能强大智能操作软件设计 1. 带有操作指引的智能人机交互设计，界面直观简洁，简单易学；2. 丰富的谱图库，强大的自建库功能及高质量的谱图检索；3. 实时显示数据采集，可以连续显示数据采集过程和谱图预览模式；4. 操作软件包括基线校正，数据转换，多组分定量、曲线分峰拟合，H20/CO2自动补偿，吸光度透过率转换、 KK转换，标峰，四则运算，Y轴归一化功能，QC比较， 基础解析等功能；支持 CSV,SPA,DPT,TXT等等十几种格式；支持波数cm-1和波长um任意切换。 应用行业珠宝鉴定食品药品及其包装材料的测试塑料、橡胶、尼龙、树脂等高分子材料的鉴定沥青溯源及SBS含量测定脂肪酸甲酯含量测定矿物绝缘油、润滑油结构簇组成的测定车用汽油中典型非常规添加物的识别与测定硅晶体中碳氧含量的测量纺织纤维鉴别水晶Q值测定建筑玻璃参数测定… … 规格参数1. 光谱范围：7800～350 cm-12. 分辨率：优于0.8cm-1 3. 波数精度：≤0.01cm-14. 信噪比：40000:1 （P-P值，4cm-1，一分钟扫描）5. 分束器：KBr基片镀锗（进口）6. 光源:高能量、高效率、长寿命陶瓷光源（进口）7. 干涉仪：30度入射角Michelson干涉仪8. 接收器：带有防潮膜的高灵敏度DLATGS接收器（进口）9. 支持系统：Windows 系统创新点：1.可重复使用的304不锈钢盒装干燥剂，无需开盖即可更换干燥剂。 2.带电子稳压的24W碳化硅棒红外光源，采用数字供电技术，为光源提供稳定可靠的供电支持，并保证光源具有超长的使用寿命. 3.多种分束器可选：KBr、ZnSe，CaF2等可靠的防潮材料等 MATRIX-50 傅里叶红外光谱仪

天津市拓普仪器有限公司与欧洲知名的FTIR厂商合作，同时结合多年红外生产经验，开发出适合中国市场使用的新型傅立叶变换红外光谱仪FTIR920系列已经面市，该仪器应用了多种独特技术来确保此款紧凑型的红外光谱仪具有很高的性能。FTIR920的尺寸只有59×39×19cm，是一款紧凑而通用的傅立叶红外光谱仪。FTIR920型在光学设计、软件及固件设计方面独具特色，可以显著减少总分析次数。干涉仪采用新型的迈克尔逊自补偿光学系统，能去除许多常规光学干涉仪中存在的光学校正问题。FTIR920设计中避免了传统三面直角棱镜的使用并能动态校正。该仪器广泛应用于科研机构，大学实验教学及各行业的应用检测。欢迎广大新老客户订购!订购电话：022-88289916 88289918 　　技术指标： 　　波长范围 7000 至 400 cm-1 红外光源 高强度气冷 　　分束器 多层KBr 探测器 低噪音DLATGS 　　分束器,可选 ZnSe, CaF2, CsI 探测器 MCT(可选) 　　分辨率 2 cm-1 清洗功能 是 　　分辨率，可选 1.0 或 0.5 cm-1 附件 通用FTIR 附件 　　孔径比 f /3.2 操作系统 Windows 98/2000/XP 　　干涉计 自动校正 　　射束直径 30 mm 能量(电压) 90-230VAC, 12VDC, 40 W 　　参考频率 HeNe laser 外形尺寸 长59×宽39×高19 cm 　　喷射端口 可选 重量 24 kg 　　样品室 长20×宽26×高16 cm 环境温度 15 - 28 ℃ 　　样品处光束 10 mm dia. 环境湿度 低于 65%

仪器信息网讯 2023年9月23日，由中国物理学会光散射专业委员会主办、河南大学承办、陕西师范大学协办的第二十二届全国光散射学术会议在河南开封召开。此次会议邀请了国内外光散射，以及相关光谱原理和技术领域的诸多知名专家学者，共同探讨光散射领域的最新研究成果和发展趋势，吸引了近500人注册参会。值得一提的是，为了解决科研和实际应用中的难题，多位专家在仪器技术开发方面做了系列探索，并产出了相关的成果，吸引参会代表关注。部分报告内容分享如下：中国科学院半导体研究所 谭平恒研究员《显微共焦拉曼光谱模块及其应用》现场仪器展示：显微共焦拉曼光谱模块鉴于市场上显微共焦拉曼光谱仪的昂贵价格，是否能设计一套显微共焦拉曼光谱测量模块，可与任何光谱仪耦合成一套成本低、操作简便、光路布置合理以及后期升级方便的多功能显微共焦光谱仪是众多研究者迫切盼望的事情。22日的会前特邀讲座环节，中国科学院半导体研究所谭平恒研究员分享了其课题组的仪器成果，并在会议同期做了仪器展示。据介绍，在近25年拉曼光谱研究经验基础上，谭平恒研究员的课题组成功研制了显微共焦光谱测量模块，连续多年入选《中国科学院自主研制科学仪器》产品名录，可以实现从拉曼光谱仪到布里渊光谱仪耦合，从高信号透过率到低波数信号测量，从近红外激光到深紫外激光激发，从光栅光谱仪到光纤光谱仪耦合，从高温热台到极低温恒温器应用，从光谱多信号出口到高性价比多功能集成与升级方案，从实验室照明状态下调试和测试到超低背景噪声光谱实现等功能。中国科学院上海微系统与信息技术研究所 陈昌研究员《芯片级拉曼光谱仪的机遇与挑战》微型拉曼光谱仪使拉曼技术在更广泛的无损快速检测场景中得以应用。陈昌研究员在报告中从原理、小型化、应用等方面对色散型光栅光谱仪、迈克尔逊干涉光谱仪、空间外差干涉光谱仪等的优缺点进行了分析，并详细介绍了微型化、高性能拉曼光谱仪面临的挑战，包括高通量、高光谱分辨率等。为了攻克难题，陈昌研究员的实验室汇聚了8大类30多台拉曼光谱仪。经过课题攻关 ，其课题组开发了芯片级的空间外差拉曼光谱仪。据介绍，该产品核心部件轻于1克，实现了若干个物质的拉曼光谱重构。北京理工大学 崔晗教授《激光空间偏移/差动共焦拉曼光谱技术及应用》传统拉曼光谱技术的探测深度只有几百微米，仅可用于样品表层信息的探测，而空间偏移拉曼光谱(SORS)技术通过收集离激发光轴有一定偏移量的轴外拉曼光谱，可实现样品内部深层信息的探测。北京理工大学崔晗教授课题组提出了一种将空间偏移拉曼光谱技术与空间外差光谱技术(SHS)相结合的空间偏移外差拉曼光谱(SHORS)的方法，以对现有空间偏移拉曼光谱技术的性能进行改善。与采用光栅色散型光谱仪的空间偏移拉曼光谱技术相比，空间偏移外差拉曼光谱技术将系统的灵敏度提高了约一个数量级，为其在生物医学、地质考古等领域的进一步应用提供了技术途径。不仅如此，该课题组还基于差动共焦定焦技术构建了系列差动共焦拉曼光谱仪，实现了微区三维几何形貌和光谱信息的同步原位探测，提高了系统定焦能力，改善了系统抗漂移能力。除了以上的报告之外，还有很多老师分享了在拉曼光谱仪器技术、方法开发方面所做的系列工作，如力学拉曼光谱、紫外共振拉曼光谱、原位高温拉曼光谱、时间门控拉曼光谱等。24日，雷尼绍、牛津仪器、赛默飞、天美仪拓、光谱时代、HORIBA、长光辰英、鉴知技术等仪器企业也将分享最新的产品和技术。为期3天的报告还在继续，相关的新技术新成果精彩纷呈，鉴于篇幅的原因不能一一描述，仪器信息网也将给大家持续分享会议的精彩内容，敬请期待！

p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/3d989e7c-bc69-45ba-8c42-0a9727c31bec.jpg" title=" 北分瑞利_副本.jpg" / /p p 　　WQF-530型傅立叶变换红外光谱仪是北分瑞利全新推出的，拥有完全自主知识产权，是一款优质、价廉、有一定的技术先进性，并具有5～8年持续竞争力的产品，仪器在外观、软件、通讯方式、高精度A/D、干涉仪小型化以及产品功能方面有重要突破。 /p p 　　仪器采用了角镜型迈克尔逊干涉仪结合专利定镜调节技术、智能化多重密封防潮技术、集成电气系统及抗电磁干扰技术等，仪器整体性能大大提升，使分析过程更加智能化、操作便捷、直观和高效。 /p p br/ /p

p 　　近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心在生物大分子太赫兹近场成像光谱仪研究中获得进展，相关结果以《基于扫描探针显微镜的近场超空间分辨指纹光谱技术研究现状》为题在《红外与毫米波》期刊上进行发表。 /p p 　　在中国科学院科研装备项目的支持下，该团队开展了生物大分子太赫兹成像光谱仪的研制工作，欲利用金属化纳米探针在纳米级针尖附近形成的局域增强太赫兹波来照射生物大分子，从而能突破光学衍射极限实现对纳米级大小的生物大分子进行成像。 /p p 　　目前，该研究利用可见的氦氖激光对不可视太赫兹波主体光路(图1)的准直、聚焦状态进行精准的辅助调节，已完成了对近场太赫兹波信号相干放大的迈克尔逊干涉仪的调试，实现了利用外部信号发生器来驱动金属化原子力探针在垂直方向做周期的机械运动，获得了金属化原子力探针与铝基底的太赫兹光谱(图2)。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" FLOAT: none" title=" 111.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201509/insimg/88d7a724-d2b9-455e-9c3f-828584592b50.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" & nbsp /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　图1 基于连续波太赫兹源的太赫兹近场成像系统原理图 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img style=" WIDTH: 549px FLOAT: none HEIGHT: 416px" title=" 222.jpg" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201509/insimg/942e5038-8282-4a4d-865f-c824014c3659.jpg" width=" 549" height=" 416" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　图2 金属探针与铝基底的太赫兹光谱 /p p /p

背景　　为期一周的Pittcon 2011展览会已经落下帷幕，今年Pittcon展会上有哪些重要的仪器?有哪些厂商推出了最新产品?仪器信息网编辑特将Pittcon展会上所了解到的重要仪器及最新产品信息按照类别进行整理，编辑成有机质谱及色谱类新品、光谱类新品、X射线类、物性测试类等，以飨网友。　　（注：新仪器的研发周期较长，文中介绍的产品大部分是最近1-2年内推出的产品。而且本次Pittcon展会有超过2000个展位，由于时间关系不排除有一些最重要的新产品没有列进来。敬请见谅！) 　　一、原子光谱 　　德国斯派克分析仪器公司高分辨ICP-CCD光谱仪 　　与其他ICP光谱最大的不同的是，ICP-CCD光谱仪左边巨大的圆形设计，在左边圆形的空间内对光路进行了特别设计，并采用了CCD技术，可以测量远紫外光谱区域(130nm-160nm)，直接测量卤素(Cl、Br)。 　　安捷伦710系列ICP发射光谱 　　安捷伦710系列ICP发射光谱系继承原瓦里安产品，CCD检测器，具有较好的信噪比。 　　岛津AA-7000火焰石墨炉一体机原子吸收 　　岛津AA-7000火焰石墨炉一体机原子吸收采用6灯位设计，配备了振动传感器，一旦检测到振动，立刻自动熄灭火焰。 　　加拿大AURORA 800系列原子吸收光谱仪 　　加拿大AURORA 800系列原子吸收光谱仪，采用6灯位设计，是一款针对低端用户设计的仪器，自动化程度相对较高。 　　二、分子光谱 　　HORIBA Jobin Yvon公司Aqualog 荧光光谱仪 　　Aqualog 荧光光谱仪在同一台仪器上实现了同时吸收和三维荧光光谱技术，速度增加100倍。 　　JASCO FT-8000系列荧光光谱仪 　　JASCO FT-8000系列荧光光谱仪是一款科研级产品，具有较高的灵敏度( 5000, RMS)和扫描速度 (60,000 nm/min)。 　　HORIBA Jobin Yvon XploRA全自动显微共焦拉曼光谱仪 　　该款产品在2008年上市的XploR产品“上照式”基础上发展而来的，“下照式”对于生物样品研究具有特别重要的意义，并分别采用奥林巴斯和尼康的光学配件，很好地将“高精度”和“便于移动”结合在一起。 　　上海元析仪器有限公司B-800型核酸光谱仪 　　上海元析仪器有限公司B-800型核酸光谱仪样品用量少，旋转式光源自动切换，定位准确；专用核酸分析软件包可实现全波段扫描和动力学测试等分析功能。 　　北分瑞利分析仪器(集团)公司WQF-510A傅立叶变换红外光谱仪 　　WQF-510A傅立叶变换红外光谱仪曾荣获“2009年度科学仪器优秀新品”的称号，角镜型迈克尔逊干涉仪结构使得仪器更紧凑，体积更小。 　　必达泰克MiniRam拉曼光谱仪 　　必达泰克MiniRam拉曼光谱仪的主要特点在于：光谱覆盖范围较长，配备了致冷CCD检测器。 　　三、微型光谱仪、颜色测量光谱仪 　　海洋光学高性能微型光谱仪 　　这款高性能微型光谱仪是海洋光学2010年新推出的产品，该产品基于互补金属氧化物半导体传感器的原理，特别适宜于嵌入OEM设备中。可以测量颜色、光发射、吸收率。 　　Microptix公司微型光谱仪 　　Microptix公司微型光谱仪，用于测量颜色。 　　HANNA公司微型光谱仪 　　HANNA公司推出多款微型光谱仪，可以专门针对颜色测量。

p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 2017年4月10日，湖北久之洋红外系统股份有限公司承担的国家重大科学仪器专项“现场级多波段红外成像光谱仪开发与应用”通过2017年三组一委(总体组、专家组、监理组、用户委员会)会议评审。国家科技部刘处长和武汉光电国家实验室叶朝辉院士等专家进行了现场审查，并对该专项给予高度评价。 /p p 　　该项目由中船重工集团组织实施，由久之洋公司承担，在去年8月份从29个审查项目中脱颖而出，或得技术高分、综合评分A级的优良评价，顺利通过中期验收。并获得2670万元的全额国家专项经费拨付。近期，该项目按照阶段审核，以优良的专业技术水平通过了项目三组一委会议评审，标志该项技术实现又获新高。 /p p 　　与会专家认为该项目所研制具有自主知识产权的现场级多波段红外成像光谱仪，突破了大视场迈克尔逊干涉仪设计、宽谱段分光镜分区镀膜多项关键技术，提升了我国成像光谱领域的自主创新能力和核心竞争力。目前项目在工程化与应用研究方面已经取得了阶段性成果。在海上溢油监测、有害气体检测与军事目标辐射特性研究等应用领域有着广泛的应用前景。国家科技部刘春晓处长对项目产业化前景充满信心，并对项目的验收工作寄予厚望，祝愿项目能以优异的成绩通过验收。叶院士等专家对项目的完成情况和仪器的应用开发情况表示了充分的肯定，期望项目组能在中期优秀的基础上更上一层楼，做出性能优良、高技术指标的仪器。中船重工科技部王俊利主任指出项目组以生产国际一流的仪器为己任，以工程化和应用研究为重点，进一步验证仪器在机载/舰载/车载等不同平台的工作稳定性和可靠性。在安防、反恐、环境保护、科学研究等应用领域外积极拓展。据悉该项目将于2017年9月完成研制并验收。 /p

目前微塑料定性定量探测技术主要有拉曼光谱技术（Raman）、傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、裂解气相色谱-质谱联用技术（Pyrolysis-GC/MS）等，其中Raman和FTIR已成为最常用的两种鉴别方法，这与其技术特点是分不开的。1.拉曼光谱技术（Raman）是基于拉曼散射效应，光照射在微塑料样品上后，大部分光子被样品分子直接散射出来，散射光频率不变，小部分光子和样品分子发生碰撞和能量转移，改变了分子的振动方式，导致样品散射出了其他频率的光，它与原入射光的频率差值又称“拉曼位移”。“拉曼位移”的程度与分子结构密切相关，因而可以起到类似“指纹”的作用，通过光栅光谱仪等设备可以提取出样品拉曼特征谱峰的位置和强度，然后与标准物质的光谱数据库进行比对，就可以确定样品的成分。在微塑料分析时，经常将拉曼光谱技术与光学显微镜组合，构成显微拉曼测量系统（Micro-Raman），这样不仅可以获取样品的拉曼光谱，还可以绘制整个样品区域图像，从而快速确定微塑料的种类、形貌、尺寸及数目。图4是显微拉曼系统结构示意图，它主要由激光器、显微镜和光探测器等组成。用于微塑料测定时，常用的激光波长有785nm，532nm或1064nm；因为样品的拉曼光谱信号往往很弱，光探测器需使用带制冷功能的高灵敏度光谱仪。测量时，激光器出射光经过调制或过滤，进入显微镜后，被物镜聚焦到样品上，样品散射出的拉曼光谱信号被显微镜头收集，再经过分束器和二向色镜过滤进入光谱仪的探测器中，变成电信号后由电脑记录和分析。样品的形貌、尺寸等信息可由显微镜上自带的CCD（或CMOS等）图像传感器获取。图4：拉曼系统测量原理示意图。图片来源：Raman Spectroscopy, ScienceFacts在微塑料分析方面，Raman光谱技术优势很多，对样品无破坏性或微损，抗水分子干扰能力强，对样品预处理要求简单，并且可以分析深色或不透明的塑料样品。此外拉曼光谱的空间分辨率较高，在鉴定粒径小于20um的微塑料颗粒碎片方面优势明显。该技术的主要缺点在于拉曼光谱属于弱信号，信噪比较低。另外样品中杂质的荧光会产生干扰，严重时会彻底淹没待检特征光谱信号，影响了测量速度和检测限。2.傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）是基于迈克尔逊干涉仪和分子吸收光谱原理。红外光源发出的连续光被干涉仪内的分束器分为两束，一束到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经过定镜和动镜反射后再回到分束器上汇合后射出。动镜以恒定速度前后移动，导致两束光之间存在光程差而发生干涉。射出的干涉光穿过样品池，照射在样品上，样品分子或其官能团会发生振动能级跃迁，吸收与其振动频率相同的红外光能量，使得几个特定波段的红外光能量被削弱，出射光束携带了样品的特征吸收信息，并被光电检测器转为电信号传输到电脑上，然后采用傅里叶变换算法对信号进行解析，最终提取出样品的吸收光谱信息。因为不同种类的微塑料会有不同的光谱吸收峰结构，可以起到类似“指纹”的作用，故可以像拉曼光谱分析一样，将其与标准物质的光谱数据库进行比对，就可以确定样品的成分。其测量系统如图5所示。如若样品比较透明、轻薄，可以采用简便的透射模式测量，不过需要红外滤片配合；如若样品比较厚或不透明，则可采用反射或衰减全反射（ATR）模式来获取样品特征光谱信息[5]。此外FTIR也可以与光学显微镜联用，进一步获取样品的图像特征。图5：FTIR测量系统示意图。图片来源：In: Park, T. (eds) Bioelectronic Nose. Springer, Dordrecht.在微塑料分析方面，FTIR技术有和Raman技术相同的优点，比如对样品无破坏性，样品预处理要求简单，测量准确等。但不同于Raman技术，FTIR技术无需衰减严重的色散分光，光能量利用率高，光通量大，信号强度高，测量速度快，这是FTIR技术的独特优势。FTIR技术也有一些缺点，样品测试极易受水分子干扰，样品必须保持严格干燥；同时对于形状不规则或厚度过大样品，FTIR技术会因折射误差等原因造成红外光谱图解析困难。对于粒径小于20µm的小塑料颗粒，FTIR技术也易受周围粒子或者环境的干扰，测定效果一般。微塑料在人体内的检测与发现近年来，Raman和FTIR技术在帮助人们鉴定人体内塑料方面进展迅速，取得了一系列新发现，下面是几个案例。2021年，北京大学的研究团队，从北京体育大学的青年学生志愿者中，采集了24份粪便样品，使用光学FTIR技术对样品开展检测，结果有23份检测出了8种微塑料，其中聚丙烯（PP）的相对质量丰度比占到61.0%，检出的微塑料尺寸在20-800um之间。相关研究论文标题引用了一条西方谚语-“You are what you eat”，也是一个形象的提醒，检出的微塑料与大家饮用的瓶装水和饮料有关。2022年，南京大学和南京医大的研究团队从50名健康人和52名炎症性肠病（IBD）患者中获取了粪便样品，然后使用显微拉曼光谱技术开展了检测，发现健康者与肠炎患者的粪便中都有微塑料，其中PET和PA的拉曼特征峰出现次数最多[7]。图6是测试结果，测出的微塑料颗粒形状多为薄片、纤维、碎块和球状，其中薄片和纤维状微塑料占比超过80%，成分以PET（多用于瓶子和食品容器）和PA（多用于食品包装和纺织品）塑料为主。需要注意的是，研究发现，常喝瓶装水、常吃外卖食品、或经常暴露在灰尘中的患者，其粪便中含有更多的微塑料。肠炎患者的粪便中的微塑料含量是健康者的1.5倍，意味着微塑料在肠炎患者肠道内有更多的堆积，可能加重了炎症。更进一步的，2022年荷兰阿姆斯特丹自由大学研究团队采用裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）技术，首次在人类活体血液中检测出微塑料颗粒，平均浓度为1.6ug/ml。图6：受试者粪便内微塑料。图片来源：Environmental Science & Technology 56.1 (2021): 414-421.不仅是血液，最近人们在人类胎盘和母乳中也检出了微塑料。2020年来自意大利Marche大学团队联合当地医院妇产科采集了6位正常怀孕并分娩的健康女性的胎盘样品[9]，并选择了其中4%的区域，进行染色加工等预处理，然后该团队使用785nm激光器为光源，结合显微镜，测量了样品的微区拉曼光谱，结果首次在胎盘的胎儿侧、母亲侧以及胎盘膜中检测到了12个微塑料颗粒的存在，其尺寸小于10um，鉴定出塑料的成分为常见的乙烯和聚丙烯等。为避免胎盘受到污染，样品采集与分析过程中，该团队全程采取了零塑料措施。2022年，该团队再接再厉，继续发挥拉曼光谱技术的威力，以母乳为研究对象，结果首次在健康人体母乳样本中也发现了微塑料，其成分特征光谱和显微图片如图7所示，光谱图中横坐标代表波数（cm-1），纵坐标代表相对强度值（Counts）。研究人员将测量得到的波峰的位置与标准数据库中的波峰对比，确认出这些塑料与日常生活中常见的PE等塑料一样。其进入人体的途径与母体皮肤和呼吸接触的油漆、染料、塑料粘合剂、灰泥、化妆品以及个人护理等产品密切相关。图7：微塑料颗粒特征拉曼光谱。图片来源：Polymers 14.13 (2022): 2700.上述研究让我们清晰地感觉到，微塑料可以滞留在人体内，并进一步突破屏障，进入血液并被输运到全身各处，甚至可以进入人体胎盘和乳汁！ 同时，上述研究也展示了Raman和FTIR技术在研究微塑料方面的价值。两种光谱技术各有千秋。在未来，如将两种技术进行有机组合，互补其优势，将可以进一步发挥其威力，对探索人体内的微塑料提供更全面、更深入的帮助。

大气辐射亮温垂直分布动态图。来源：国家卫星气象中心　　干涉式大气垂直探测仪是国际上第一台在静止轨道上以红外高光谱干涉分光方式探测大气垂直结构的精密遥感仪器。通过该探测仪，我们成功获取了全球首幅静止轨道地球大气高光谱图。作为第一次露出真容的大气高光谱图，应该如何解读图像和展开数据应用呢?这非常值得探析。　　探什么?　　很多人都知道“探空”：气球带着测量仪器从地面不断升高，包含温度、湿度等传感器，边上升边测量并把数据传回给地面跟踪和接收雷达。这好比用温度计，在一个高度上量一下，在下一个高度上再量一下。它能把大气的温湿度测量得非常准确，本质上属于直接测量，一般测量高度为30公里，能够对对流层和平流层在各垂直高度上进行测量。　　地面探空近乎直接测量，其精度很高。但是，这些探空站在海洋上是没有的，而陆地上也只能在约200×200公里设置一个，一般每天全球统一在世界时00时和12时两个固定时间进行两次探空。　　怎么探?　　大气结构是三维的，又是随着时间快速变化的。由于探空站在地理、空间分布密度和观测频次上的局限性，其探测数据无法支撑快速发展的数值天气预报模式。　　探测大气三维结构的方法除了地面探空外，天基(卫星)红外和微波被动探测已经成为国际主流。在卫星上进行大气温湿度三维结构探测的优势在于可以全球覆盖，而静止气象卫星的优势在于获得高频次的观测数据。　　在卫星上利用红外遥感怎么测大气三维结构呢?进行三维大气温度湿度探测，主要基于光谱通道选择。比如，选择大气混合比稳定的二氧化碳红外吸收带，探测大气的温度廓线 选择水汽红外吸收带探测大气的湿度廓线。不同的二氧化碳吸收通道探测到的红外辐射主要来自于特定的高度层，对该高度的大气温度变化敏感，利用此原理可以获得大气的温度垂直分布信息。同样，不同的水汽吸收通道对不同高度层的大气湿度变化敏感，从而可以获得大气的湿度垂直分布信息。　　要满足数值预报对大气探测精度的要求，在技术上高光谱红外探测是必选的技术途径。高光谱探测的优势在于探测通道的光谱分辨率越高，即通道的权重函数越窄，受到的臭氧、水汽等其它吸收气体的污染就越小，对特定高度层的敏感程度也越高，不仅提高了大气温湿度探测精度，而且也提高了大气探测的垂直分辨能力。　　“风云四号”干涉式大气垂直探测仪采用迈克尔逊干涉分光的方式实现大气红外高光谱探测，可以获取高频次区域晴空和云顶以上的大气三维结构。　　那么，云内部和云底以下大气怎么实现高频次探测呢?这就需要气象人期盼的“风云四号”微波星在未来发挥其功效。　　怎么用?　　国际上没有利用静止轨道高光谱大气探测数据的成功先例，我国气象应用势必要经过从试用到业务应用的过程，特别是要根据应用需求(观测精度、区域范围和观测频次等)来确定仪器观测模式，需要应用部门和地面应用系统鼎力合作。　　干涉式红外大气探测仪数据主要的应用包括以下几个方面：该仪器具有对我国及周边地区1小时一次、间隔仅16公里的密集的大气温湿分布垂直探测能力，其探测数据可以同化到全球和区域数值预报模式，改进数值预报初始场，特别是像海洋上等缺少常规探空观测的区域，对于提高预报的精细化能力起到促进作用 利用该仪器反演得到大气不稳定指数，可以提前数小时有效监测到暴雨系统发生前环境条件的变化，在还是晴朗无云的大气中提前发现极端天气的蛛丝马迹，直接提供给预报员进行天气分析和预报 可以对小尺度强对流天气系统进行高频次探测，直接服务于短临天气预报预警。　　怎么读?　　干涉式大气垂直探测仪有超过1600个探测通道，不同高度的大气对不同探测通道的红外辐射贡献存在差异。根据这些差异可以反演出大气温度、湿度的三维结构。下图所示为选取该仪器观测到的7个长波红外通道在权重高度的红外辐射亮温垂直分布图。

天津市拓普仪器有限公司将于2009年5月17日-19日参加在大连举办的2009年春季全国高教仪器设备展示会，届时我公司将展出红外分光光度计、紫外可见分光光度计、激光拉曼光谱仪、组合式多功能光栅光谱仪、单光子计数实验系统、色度测量实验装置、黑体实验装置、椭圆偏振测厚仪、纤维光学实验仪、光通信实验系统、迈克尔逊干涉仪、超声光栅仪等仪器，欢迎广大新老客户来我公司展位参观指导！ 展位号：129-134

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日前，丹麦哥本哈根大学研究人员日前制造出一种可在室温下工作的量子干涉仪，能广泛应用于医疗、勘测、考古等多个领域。相关研究发表在最新一期的《物理评论快报》(PRL)杂志上。 　　量子干涉仪是应用量子力学原理制成的超高灵敏度磁传感器，可检测出非常微弱的磁场。负责该研究的哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所的物理学家尤金波尔齐克称，与原先的超导量子干涉仪(squids)相比，新的干涉仪在室温下就能工作，并且结构更简单，造价也更为低廉。 　　自旋是原子的一个基本特性，这使得一个原子就像一个小磁体很容易受到外部磁场的影响。根据这一特性，科学家提出了以原子作为磁传感器的设想，但由于每个原子自旋都存在一定的不确定性，这决定了以这种方法检测外部磁场在灵敏度上存在着极限。由于作为一个整体时数十亿原子能达到的敏感度比单个原子要大得多，传统的原子磁力计一般由极为大量的原子制成。但这样一来要达到理论上最大的灵敏度就困难了很多。为了进一步提高灵敏度，研究人员在新的磁力计中只使用了一个单原子。 　　尤金波尔齐克举例说，为了达到这个目的，研究人员不但要避免一切可能导致仪器出现失误的因素，如广播、手机等公共通讯系统所产生的磁场波动，还要消除现有量子力学理论中可能存在的错误。最终，该仪器可测量到比地球磁场弱一千亿倍的磁通量。 　　由于有电流的地方就有磁场存在，该磁力计在微磁场测量、重力波测量、核磁共振、古地磁测量以及非破坏性磁检测等多个领域都有着广泛的应用前景。

国外某研究机构的最新市场研究显示， 2020年全球红外光谱市场预计10亿美元，2025年将达13亿美元，复合年增长率为4.1%。作为一类比较成熟的仪器分析方法，红外光谱已经得到了广泛的应用，特别是在制药、生物研究以及食品和饮料的终端用户中应用非常广泛。而同时，这些相关行业严格的法规，以及对质量水平越来越高的追求都推动了红外光谱市场的增长。　　虽然2020年COVID-19的爆发和蔓延影响了很多行业发展，也使很多工厂停工或者关闭，但同时也导致了药品和其他医疗设备产量的增加，这在一定程度上也增加了红外光谱在医疗保健和制药终端行业的需求，进而导致市场对红外光谱产品和解决方案的需求增长。　　基于市场的需求，各大仪器厂家也在不断的推出新的产品。据统计，申报仪器信息网2020年度“科学仪器优秀新品评选”活动的红外/近红外光谱类仪器共计11台，其中红外光谱仪9台，近红外光谱仪2台。值得一提的是，不管是小型化、云数据管理、专用化及在线仪器等，以上新品特别注重从用户的角度考虑问题，从应用的角度着手进行产品的开发和设计。以下将根据2020年度申报新品的情况进行简单的概述：　　近年来，小型化一直是仪器设计和制造的一个重要发展趋势，仪器小型化不仅能满足空间有限的分析测试现场使用需求，而且便于集成拓展，非常适合手持式/便携式仪器开发。　　在本年度申报的仪器新品中，滨松光子学商贸(中国)有限公司推出了FTIR光谱仪引擎 C15511-01。基于精心重构光学干涉仪的设计思路，并采用独特的MOEMS技术，滨松光子成功开发出了一款高性能的微型化FTIR引擎。迈克尔逊光谱干涉仪和控制电路内置其中，仅手掌大小，却实现了在1.1-2.5μm区域超高的灵敏度，具有远超同类产品的高信噪比表现(10000:1)，以及高光谱重现性。据悉，该产品可内置于便携式FTIR仪器中，实现整机小型化的同时，也可保证高性能的实现。　　此外，荧飒光学仪器(上海)有限公司也推出了两款便携式的仪器新品：便携式傅里叶红外气体分析仪+Mobile10-G、便携式傅里叶变换红外光谱仪 Mobile10。其中，前者集成小体积长光程的9.8米气体池及内置抽气泵、电池，现场开机即可工作；后者不仅集成平板及电池，现场开机即可工作，而且具有与台式红外光谱仪一样的性能。　　对于科学仪器而言，软件是一个绕不开的话题，随着应用需求的提升，用户不仅关注仪器硬件的改进，对软件及数据的云端管理也提出了新的需求。　　软件在云平台和云服务方面的创新，是现代仪器发展的一个重要方向。珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司推出的Spectrum 3™ 傅立叶变换红外光谱仪不仅提供全集成的热重-红外(TG-IR)联用(EGA4000)解决方案的FT-IR平台，涵盖近、中、远红外三个波长范围，软件自动切换光源、分束器、检测器等部件。而且，特别值得一提的是，该仪器首次将云办公软件“NetPlus”引入红外光谱检测领域，数据实现云端连接。基于Web的应用程序，允许从任何设备查看、上传/下载和管理云端数据，提供更加准确的结果、整合的工作流和团队成员间跨实验室/设备实时协作。　　对于中药材的分析而言，数据分析是重点也是难点。北京鉴知技术有限公司(原同方威视拉曼)推出的IT2000中药分析仪，针对中药材质量控制，通过丰富的数据库和识别算法，一键分析实现中药饮片的真伪鉴别、品种识别、产地溯源和品质分析，光谱采集、分析、测试报告等同步自动完成。　　应用拓展一直是近红外人努力的方向和目标，而找准应用环境对近红外仪器而言至关重要。很多业内人士指出，专用化和在线仪器的发展存在着较强的生命力和巨大的潜在应用市场。　　瑞士万通中国有限公司推出了DS2500 L近红外光谱液体分析仪，在上一代产品的基础上，该仪器由分体式改为了一体机的形式，使得仪器本身防护等级达到了IP65。另外，其智能附件设计，为分析液体样品设计了不同光程的附件，每个附件上都带有芯片，附件插入仪器后可以被读取；荧飒光学仪器(上海)有限公司推出了为工业在线用户设计的8通道在线检测近红外光谱仪--傅里叶变换在线近红外光谱仪MASTER10-Pro，其采用完全国内自主的傅里叶变换技术，自主国产的干涉仪，立体角镜，永久准直，抗震性强。　　除了红外透射、红外反射、衰减全反射(ATR)、漫反射等大家熟悉的测量方式，在本次申报的新品中，荧飒光学仪器(上海)有限公司还推出了傅里叶变换红外发射光谱仪和傅里叶变换光致发光光谱仪。红外发射光谱虽然应用范围不如红外吸收光谱广，但在一些特定研究领域有其独特的优势。荧飒光学仪器(上海)有限公司推出的傅里叶变换红外发射光谱仪 FOLI 10-RE是独立式、专用型红外发射光谱仪，其光路设计紧凑，可以明显降低辐射损失，提高辐射通量；作为一种有效的无损光谱检测手段，光致发光光谱广泛应用于半导体的带隙检测、杂质缺陷分析等。荧飒光学仪器(上海)有限公司推出的傅里叶变换光致发光光谱仪 FTPL-10具有弱信号探测能力强、测量速度快和用户操作使用简单等优势。在仪器性能方面，该仪器的光谱分辨率达到0.8nm以上，测量速度达到每秒1张谱图，信噪比超过500：1。　　此外，荧飒光学还推出了旋转透射红外液体分析仪+FOLI10-RT，该仪器最多可同时配置4个不同光程的光学窗，非常适合液体的定量测量；天津恒创立达科技发展有限公司推出了MATRIX-50 傅里叶红外光谱仪，该产品采用专利的高能量红外光源，内置独特设计的反射镜，光源能量利用率远高于传统设计，可为傅立叶变换红外光谱仪的ATR及显微红外应用提供足够的能量。

傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪是根据光的相干性原理设计的，因此是一种干涉型光谱仪，它主要由光源（硅碳棒，高压汞灯），干涉仪，检测器，计算机和记录系统组成，大多数傅立叶变换红外光谱仪使用了迈克尔逊（Michelson）干涉仪，因此实验测量的原始光谱图是光源的干涉图，然后通过计算机对干涉图进行快速傅立叶变换计算，从而得到以波长或波数为函数的光谱图，因此，谱图称为傅立叶变换红外光谱，仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。Infrared spectroscopy is an effective method to identify substance and analyze the structures of molecular. Fourier transform infrared (FTIR) spectrometers developed in the seventies are a typical representative of the third generation of infrared spectroscopy. They are a kind of interference-type spectrometers which were designed based on the principle of coherent light, with excellent features and perfect functions. And they haven’t only been used widely but also have extensive prospects. In this paper, the basic principles of Fourier transform infrared spectrometer are described briefly. The main features of FT-IR were summed up as well as its application in various fields, and some basic opinions of developmental direction as far as FTIR were put forward.Key words: Fourier transform infrared spectrometer； Basic principles； Application； Development傅立叶变换红外光谱仪的应用以下是分别介绍傅立叶变换红外光谱仪在各个方面的应用。4.1　在临床医学和药学方面的应用[4]鉴于每个化合物都有自己独特的红外光谱, 除特殊情况外, 目前尚未发现两种不同的化合物具有相同的红外光谱, 所以红外光谱为药品质量的监测提供了快速准确的方法。如药材天麻、阿胶, 西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎药联笨双酯同质异晶体的研究。傅立叶变换红外光谱仪在临床疾病检测方面也有广泛的应用, 如利用红外光谱法对冠心病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检测。红外光谱法测定蛋白质基体中的葡萄糖含量。以及用FT-Raman 光谱在700～1900cm- 1处的差异, 对胃、牙齿、血管、肝等人体组织的研究可用于体内诊断。恶性肿瘤是一种严重危害人类身心健康并消耗大量医疗卫生资源的疾病, 由于目前缺乏有效的对晚期癌症的治疗手段, 肿瘤的早期诊断对延长患者的生存时间和提高生活质量具有重要的意义。傅里叶变换红外光谱可以提供有关分子结构和变化的多种信息, 能在分子水平对细胞组织的改变做出反映, 是行之有效的肿瘤早期检测的手段, 较传统的肿瘤手段而言, 具有快速, 准确, 客观等特点；甚至可以通过光纤附件, 实现肿瘤的原位、在体、实时检测和诊断。通过胃癌组织与正常组织的FTIR谱图[5]比较, 可以发现胃癌组织具有特征性的光谱。如图5所示。胃癌细胞株FTIR检测结果如图6所示，与胃癌组织光谱图比较，光谱特征存在差异。 图5 胃癌组织与正常组织的FTIR谱 图6 胃癌细胞株FTIR检测结果4.2　在化学、化工方面的应用在该方面的应用又可分为表面化学、催化化学和石油化学方面的应用。4.2.1　在表面化学研究中的应用红外光谱技术在表面化学研究中的应用具有两个鲜明特征:(1) 继续不断地开发表面与薄膜的原位和实时红外分析技术。根据报道已有一种适用于原位和同时红外分析的FT-IR扩散反射室。(2) 以红外吸附光谱( IRAS) , ATR FT-IR 和IR反射光谱为代表的红外光谱技术广泛地应用于研究自组织膜和L- B膜。如应用IR反射光谱研究薄膜, 测定组织薄膜的厚度、成分和结构。4.2.2　在催化化学研究中的应用(1) 扩散反射红外光谱傅立叶变换光谱(DR IFTS) 的应用报道特别突出, 其次是IRAS。DR IFTS用于监控催化剂表面吸附化合物的分解动力学。IRAS的典型应用实例包括研究CO在Pd催化剂表面的氧化反应动力学, 以及研究NO和CO在Pd和Pd-SiO2 表面的共吸附现象。(2) 原位红外光谱技术除了依然应用普通的原位红外光谱技术研究催化反应过程外, 还应用于原位反射/吸附红外光谱研究催化剂表面的点位阻塞效应。另外产生了大量新的与原位红外光谱技术相配合的附件装置。4.2.3　在石油化学研究中的应用傅立叶变换红外光谱仪在石油化学中的应用是一个十分广泛的领域, 如在重油的组成、性质与加工方面,应用IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质。红外光谱仪在润滑油及其应用方面的进展体现在: 用于鉴别未知油品和标定润滑油的经典物理性质(如粘度、总酸值、总碱值) 被纳入以设备状态监测为目的的油液分析计划, 用于表征在用油液的降解和污染程度 油润滑表面摩擦化学过程及产物的原位监测与表征。红外光谱仪应用于轻质油品生产控制和性质分析方面的主要进展包括: 应用红外光谱预测汽油的辛烷值, 应用IR 测定汽油中含氧化合物的含量。此外, 还应用ATR FT - IR与GC联用测定汽油中的芳烃的含量[6]。4.3　在环境分析中的应用用气相色谱- 傅立叶变换红外联用技术测定水中的污染物[7], 结合了毛细管气相色谱的高分辨能力和傅立叶变换红外光谱快速扫描的特点, 对GC - MS不能鉴别的异构体, 提供了完整的分子结构信息, 有利于化合物官能团的判定。K1A1Krok等报道了气相色谱/红外光谱/质谱联用技术在环境分析中的应用。运用傅立叶变换红外遥感技术, 可以测定工业大气空间的特性。由于控制汽油质量与保护环境密切相关, 应用美国HP GC / IRP /MS测定汽油中的甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2 -丁醇、异丁醇、特丁醇、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯等, 其准确度为1%, 相对偏差为0.155%。应用傅立叶变换红外法可以定量分析气态烃类混和物, 对于测定水中的石油烃类, 非色散红外法已成为我国环境监测的标准方法[8]。4.4 在半导体和超导材料等方面的应用[9]在此方面的应用主要有: 分析铀原子与CO和CO2 反应产物的基体红外光谱, 研究了铀- 钍- 镍- 锡变性锰铝铜强磁性合金的远红外性质。分析C60填料笼形包含物的红外和拉曼光谱。用反射傅立叶变换红外显微光谱法测定有机富油页岩中海藻化石。此外, 傅立叶变换红外光谱仪在其传统领域———物质结构分析、热力学状态分析、热/动力学过程分析与表征也有着不同程度的进展。5 全文总结 由于傅立叶变换红外光谱仪应用的广泛性，得到了许多科技工作者以及各国厂家的关注及推崇。近年来他们对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大量的研究和改进, 使之日趋完善。如仪器精密度的提高, 红外光谱仪在分辨率和扫描速度等方面达到了很高的指标。红外光谱仪的调整、控制、测试及结果的分析大部分由计算机完成。虽然相对于之前的红外光谱仪而言，傅立叶红外变换红外光谱仪有了很大的提高。但其本身也存在不少的缺陷：⑴ 样品制作比较麻烦，并且会破坏样品原本形态或表面污染。因此就不能应用在一些如对珠宝，钻石，纸币，邮票，笔迹等的真伪鉴定上了。解决办法：针对这些缺陷，漫反射傅立叶变换红外光谱技术和衰减全反射傅立叶变换红外光谱技术很好的解决了这一问题。⑵ 红外光谱的定性分析时要将测得的图谱与已知样品图谱或标准图谱进行对比，而同一化合物在不同状态，不同溶剂中都会显出不同的光谱，此外，浓度、温度、样品纯度、仪器的分辨率等因素对分析结果也有影响。因此红外光谱的解析十分的复杂，并且工作量十分的大。随着计算机技术的发展，红外光谱定性分析实现了计算机检索和辅助光谱分析，但是，这种检索能力受到存储数据量的限制，因为新合成的化合物越来越多，建立图谱库的工作量越来越大。现在人们开始研究一种称之为辅助红外光谱解析的方法，这是一种人工智能技术，它能根据未知物图谱中吸收带的特征频率、强度及形状等信息，利用计算机进行演绎推理，完成对未知物官能团的分析。目前仍处于研究阶段。相信不久的将来，会开发出在解析化学结构方面具有完善功能的计算机人工智能系统。 能谱科技作为国内先进的红外光谱仪制造商，生产的ican9傅立叶红外光谱仪具有先进的红外光源系统、稳定的光学系统、高性能的电子系统、人性化的操作系统、极强的防潮处理、丰富的扩展性等特点广泛应用于医药、化工、高校、环保等领域，得到了广大用户的好评。使用iCAN9傅里叶变换红外光谱仪，搭载原装进口的ATR附件，轻松满足新版药典要求，检测二甲基硅油，我们的产品可以成为企业实验室的得力帮手。

p strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　摘要：本文扼要综述了近红外光谱分析技术的发展里程，主要介绍了Dr. Karl H. Norris对近红外光谱分析技术做出的贡献，并汇总了与近红外光谱相关的诺贝尔奖获得者的贡献。很遗憾Dr. Karl H. Norris没有荣获诺贝尔奖，但这丝毫不影响Karl Norris的伟大，也不影响近红外光谱技术的伟大。世上诺贝尔奖可以缺席，但是却不能没有Karl Norris这位科学家，也不能没有近红外光谱这项分析技术。现代近红外光谱对分析技术和过程控制技术都产生了深远的影响。 /span /strong /p p span style=" font-family: 宋体, SimSun " 　　2019年7月17日，被誉为“近红外光谱技术之父”(Father of NIR Technology)的Dr. Karl H. Norris去世，享年98岁。7月18日收到国际知名光谱学家日本Ozaki教授发来的邮件： span style=" font-family: 宋体, SimSun color: rgb(255, 0, 0) " strong “We share the deep sadness for Dr. Karl Norris. I think his contribution truly corresponds to Nobel Prize. Although we lost the great scientist, we have to keep his great spirit not only in NIR spectroscopy but also in science and engineering. His contribution is much wider than NIR spectroscopy. ” /strong /span Ozaki教授评价Dr. Karl Norris的贡献可以与获得诺贝尔奖的科学家媲美。Ozaki教授的这段话让我萌发写一篇小随笔的冲动，随后系统整理了多年积累的相关文献，几经脉络的调整，终成这篇小文。 /span /p p strong 　　一、Dr. Karl H. Norris之前的情况 /strong /p p 　　近红外光是人们发现的第一个非可见光区域，由英国物理学家赫歇耳(F.W.Herschel，1739-1822)发现。赫歇耳是一位天文学家，他通过自己磨制镜片制作的天文望远镜发现了天王星。赫歇耳制作了400多个望远镜提供给天文爱好者使用，其中有些人抱怨通过望远镜观测星体会灼痛眼睛。于是，他设计了一个实验来研究太阳光线的热效应(图1)。赫歇耳利用1666年牛顿发现的三棱镜分光现象将太阳光色散成不同颜色的光，然后用温度计逐一测量不同颜色光的热量，在偶然情况下他发现在红色光之外仍存在更大强度的热量，他断定在红光之外仍存在不可见的光，他用拉丁文称之“红外”(Infra-red)。由于赫歇耳用的棱镜是玻璃制成的，其吸收了中红外区域的辐射，实际上该波段是近红外(Near Infrared，NIR)，波长范围大致位于700～1100nm范围内，因此，在一些文献中常把这段短波近红外区域称为Herschel区。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 389px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/b75f5ce8-1b56-4da0-8121-0fff654f330e.jpg" title=" 01.jpg" alt=" 01.jpg" width=" 300" height=" 389" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图1 赫歇耳发现红外辐射实验的示意图 /strong /p p 　　巧合的是，第一次测量近红外吸收谱带的人是赫歇耳的儿子John Herschel，1840年他设计了一个巧妙的实验，将经玻璃棱镜色散后的太阳光照射到乙醇上，用黑色多孔纸吸收乙醇蒸气，然后通过称重方法来测定乙醇的蒸发速度。1881年英国天文学家阿布尼(W Abney)和E R Festing用Hilger光谱仪以照相的方法拍摄下了48个有机液体的近红外吸收光谱(700~1200nm)，发现近红外光谱区的吸收谱带均与含氢基团有关(例如C-H、N-H和O-H等)，并指认出了乙基和芳烃的C-H特征吸收位置。1889年瑞典科学家K Angstrem采用NaCl材料的棱镜和辐射热测量计作检测器，首次证实尽管CO和CO sub 2 /sub 都是由碳原子和氧原子组成，但因为是不同的气体分子而具有不同的红外光谱。这个试验最根本的意义在于它表明了红外光谱吸收产生的根源是分子而不是原子，整个分子光谱学科就是建立在这个基础上的。 /p p 　　上述这些原始性的科学发现都是在诺贝尔奖设立前完成的，诺贝尔奖设立时间是1900年6月，首次颁发是1901年12月。 /p p 　　直到上世纪六十年代，近红外光谱都没有得到较好的应用，主要是它的吸收非常弱，且谱带宽而交叠严重，依靠传统的光谱定量(单波长的朗伯-比尔定律)和定性分析(官能团的特征吸收峰)方法很难对其进行应用，一度被称为光谱中的“垃圾箱”(The garbage bin of spectroscopy)。相比较而言，近红外光谱两端的外延区域(紫外-可见光谱和中红外光谱)在这段时间内却得到了快速发展。 /p p 　　一些影响分子光谱分析的理论或技术，也都是在此期间(1900～1960)提出或发明的。例如，1912年丹麦物理化学家N Bjerrum 提出HCl 分子的振动是带负电的Cl原子核与带正电的H原子之间的相对位移，分子的能量由平动、转动和振动组成，以及转动能量量子化的理论，该理论被称为旧量子理论或者半经典量子理论。同年，F E Fowle用近红外光谱吸收谱带测定空气湿度，这可能是近红外光谱首次用于定量分析。1927年美国加州大学的J W Ellis观测到有机化合物近红外光谱中750nm、820nm、900nm、1000nm、1200nm、1400nm、1700nm、2200nm的吸收峰与C-H键相关，并指出3400nm处的为基频吸收峰，1700nm和1200nm处的分别为一级和二级倍频吸收峰，2300nm和1400nm分别为6800nm与3400nm、1400nm的合频吸收峰。1928年美国加州大学的F S Brackett利用1200nm谱带可以鉴别多个不同的化合物，并指认1190nm、1220nm和1230nm分别为-CH3、-CH2和-CH的吸收谱带。 /p p 　　1924年法国科学家J Lecomte首次提出分子指纹图谱的概念，发现中红外光谱可以识别同分异构体(如所有的辛烷异构体)。这一发现为二次世界大战期间，将中红外光谱用于分析性质相似的碳氢燃料以及橡胶产品提供了重要信息，人们真正认识到了中红外光谱的实用价值。1930年Mecke提出了表示分子振动的符号，如ν表示键伸缩振动，δ表示键角弯曲振动，γ表示面外弯曲振动，并对谱带的归属进行了研究，这些符号沿用至今。 /p p 　　为描述紫外-可见区测定无机颗粒物质漫反射光谱时的光学行为，P　Kuhelka和 F　Munk于1931年提出了K-M理论，其理论基础是假设光的多重散射，即反射被观察到之前，已在系统内由一个粒子到另一个粒子进行了多次反射。1933年，H Hotelling写出了关于主成分分析(PCA)的经典论文， 1936年，P C Mahalanobis提出了计算马氏距离的方法，后来PCA和马氏距离被广泛用于近红外光谱多元定性分析。 /p p 　　1942年，用于中红外气体分析的怀特池(White Cell)被发明，使得中红外光谱在气体分析中逐渐得到广泛应用。二次世界大战前的1939年世界仅有几十台中红外光谱仪，但到1947年世界已有500余台红外光谱仪在工作，中红外光谱已成为分子结构的分析的主要手段。1945年美国Beckmam公司推出世界上第一台成熟的紫外可见分光光度计商品仪器，仪器稍加改动便可以测定近红外区域的光谱了。二次世界大战还加速了1930年研制出的硫化铅检测器的发展，使其成为非常灵敏的商品化检测器，用于近红外区1~2.5μm波长范围的测量。1950年左右，干涉滤光片在光谱仪器中得到了应用，基于几个特定波长的红外滤光片式在线过程仪器相对独立地出现了，主要用于气体、水分和湿度的分析，这类仪器的应用延续至今。1955年左右，美国IBM公司已开发出Fortran语言，这是第一个结构化和科学化的计算机语言。1960年左右，Fahrenfort和Harrick发明了红外衰减全反射(ATR)测量附件，可直接测量一些特殊样品的红外光谱，显著扩展了红外光谱的应用范围。 /p p 　　尽管上述的理论和技术都有鲜明的原创性，也对后来的分子光谱技术产生了很大影响，但都与诺贝尔奖无缘，这些理论和技术或许算不上重大的发现或发明吧。 /p p 　　上世纪四五十年代，也有将近红外光谱用于定量分析的报道，包括测定环氧化合物官能度、聚合物和酚醛塑料不饱和度、化合物的羟基、药物的水分等，例如，英国化学工业公司(ICI)Harry Willis不仅采用近红外光谱表征聚合物的结构，还采用近红外光谱测量聚合物薄膜的厚度。但上述这些研究和应用从严格意义上讲都不属于现代近红外光谱分析技术，都是沿用传统的中红外光谱官能团解析和朗伯-比尔定律的定性和定量分析路线。 /p p 　　现代近红外光谱分析技术是从Dr. Karl H. Norris的工作开始的。 /p p strong 　　二、Dr. Karl H. Norris的贡献 /strong /p p 　　Dr. Karl Norris是美国农业部研究中心(马里兰州贝茨维尔市)的一位工程师。1949年他曾用自己改造的Beckmam DU紫外光谱仪通过透射测量方式对鸡蛋的新鲜度进行研究，发现750nm处的吸收峰为水中OH基团的倍频吸收。这或许是第一张复杂混合物(天然产物)的近红外光谱，所以很多介绍近红外光谱发展史的文章中都会引用这张图(见图2)。遗憾的是因当时条件和技术所限，没有建立光谱与鸡蛋品质之间的关系，只能靠蛋壳的颜色开发出了鸡蛋自动筛选设备，这项工作得到了时任美国总统Dwight D. Eisenhower的关注(见图3)。Karl Norris通过这项研究还发现水果和蔬菜在700～800nm有明显的吸收谱带，这对Karl Norris之后开发近红外无损果品品质分析仪(例如苹果的水心病等)埋下了伏笔(见图4)。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 346px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/54b74d3d-7d4b-4ba5-a8b1-e7df3ea6bdd5.jpg" title=" 02.jpg" alt=" 02.jpg" width=" 500" height=" 346" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图2 鸡蛋随时间变化的吸收光谱图 /strong /p p strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 401px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/918f91a2-f561-4b74-82e0-31a2915f6589.jpg" title=" 03.jpg" alt=" 03.jpg" width=" 500" height=" 401" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 1953年D D Eisenhower总统参观Karl Norris研制的鸡蛋自动筛选设备 /strong /p p strong /strong /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 346px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/73f9c7ca-f06c-4909-aead-a7dedf4b2a85.jpg" title=" 04.jpg" alt=" 04.jpg" width=" 500" height=" 346" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图4 Karl Norris与Neotec公司研制的近红外内部品质分析仪 /strong /p p 　　Karl Norris真正开始近红外光谱技术的研究是1960年从测定种子中的水分开始的，早期的思路也是基于朗伯-比尔定律的，例如测定种子甲醇提取物中的水分，后来又将粉碎的谷物与四氯化碳混合成浆，以减少光的散射，他们找到了透射光谱中两个波长(1.94μm和2.08μm)吸光度之间差值与水含量之间的一元二次多项式定量关系，获得了满意的结果。这个差值光谱的概念对Karl Norris影响很深，之后滤光片仪器波长的筛选和导数光谱消除颗粒等影响都源于此。但是，当实际应用推广时，发现四氯化碳有毒，且这种方法操作起来也相对繁琐，用户不接纳。没有四氯化碳做稀释剂，无法实现光谱的透射测量，Karl Norris开始尝试采用反射方式，他们买来了当时最好的Cary 14光谱仪。但这台仪器的性能并不能满足他们的需求，例如测量速度慢(20min才能得到一张光谱)，没有合适的反射测量附件(尽管也有积分球，但信噪比很差)，样品仓太小无法适合样品的无损分析等。在随后的多年中，随着电子技术的进步，Karl Norris与他的合作者不断对其进行了改造(见图5)，包括样品仓、光路系统(将双光路变为单光路)、电子器件、A/D转换板、检测器和计算机等。 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 正是在这台被称为“The Norris Machine”的光谱仪上，Karl Norris开启了现代近红外光谱分析技术的大门。 /strong /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 384px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/f1619571-5833-423b-b460-6684cfca33f5.jpg" title=" 05.jpg" alt=" 05.jpg" width=" 500" height=" 384" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图5 Karl Norris与他主持改造后的Cary 14光谱仪(1957年和1988年) /strong /p p 　　首先，Karl Norris创造性地将传统光谱分析中的吸光度(A=log1/T)用log1/R代替，这明显不符合朗伯-比尔定律，没有任何理论基础，受到当时大多数光谱学家和化学家的质疑。值得庆幸的是Karl Norris不是光谱学家，他是一位农业工程师，以解决实际应用问题为研究导向。Karl Norris的结果却是非常积极，log1/R与水分存在较强的相关关系。随着研究的深入，他们发现两波长测量谷物水分时会受样品中其他成分的干扰，例如小麦中的蛋白质，大豆中的油脂等。Karl Norris又创新性地将多个波长的吸光度通过多元线性回归(MLR)方法建立预测方程，显著提高了预测谷物水分的准确度。之后很短的时间内，Karl Norris意识到近红外光谱还可以测量这些干扰物的含量，例如蛋白质、油分含量等。经过Norris的努力，筛选出了6个关键波长(1680nm、1940nm、2100nm、2230nm、2310nm)，这为随后开发商品化的滤光片仪器奠定了坚实的基础(见图6)。为了降低颗粒粒度对漫反射光谱的影响，Karl Norris采用导数方法对光谱进行处理，并提出了“Karl Norris滤波”方法，这种光谱预处理方法当时在光谱学中较少使用。 /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong Karl Norris所做的上述工作被认为是现代近红外光谱技术的开端，其已具备了现代近红外光谱技术的显著特征：整粒谷物无损分析、分析速度快、基于光谱预处理和多元校正的多物性参数同时分析，建标样本为实际样本等。值得注意的是，与传统分析技术相比，近红外光谱从创始起就存在着两个显著特点：(1)推崇不对样品进行处理，以附件的形式解决不同形态样品的测量问题 (2)推崇不将样品带到仪器旁边，而将仪器带到样品旁边(即现场分析和在线分析)。这两个特点对影响分析技术的发展是深远的。 /strong /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 407px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/37802891-a429-40c4-8bd3-a316c16795b5.jpg" title=" 06.jpg" alt=" 06.jpg" width=" 500" height=" 407" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 　　图6 1968年Karl Norris操作首台4个滤光片的大豆近红外分析仪样机(最初是基于粉碎大豆与四氯化碳混合成浆的透射测量方式，后来改为漫反射测量方式) /strong /p p 　　Karl Norris的另一项贡献是在他的指导下，DICKEY-john和Neotec两家公司于上世纪七十年代初，基于滤光片技术首次开发出了商品化的近红外光谱谷物专用分析仪，这是近红外光谱技术发展过程的一个重要里程碑。之后，滤光片型的仪器也进行了较多改进，针对不同的测量对象(例如草料和烟草等)选取不同波长的滤光片、增加滤光片的数量、温度控制、光学系统密封以适应恶劣的现场环境等，但Karl Norris提出的仪器本质的特征没有改变。DICKEY-john公司生产的GAC Model 2.5AF和Neotec公司生产的GQA Model 31成为上世纪70年代中期主力的近红外谷物快速分析仪器。这些仪器在实际应用中，发挥了很大的作用，在很大程度上推动了近红外光谱技术的发展。例如，在加拿大Phil Williams通过必要的改进，将这类近红外谷物分析仪(起初是Neotec Model I仪器)用于小麦出口区快速测定蛋白质的需求。因为贸易商愿意为高蛋白质含量的小麦付更多的钱，这样交易量大的贸易商，通过近红外分析仪经几次交易赚得钱，就能够购买一台近红外分析仪。因此，数百台这样的仪器进入大型粮仓和出口区，同时一些面粉厂、大豆加工厂和食品生产厂等也开始使用近红外分析仪。进入上世纪70年代末期，光栅扫描型近红外光谱分析仪开始出现，其关键技术都是以“The Norris Machine”为原型样机(雏型)研制的，例如Neotec Model 6100和Tchnicon InfraAlyzer 500等。 /p p 　　1975年，加拿大谷物委员会(Canadian Grain Commission，CGC)将近红外方法规定为蛋白质检测的官方方法。1978年，美国农业部联邦谷物检验服务中心(USDA，FGIS-Federal Grain Inspection Service)也为其所有的小麦出口基地购置了近红外分析仪，1980年FGIS采纳该方法作为官方指定的测定小麦蛋白质的标准方法。1982年美国谷物化学家协会(American Association of Cereal Chemists，AACC)正式批准了该方法(AACC No.39-00)。 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 2009年Phil Williams在匹兹堡沃特斯论坛上讲到，全球约90%小麦的贸易是基于整粒谷物近红外分析仪检测蛋白质含量进行的(Today, Phil Williams estimates that over 90% of wheat world-wide is sold on the basis of protein testing by whole-grain NIRS instruments)。有文献报道，加拿大采用近红外光谱技术后(主要是对农作物的管理)，稻米的产量每公顷提高约0.6吨，小麦的产量提高约1.1吨，小麦蛋白质含量提高约1%(The success of NIR-based tissue testing services is substantial, being estimated to enhance yields of rice by 0.6 tonne ha–1and wheat yields by 1.1 tonnes ha–1. NIR spectroscopy has also helped producers raise the protein content of wheat grain by 1% protein)。 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　　Karl Norris的工作，尤其是“The Norris Machine”迅速得到农业领域的关注，在上世纪七十年代，一些美国本土和国际同行纷至沓来，Karl Norris以无私、大度、开放的科学家精神，将他的研究成果毫无保留地传授给每位来访的学者，并与他们进行深入合作。毋庸置疑，Karl Norris的实验室成为了培养现代近红外光谱分析大师的摇篮，“The Norris Machine” 也成为名副其实的“Master Instrument”。这期间在Karl Norris实验室进行访问的学者有：美国宾州的John Shenk，美国北卡州的W Fred McClure，加拿大的Phil Williams，日本的Mutsuo Iwamoto，匈牙利的Karoly Kaffka等等。 /strong /span 这些学者后来都成为近红外光谱分析技术的卓越践行者和强有力推动者，他们参照Karl Norris的模式纷纷研发仪器、开发软件和推广应用。例如John Shenk在美国建立了第一个近红外光谱草料分析网络，并开发了著名的化学计量学软件DOSISI和WinISI Mutsuo Iwamoto回到日本后，在他的带领和影响下，近红外光谱技术在日本得到了广泛的应用，日本在上世纪八十年代末期就基于近红外光谱开发出果品品质自动分选装置，并得到了广泛推广应用。上世纪九十年代Karl Norris在日本静冈参观了Mitsui公司研制的果品近红外在线分选装置(图7)，曾感叹说：“My dream has come true in Japan”。可见，Karl Norris在培育国际近红外大师这一方面的贡献无疑是巨大的。 /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　　在Karl Norris的带领下，开创现代近红外光谱技术并取得成功应用的是农业工程师、农学家和动物营养家等，而不是物理学家、化学家和光谱学家，这与其他光谱技术的发展道路是截然不同的。 /strong /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 390px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/2ce59b3e-c11f-4517-8fe6-20d24847a29e.jpg" title=" 07.jpg" alt=" 07.jpg" width=" 500" height=" 390" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图7 Karl Norris在日本参观过的Mitsui公司研制的果品近红外在线分选装置 /strong /p p 　　Karl Norris的工作也对我国产生了间接影响，我国的近红外光谱技术也是从农业领域的研究和应用开始的。上世纪七十年代后期我国科研人员通过Karl Norris等人的学术论文、仪器厂商的宣传、以及到日本等国家的考察学习开始认识近红外光谱技术(图8)。早在八十年代初期中国农科院吴秀琴老师和长春光机所陈星旦院士就开始合作研制滤光片型的近红外光谱分析仪，并取得了成功。这之后，严衍禄教授组建了中国农业大学近红外光谱分析实验室，开始了近红外光谱在农业领域的系统研究，他们的研究成果集中发表在1990年《北京农业大学学报》增刊上。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 339px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/e1ba8853-96e4-4f72-a072-7edfb406c351.jpg" title=" 08.png" alt=" 08.png" width=" 500" height=" 339" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图8 我国早期开始关注近红外光谱技术的文献 /strong /p p 　　在上世纪六七十年代，Karl Norris等人的近红外光谱分析研究工作并未获得光谱界的认可。一度被光谱学家和化学家认为是“Black Magic”。Karl Norris为促进近红外光谱获得当时一些光谱学家的支持做了很多工作。Karl Norris在从事近红外光谱分析谷物研究初始，就找到美国著名的光谱学家Tomas Hirschfeld寻求帮助，但当时Karl Norris的研究工作并未得到Tomas Hirschfeld的支持，因为从传统光谱学来看，近红外光谱没有任何优势。但是，Karl Norris与Tomas Hirschfeld的交往并没有因此而终止，Karl Norris取得一些进展后，都会与Tomas Hirschfeld进行沟通交流，最终使Tomas Hirschfeld从近红外光谱的强烈反对者变为近红外光谱的强烈支持者。这一时期开始支持近红外光谱技术的光谱学家还有Peter Griffiths和Bill Fateley等人。这些光谱学家的加入，对近红外光谱技术理论体系的形成起到了重要的作用。例如，1985年Tomas Hirschfeld通过巧妙的实验设计，找到了近红外光谱可以预测水中氯化钠含量的光谱信息依据(图9)。1984年，在Tomas Hirschfeld的倡导下，美国材料与试验协会(ASTM)成立了近红外光谱工作组(E13.03.03)，研究近红外光谱技术的标准方法问题。 /p p 　　令人惋惜的是，Tomas Hirschfeld英年早逝(1939-1986)，但是他对近红外光谱的贡献被大家一直记得。在Karl Norris等人的倡议下，国际近红外光谱学会在上世纪八十年代末设立了“Tomas Hirschfeld Award”，表彰在近红外光谱领域做出突出贡献的科学家，截至2019年已有30位获此荣誉。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/4a48c389-3bc3-4217-9043-14d1a184efff.jpg" title=" 09.jpg" alt=" 09.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图9 NaCl浓度对水近红外光谱的影响 /strong /p p 　　1974年瑞典化学家S Wold和美国华盛顿大学的B R Kowalski教授创建了化学计量学学科(Chemometris)。化学计量学是将数学、统计学、计算机科学与化学结合而形成的化学分支学科，其产生的基础是计算机技术的快速发展和分析仪器的现代化。据报道，1981年PC机全球销量为三十万台，但到1982年就激增至三百万台。计算机使仪器的控制实现了自动化，且更加精密准确，同时使数据矩阵计算变得相对简单了，可以用来处理更为复杂的定量或定性程序。遗憾的是，化学计量学产生初期并没有与近红外光谱在农业中的应用结合起来。是Karl Norris的不懈努力使化学计量学家逐渐重视这一技术，为近红外光谱技术的崛起起到了推波助澜的作用。一些基于主成分分析的化学计量学方法开始被大家所采用，如主成分回归和偏最小二乘等，这显著提高了近红外光谱分析结果的准确性和可靠性，这也是近红外分析理论体系的重要组成部分，使其基本达到了理论与实践的统一。在上世纪九十年代中期，人工神经网络方法已经出现在用于近红外光谱分析的化学计量学商品化软件中。 /p p 　　1984年，T Hirschfeld与B R Kowalski在美国《Science》杂志上发表了题为“Chemical Sensing in Process Analysis”的文章，文中多次提到近红外光谱技术。同年，MathWorks公司成立，正式把Matlab推向市场。也是在1984年，B R Kowalski受美国国家科学基金会(NSF)和21家企业共同资助，在美国华盛顿大学建立了过程分析化学中心(Center for Process Analytical Chemistry，CPAC)，后更名为过程分析与控制中心(Center for Process Analysis and Control，CPAC)。该研究中心的核心任务是研究和开发以化学计量学为基础的先进过程分析仪器及分析技术，使之成为生产过程自动控制的组成部分，为生产过程提供定量和定性的信息，这些信息不仅用于对生产过程的控制和调整，而且还用于能源、生产时间和原材料等的有效利用和最优化，近红外光谱是其中一项关键的技术。与CPAC合作的这些企业都是当时化工和石化等领域知名的大企业，这意味着近红外光谱技术已开始从农业应用领域转向工业过程分析领域。其中一项划时代的创新技术是利用近红外光谱测定汽油的辛烷值，它可以在很多场合替代传统大型的马达机测试仪器(图10)。与此同时，一些知名的仪器制造商也开始研制新型的近红外光谱仪器，近红外光谱仪器市场和应用研究从此开始呈现出百花齐放的局面。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 246px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/85a20100-29a6-4c0b-a551-cdcd5e3a4ece.jpg" title=" 10.jpg" alt=" 10.jpg" width=" 500" height=" 246" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图10 传统测定汽油辛烷值的马达机与CPAC研制的近红外辛烷值分析仪 /strong /p p 　　另外，Dr. Karl H. Norris还是将近红外光谱技术用于医学领域的先行者之一，始终从事和指导近红外光谱在这一领域的研究和应用工作。 /p p strong 　　三、与近红外光谱相关的诺贝尔奖 /strong /p p 　　下面介绍几个与近红外光谱技术相关的诺贝尔奖。 /p p 　　迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊(Albert Abraban Michelson)和莫雷(Edward Williams Morley)合作，为研究“以太”而设计制造出来的精密光学仪器。实验结果否定了“以太”的存在，动摇了经典物理学的基础，为狭义相对论的建立铺平了道路。因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做出的贡献，迈克尔逊被授予了1907年度诺贝尔物理学奖。目前，迈克尔逊干涉仪目前被广泛应用于近红外光谱仪器和中红外光谱仪器。 /p p 　　2017年诺贝尔物理学奖授予3位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne，获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。LIGO全称“激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)”。该项目的成就在于，当引力波到达地球时，两台大型激光干涉仪成功地检测到了比原子核还要小数千倍的细微变化(导致的空间变化程度最大值为10 sup -21 /sup ，相当于1亿千米的长度内产生一个原子大小(10 sup -10 /sup 米)的变化)。LIGO的干涉仪是迈克尔逊干涉仪在18世纪80年代的巨型版本，创新性的技术和工程将LIGO的干涉仪延伸到1120公里，使LIGO的干涉仪比迈克尔逊所使用的大144000倍，以保证有足够的灵敏度检测到引力波。2015年9月14日，LIGO探测器首次捕获到宇宙中的引力波，这次的引力波信号由两个黑洞相互碰撞而产生，经过了13亿光年才到达地球。 /p p 　　1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔斯· 玻尔(Niels Bohr，1885-1962)，以表彰他在研究原子结构，特别是在研究原子发出的辐射方面所作的贡献。玻尔综合了普朗克的量子理论、爱因斯坦的光子理论和卢瑟福的原子模型，提出了新的定态跃迁原子模型理论，即后来被称玻尔理论，这理论成功地解释了氢光谱并排出了新的元素周期表。玻尔建立的原子量子论，打开了人类认识原子结构的大门，为近代物理研究开辟了道路。量子力学这一近代物理学大厦的基础，是以玻尔为领袖的一代杰出物理学家集体才华的结晶，包括1929年获得诺贝尔物理学奖的德布罗意(电子的波粒二象性理论)、1932年获得诺贝尔物理学奖的海森堡(矩阵力学)、1933年获得诺贝尔物理学奖的薛定谔(波动力学)、1945年获得诺贝尔物理学奖的泡利(泡利不相容原理)等。玻尔提出的能级跃迁理论至今仍在原子和分子光谱领域中得到广泛使用。 /p p 　　1964年诺贝尔物理学奖授予美国的汤斯(Charles H.Townes)、前苏联的巴索夫(Nikolay G.Basov)和普罗霍罗夫(Aleksandr M.Prokhorow)，以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器。1960年美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布成功的研制了世界上第一台红宝石激光器，获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。激光器的发明是20世纪科学技术有划时代意义的一项成就。自激光器发明后，激光理论、激光器件、激光应用各方面的研究广泛开展，各种激光器也如雨后春笋一般涌现，激光科学成果累累，已成为影响人类社会文明的又一重要因素。 /p p 　　印度物理学家拉曼(Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970)，因光散射方面的研究工作和拉曼效应的发现，获得了1930年度的诺贝尔物理学奖。受散射光强度低的影响，拉曼光谱经历30年的应用发展限制期。直到1960年后，激光技术的兴起，拉曼光谱仪以激光作为光源，光的单色性和强度显著提高，拉曼散射信号强度得以提高，拉曼光谱技术才得到迅速发展。1980年后，探针共焦激光拉曼光谱仪的成功研制，大大扩展了拉曼光谱的应用范围，出现了像共焦显微拉曼光谱技术、傅里叶变换拉曼光谱技术、表面增强拉曼光谱技术、激光共振拉曼光谱技术、光声拉曼技术、高温高压原位拉曼光谱技术等，使得拉曼光谱被广泛应用于物理、化学、医药、工业等各个领域。 /p p 　　1969年，贝尔实验室的科学家Willard S. Boyle和George E. Smith发明了第一个数字影像传感器技术：电荷耦合器件(CCD)。CCD的应用范围甚广，如数字相机、手机，影响了社交媒体和视讯共享革命的发展。据报道，2009年，CCD一年出货量达13亿颗。这两位技术发明人在2009年获颁诺贝尔物理奖，以表扬他们在数字成像领域的贡献。CCD作为阵列检测器，在光谱仪上的应用也十分广泛。 /p p 　　被誉为“光纤之父”的高锟(Charles Kao)获得2009年诺贝尔物理学奖。1966年高锟在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤，取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界通信技术的一次革命。1970年，美国康宁公司研制出损耗为20dB/km的光纤，使光在光纤中进行远距离传输成为可能，光纤通信新纪元自此拉开序幕。现阶段光纤通信可实现同时传输24万路的信号，其容量比微波通信增加一千倍。而且，在确保通信质量的前提下，普通电缆或微波通信的中继距离为1.5～60公里，而现阶段光纤可实现2000～5000公里的无中继传输。光纤除用于通讯领域外，还在医学、传感器和光谱仪中得到广泛应用。没有光纤，在线近红外光谱技术在工业中的应用也不会像如今这样广泛。 /p p 　　与发射单一频率的传统激光器不同，频率梳光源可同时发射多个频率，均匀间隔以类似于梳齿的谱线，它可覆盖从太赫兹到紫外可见较宽频率的光。光学频率梳已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。在该领域内，开展开创性工作的两位科学家J. Hall和T. W. Hansch于2005年获得了诺贝尔奖。光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。 /p p 　　 strong 四、结束语 /strong /p p 　　原创性是诺贝尔科学奖的奖励宗旨，原始性创新就是向科学共同体贡献出以前从未出现过、甚至连名称都没有的东西，包括重大科学发现、理论突破、技术和方法的发明等。拉曼效应属于科学发现，激光和光纤属于理论突破，迈克尔逊干涉仪和频率梳属于技术发明，这些都是重大的原始性创新工作，其贡献也是巨大的，无容置疑。 /p p 　　当然，诺贝尔奖也有无奈和尴尬，例如1948年的诺贝尔医学奖授予发明剧毒有机氯杀虫剂DDT(二氯二苯三氯乙烷)的瑞士化学家米勒。DDT能够有效地杀除蚊虫、控制疟疾蔓延，但是DDT很难降解，毒性残留时间长，世界各国现已明令禁止生产和使用。再例如，一些重大的发现和发明没有获得诺贝尔奖，提出元素周期表的德米特里· 门捷列夫，发明电灯泡的托马斯· 爱迪生，提出黑洞死亡理论的史蒂芬· 霍金，爱因斯坦虽然获得了诺贝尔奖，可是他提出的划时代意义的相对论并不是获奖的理由，等等。 /p p 　　Karl Norris的研发工作和成果对近红外光谱技术的贡献是巨大的，也是原创性的，对分析技术的进步(包括对过程控制技术的进步)也是革命性的。Karl Norris是近红外光谱技术的开拓者，是名副其实的“近红外光谱之父”。没有Karl Norris，人们可能会在近红外光谱技术探索之路的黑暗期中徘徊更长的时间，也或许这个“沉睡者”永不被唤醒，永不会成为分析技术家族中的“巨人”。Karl Norris遗憾与诺贝尔奖失之交臂，但这丝毫不影响Karl Norris的伟大，也不影响近红外光谱技术的伟大。 /p p 　　世上可以没有诺贝尔奖，但是却不能没有Karl Norris这位科学家，也不能没有近红外光谱这项分析技术。 /p p 　　谨以此文悼念Dr. Karl H. Norris! /p p strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　参考文献 /span /strong /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　1 W F McClure. 204 Years of near Infrared Technology: 1800–2003. Journal of Near Infrared Spectroscopy，2003，11(6)：487～518 /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　2 F E Fowle. The Spectroscopic Determination of Aqueous Vapor. Astrophysical Journal，1921，35(3)：149～162 /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　3 K H Norris. Early History of near Infrared for Agricultural Applications. NIR news，1992，3(1)：12～13 /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　4 T Davies. Happy 90th Birthday to Karl Norris, Father of NIR Technology. NIR news，2011，22(4)：3～16 /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　5 S Kawano. Past, present and future near infrared spectroscopy applications for fruit and vegetables. 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辩证法中曾经讲过运动是永恒的，静止是相对的。科研实验中的运动与静止也是非常有意思的。2016年2月11日晚，美国激光干涉引力波天文台-LIGO通过观测两个黑洞的碰撞融合过程，宣布并证实了引力波的存在。这一发现了广义相对论实验验证后一块缺失的拼图，其意义之重大也可想而知。 图1 美国激光干涉引力波天文台-LIGO 引力波是什么？现代物理学认为，引力波是一种与电磁波不同的辐射，无法通过电磁辐射直接观测。引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的，因此可以传播至很远的宇宙空间。引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹一样。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。 简单来说，如果把肉眼和光学望远镜比喻成“看”，那么射电望远镜就像是“听”，而引力波就是“感知”。通过涟漪的波动，来反推出核心漩涡的信息。引力波探测是「开眼看」别的提升，使我们终于有能力去探测宇宙原始的“黑暗”。 自从1916年爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在，近百年来人们不断尝试在实验上去验证。而实验难的两个部分是对长度测量的精度以及外界震动的干扰。只有实验装置之间近乎理想状态的相对“静止”，才能测出这宇宙间缥缈的“运动”。 经过长期的精心设计，人们在2016年成功利用长距离激光迈克尔逊干涉原理将引力波造成的长度变化放大到测量精度以内。在避免外界震动干扰方面，人们成功利用悬浮加电磁阻尼技术将相距千米的实验装置相对震动降低到了接近理想的“静止”状态。正是实验技术的不断提升，才让科学家完成了人类在宇宙探索上的又一壮举。 图2 Montana全新推出的超高阻尼HILA系统（中间区域采用悬浮加电磁阻尼技术） 目前这一减震技术已经应用在了比较精密的小型实验装置上。美国Montana公司新推出的超高阻尼低温光学恒温器HILA系统就是利用悬浮加电磁阻尼减震技术，成功将震动加速度降低到了1、超精细多功能无液氦低温光学恒温器：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C122418.htm2、低温热去磁恒温器：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C201745.htm3、综合物性测量系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C17086.htm4、皮米精度位移激光干涉器：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C159543.htm更多信息... ...

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

北京时间10月4日17:45，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予Alain Aspect、John F. Clauser 和 Anton Zeilinger，以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。获奖者将获得一份证书、金质奖章和奖金。2022年诺贝尔奖各个奖项的奖金是1000万瑞典克朗，按当前汇率，约合650万元人民币。此前，诺贝尔物理学奖已颁发过115次。在第一次世界大战（1914-1918）和第二次世界大战（1939-1945）期间，在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等六年里，没有颁发诺贝尔物理学奖。从1901年到2021年，约翰巴丁是唯一一位曾两次获得诺贝尔物理学奖的获奖者。这意味着，在2022年之前，共有218人曾获得诺贝尔物理学奖。附此前五年诺贝尔物理学奖得主名单2021年因对我们理解复杂物理系统做出了开创性贡献，日裔美籍科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国科学家克劳斯哈塞尔曼Klaus Hasselmann），与意大利科学家乔治帕里西（ Giorgio Parisi），分享了2021年诺贝尔物理学奖。2020年英国科学家罗杰彭罗斯（Roger Penrose）因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果，德国科学家赖因哈德根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈娅盖兹（Andrea Ghez）因在银河系中央发现超大质量天体，他们分享了2020年诺贝尔物理学奖。2019年因在我们理解宇宙演化和地球在宇宙中位置的贡献，美国科学家詹姆斯皮布尔斯，和来自瑞士的科学家米歇尔马约尔和迪迪埃奎洛兹，被授予2019年诺贝尔物理学奖。2018年因在激光物理学领域的突破性发明，发明光镊的美国贝尔实验室科学家阿瑟阿什金（Arthur Ashkin），与发明啁啾脉冲放大技术（CPA）的法国巴黎综合理工学院科学家热拉尔穆鲁（Gérard Mourou）和加拿大滑铁卢大学科学家唐娜斯特里克兰（Donna Strickland），被授予2018年诺贝尔物理学奖。2017年因对LIGO探测器（激光干涉引力波天文台）和引力波探测的决定性贡献，美国科学家雷纳韦斯、巴里巴里什和基普索恩被授予2017年诺贝尔物理学奖。2016年因在拓扑相变和物质拓扑相方面的理论发现，均出生在英国、任职于美国三所不同大学的科学家大卫索利斯、邓肯霍尔丹、迈克尔科斯特利茨被授予2016年诺贝尔物理学奖。关于诺贝尔奖1895年11月27日，瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德伯恩哈德诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel）在巴黎签署了他第三份，也是最后一份遗嘱，将财产中的最大一份给了一系列奖项，即诺贝尔奖。诺贝尔奖初始分设物理、化学、生理学或医学、文学、和平等五个奖项。1968年，瑞典国家银行在成立300周年之际，捐出大额资金给诺贝尔基金，增设“瑞典国家银行纪念诺贝尔经济科学奖”，俗称诺贝尔经济学奖。诺贝尔奖的奖金来自诺贝尔所成立基金的利息或投资收益。随着诺贝尔基金的收益变化，诺贝尔奖的奖金有所浮动。2019年每项诺贝尔奖的奖金是900万瑞典克朗，2022年设定为1000万瑞典克朗。

光谱分析自从作为一项实验室技术问世以来，迄今已经取得了很大的发展。手持近红外 (NIR)光谱分析仪的尺寸在不断变小，成本也越来越低，在一定程度上，这归功于新出现的系统架构，这个系统充分利用微机电系统(MEMS)组件。我们来深入研究一下这些硬件优化如何在光谱分析行业中实现更简单且更加便携的未来。　　NIR光谱分析　　光谱分析可基于样本对于大范围波长的反应鉴定样本，是实现该应用的强大工具。值得注意的是，NIR光谱分析用波长范围通常在780-2500纳米之间的光来刺激样本。根据样本材料的物理状态，我们可以通过使用反射率测量值(固体)或吸收率测量值(液体和气体)精确测量光谱响应。　　780-2500纳米区域内的光谱特征由诸如O-H、C-H、N-H和S-H的氢键决定。通过这种方式，NIR波段特别适合于食品和农业监视、健康诊断、石化处理和医药制造。在NIR波段内，每个光谱分析应用对于波长范围和化学计量分析都有着独特的需要。例如，一个900-1700nm仪器能够提供与水 (H2O) 和蔗糖 (C12H24O12) 含量有关的信息 [1]。若仪器的波长范围扩展至2500纳米，则可以发现额外的有机化合物特征，并且能够改进医药过程监视的效果 [2]。　　选择波长范围可能影响仪器的物料清单(BOM)成本。一个短波NIR系统能够充分利用廉价探测器来实现波长范围高达1050纳米的测量。超过1050纳米的测量则通常需要一款更加昂贵的铟镓砷(InGaAs)探测器。在超过1700纳米之后，为了保持性能要求，InGaAs材料通常需要冷却，特别是与多像素线性阵列检测器一同使用时更是如此。由于昂贵的InGaAs基板和额外的冷却元件，InGaAs线性阵列技术由于价格过于昂贵而无法在低成本手持式仪器内使用。　　光谱分析仪架构中的创新　　考虑到用InGaAs阵列探测器实现传统色散型光谱分析时的成本难题，很多NIR光谱分析仪创新将注意力放在减少系统组件数量方面，用线性可变滤波器(LVF)取代色散光栅中继就是其中一个示例。LVF架构减少了光通量，不过也通过消除光栅到探测器的路径而极大地缩小了光谱分析仪的封装尺寸。其它创新型光设计采用透射光栅架构 这个架构在尽可能降低光损耗的同时精简了系统封装尺寸。另外一个架构使用一个扫描光栅，将光直接中继传递至单点探测器，从而免除了对于上文提到的多像素InGaAs阵列的需要。相对于阵列检测器，单点探测器在成本、尺寸和性能方面具有显著优势。　　在光谱分析仪架构中采用MEMS技术并连同单点探测器一起使用可降低成本以及实现便携性。将稳健耐用的MEMS组件集成到一个光谱分析仪光路径中，不但可以缩小仪器的封装尺寸，还可以添加全新的性能。选择MEMS组件时的主要考虑因素包括性能可靠性和大批量生产制造时的稳定性。　　德州仪器(TI)的DLP® NIR芯片组就是一种久经考验的MEMS技术。这项技术提供针对小巧、可编程且高性能光谱分析仪的高保真光调制。其中，TI DLP2010NIR和DLP4500NIR可实现令人激动的全新波长控制特性，比如说哈达玛图形和旋转扫描动态可编程性。其它新涌现的MEMS技术，其中包括法布里-珀罗干涉仪和迈克尔逊干涉仪，显示出仪器架构简化方面的良好发展前景，不过仍然面临着满足信噪比和分辨率标准等实验室性能需求的挑战。　　虽然有很多的光谱分析仪架构选择，MEMS技术的吸引力仍与日俱增。动态可编程性、成本降低、使用单点探测器，以及免除对大型移动部件的需要只是基于MEMS的架构所能提供众多优势中的一部分。这些优势，与可靠系统集成组合在一起，在现场部署期间，会变得更加关键。图1：DLP2010NIR是这款TI DLPNIRscan? Nano 评估模块的特色所在　　移动应用和行业前瞻　　紧凑小巧、高性能的NIR光谱分析仪器为现场应用的涌现做出了巨大贡献，在这些应用中，现场测量能够为个人用户和工业公司带来额外的优势与价值。通过Wi-Fi或Bluetooth® 无线连通性，经由一个移动设备，将这些光谱分析仪链接至云端数据库，可以将实验室内的全预测功能引入到样本检测中。通过这种方式，集成式光谱分析仪可以作为网络边缘上的高性能光传感器。当光谱分析仪硬件使云端内的高保真数据聚合变得更加便利时，物联网(IoT)能够动态地提升处理效率。针对IoT移动感测的前沿应用包括食品安全、远程农业监视和用于医药生产的过程监视。　　也许最令人激动的NIR光谱分析行业趋势就是开源模型。诸如德州仪器、Consumer Physics和Si-ware的前沿技术开发公司已经发布了多种软件开发套件(SDKs)以鼓励创新。KS 技术公司就是在工业IoT应用方面开创低成本NIR光谱分析仪架构的一个典范。除了提供用于图1中所见的DLP NIRScan Nano评估模块的免费iOS和安卓应用，以及SDK，这家公司还将他们在移动数据系统和IoT架构方面的专业知识应用于新出现的移动NIR感测市场。　　这些平台的低成本和开源属性让他们能够更好地与大学化学计量专家合作，以增加对应用的了解。通过这种方法，手边的硬件与开源软件组合在一起，可以加快算法和化学计量开发，而这也反过来推动了NIR光谱分析生态系统的发展。未来的行业增长与创新将取决于专家间的通力协作。　　考虑到NIR光谱分析的强大功能，这个行业将很多的注意力放在了将高性能分析由实验室转移到现场应用。NIR光谱分析仪架构领域内的行业突破正在推动着新一波创新的移动测量功能。这个创新与21世纪的移动趋势相一致，并且与IoT革命具有一个逻辑上的交汇点。当只能在实验室中运行的昂贵光谱分析发展成可以在你的手掌中产生精确数据的应用时，你将用它来测量哪些数据呢?　　[1] B.M. Nicola¨ ? et al. / Postharvest Biology and Technology 46 (2007). 99–118.　　[2] Chang, Cheng-Wen, "Near-infrared reflectance spectroscopic measurement of soil properties" (2000). Retrospective Theses and Dissertations. Paper 12315.作者：Dorsey Standish, 德州仪器(TI) DLP 产品先进光控项目经理

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

人的指纹是各自不同的，通过指纹识别，便可以找到特定的那一个人。而在微观世界中，分子也是拥有自己独特的“指纹”的。红外光具有在特定波长被吸收的特性，该特定波长由分子固有的振动能决定。利用此特性可以识别每个分子，因此红外光的光谱范围通常被称为分子的“指纹区”，并被广泛用于分析光谱学中。 其中，傅里叶红外光谱仪（FTIR）是红外光谱分析中一种重要的光谱仪类型，发展自20世纪70年代，属于第三代红外光谱仪技术。由于可以快速、准确的进行多组分的定量和定性分析，FTIR被看看作是医药、食品、农业和化工等领域中实现质量控制的理想工具。 典型的FTIR工作示意进入FTIR光谱仪的红外光由光学干涉仪中的分束器分成两束。这两个光束分别被固定镜和可移动镜反射，并被分束器重新组合。然后，光被红外检测器检测为光学干涉信号。根据可移动反射镜的位置信息和根据光学干涉信号强度按可移动反射镜位置分布的信息，来执行傅立叶变换以计算每个波长的红外光强度，从而分析样品的成分。 不过，虽然性能棒棒，本领超凡，但FTIR却有一个关于自己“体型”的“烦恼”，那就是：真！的！太！笨！重！了！作为一个“精贵的月半子”，FTIR几乎只能止步于实验室中。面对应用场景中出现的在线检测、快速移动等需求，只能无奈说一句“臣妾做不到”了。 之所以传统的FTIR光谱仪体积非常大，主要是其中的核心部分——光学干涉仪占据了非常大的空间。虽然业界中也一直在推进小型化的工作，也推出了一些有助于缩小整机体积的内部FITR光谱组件产品。但体积的缩小，往往会带来入射光量和光能量损失的问题，许多产品也是在牺牲了灵敏度、信噪比等性能下实现的小型化。若想解决这个问题，内部元件、光路的创新性设计，以及提高工艺水平都是关键。 经过精心重构光学干涉仪的设计思路，并采用always独特的MOEMS技术，滨松成功开发出了一款高性能的微型化FTIR引擎。迈克尔逊光谱干涉仪和控制电路统统内置其中，仅手掌大小，却实现了在1.1-2.5 μm区域超高的灵敏度，具有远超同类产品的高信噪比表现（10000:1），以及高光谱重现性。可内置于便携式FTIR仪器中，实现整机小型化的同时，也可保证高性能的实现。 滨松新型FTIR引擎C15511-01左：FTIR引擎结构图右：内置在FTIR中的光学干涉仪结构图 这个FTIR引擎内部到底是有什么样的乾，什么样的坤，才实现了这样的性能的呢？下面我们来看看吧！ 1、高灵敏度&高信噪比 上文我们也提到，入射光量和光能量的损失是小型化FTIR灵敏度和信噪比下降的一个重要因素。采用MOEMS技术，滨松开发出了一个直径3 mm的微型可移动反射镜，克服了缩小干涉仪尺寸而又不减少入射光量的挑战。这是信噪比得以提升的关键。 我们还通过先进的封装技术，将可移动反射镜和固定镜直接键合在一起，从而成功地将镜与镜之间的相对角度误差减小了约0.01度。光程差控制更加精确，灵敏度则得到提高。此外，还优化了移动反射镜的驱动器结构和驱动方法，以消除驱动反射镜时出现的模糊，抑制了红外光在光学干涉仪中的扩散，进一步减少了光损失。 当然，体积也进一步得到了缩小，57×49×76 mm，这样的体型仅仅是一般台式仪器的1/100。 2、高光谱重现性 一般的FTIR光谱仪基于干涉光（光学干涉信号）和可移动镜的位置信息执行傅立叶变换，以计算每个波长的红外光强度。而新FTIR引擎利用半导体激光器，可以精确地检测可移动反射镜的位置，增强了测量结果的可重复性。 除了硬件设施外，为了更加方便使用。滨松还开发了与该产品相匹配的软件，用于设置测量条件，获取数据和显示数据图。 评估软件 为了满足进一步的市场需求，滨松此后也将持续提高FTIR引擎性能，进一步减小其尺寸，以及将光谱响应扩展到更长的波长区域，敬请期待~

center img style=" width: 368px height: 400px " title=" " alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441271.jpg" height=" 400" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 368" / /center p style=" text-align: center " 　　精密坐标测量 /p p 　　 strong 精密测量技术 /strong /p p 　　现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。 /p p 　　在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智慧化的发展趋势。三坐标测量机(CMM)是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪的重点发展目标，各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。 /p p 　　 strong 三坐标测量机 /strong /p p 　　三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用。 /p p 　　1、误差自补偿技术 /p p 　　德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术，使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441250.jpg" height=" 286" width=" 278" / /center p style=" text-align: center " 　　CNC小型坐标测量机 /p p 　　2、丰富的软件技术 /p p 　　CarlZeiss 公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR& amp R及X_BAR& amp S图表、频率直方图、运行图、目标图等。 /p p 　　美国公司的Cameleon测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。 /p p 　　日本Mistutor公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441295.jpg" height=" 333" width=" 484" / /center p style=" text-align: center " 　　STRATA-UX系统处理简图 /p p 　　3、非接触测量 /p p 　　基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。 /p p 　　该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应用于大范围内测量，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其它厂商提供的接触式或非接触式探头。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441352.jpg" height=" 357" width=" 241" / /center p style=" text-align: center " 　　IMP型坐标测量机 /p p 　　 strong 微/纳米级精密测量技术 /strong /p p 　　科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳米技术。 /p p 　　纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。 /p p 　　微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。 /p p 　　因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。 /p p 　　1、扫描探针显微镜 /p p 　　1981 年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜，把人们带到了微观世界。它具有极高的空间分辨率，广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似的原理与结构，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或接口纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜(SPM)，用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息，成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。 /p p 　　(1)原子力显微镜(AFM) /p p 　　为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷，Binning等人发明了AFM，AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测，从而得到表面形貌信息。 /p p 　　就应用而言，STM主要用于自然科学研究，而相当数量的AFM已经用于工业技术领域。1988年中国科学院化学所研制成功国内首台具有原子分辨率的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三维测量系统，可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜可使目前纳米测量技术定量化。 /p p 　　利用类似AFM的工作原理，检测被测表面特性对受迫振动力敏组件产生的影响，在探针与表面10～100nm距离范围，可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力，相继开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等，统称为扫描力显微镜。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441475.jpg" height=" 229" width=" 600" / /center p style=" text-align: center " 　　原子力显微镜及工作原理 /p p 　　(2)光子扫描隧道显微镜(PSTM) /p p 　　PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者利用电子隧道效应，而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激起的瞬衰场，其强度随距接口的距离成函数关系，获得表面结构信息。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442144.jpg" height=" 198" width=" 270" / /center p style=" text-align: center " 　　光子扫描隧道显微镜 /p p 　　(3)其它显微镜 /p p 　　如扫描隧道电位仪(STP)可用来探测纳米尺度的电位变化 扫描离子电导显微镜(SICM)适用于进行生物学和电生理学研究 扫描热显微镜已经获得了血红细胞的表面结构 弹道电子发射显微镜(BEEM)则是目前唯一能够在纳米尺度上无损检测表面和接口结构的先进分析仪器，国内也已研制成功。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442219.jpg" height=" 194" width=" 362" / /center p style=" text-align: center " 　　扫描隧道电位仪 /p p 　　2、纳米测量的扫描X射线干涉技术 /p p 　　以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度(0.10～0.01nm)尺寸测量的定标手段。 /p p 　　美国NIST和德国PTB分别测得硅(220)晶体的晶面间距为192015.560± 0.012fm和192015.902± 0.019fm。日本 NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定性测试，发现其18天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。 /p p 　　扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低，测量稳定性好，结构简单，是一种很有潜力的方便的纳米测量技术。 /p p 　　自从1983年D.G.Chetwynd将其应用于微位移测量以来，英、日、意大利相继将其应用于纳米级位移传感器的校正。国内清华大学测试技术与仪器国家重点实验室在1997年5月利用自己研制的X射线干涉器件在国内首次清楚地观察到X射线干涉条纹。软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。迈克尔逊型差拍干涉仪，适于超精细加工表面轮廓的测量，如抛光表面、精研表面等，测量表面轮廓高度变化最小可达0.5nm，横向(X，Y向)测量精度可达0.3～1.0μm。渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中，其分辨率可达0.1nm数量级。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442402.jpg" height=" 354" width=" 351" / /center p style=" text-align: center " 　　迈克尔逊型差拍干涉仪 /p p 　　3、光学干涉显微镜测量技术 /p p 　　光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P(Ferry-Perot)标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率，如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm的分辨率 基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度可达0.001nm，但其测量范围受激光器的调频范围的限制，仅有0.1μm。而扫描电子显微镜(SEM)可使几十个原子大小的物体成像。 /p p 　　美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统，位移分辨率高于0.6nm，可在1.1m/s的高速下测量，适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。 /p p 　　目前，在微/纳米机械中，精密测量技术一个重要研究对象是微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的缺陷研究，如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析技术，用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米激光雷达技术，其探测尺度分辨率均可达到1nm。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442693.jpg" height=" 269" width=" 400" / /center p style=" text-align: center " 　　以激光波长为已知长度利用迈克耳逊干涉系统测量位移 /p p 　 strong 　图像识别测量技术 /strong /p p 　　随着近代科学技术的发展，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或形体发展到复杂的三维物体测量，从宏观物体发展到微观领域。 正确地进行图像识别测量已经成为测量技术中的重要课题。 /p p 　　图像识别测量过程包括：(1)图像信息的获取 (2)图像信息的加工处理，特征提取 (3)判断分类。计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及数理统计知识。 /p p 　　图像 /p p 　　测量系统一般由以下结构组成。以机械系统为基础，线阵、面阵电荷耦合器件CCD或全息照相系统构成摄像系统 信息的转换由视频处理器件完成电荷信号到数字信号的转换 计算机及计算技术实现信息的处理和显示 回馈系统包括温度误差补偿，摄像系统的自动调焦等功能 载物工作台具有三坐标或多坐标自由度，可以精确控制微位移。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442902.png" height=" 243" width=" 547" / /center p style=" text-align: center " 　　图像测量系统结构 /p p 　　1、CCD传感器技术 /p p 　　物体三维轮廓测量方法中，有三坐标法、干涉法、穆尔等高线法及相位法等。而非接触电荷耦合器件CCD是近年来发展很快的一种图像信息传感器。它具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确及敏感单元尺寸小等优点。随着集成度的不断提高、结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛地应用于工业非接触图像识别测量系统中。 /p p 　　在对物体三维轮廓尺寸进行检测时，采用软件或硬件的方法，如解调法、多项式插值函数法及概率统计法等，测量系统分辨率可达微米级。也有将CCD应用于测量半导体材料表面应力的研究。 /p p 　　2、照相技术 /p p 　　全息照相测量技术是60年代发展起来的一种新技术，用此技术可以观察到被测物体的空间像。激光具有极好的空间相干性和时间相干性，通过光波的干涉把经物体反射或透射后，光束中的振幅与相位信息。 /p p 　　超精密测量技术所代表的测量技术在国防、航天、航空、航海、铁道、机械、轻工、化工、电子、电力、电信、钢铁、石油、矿山、煤炭、地质、勘侧等领域有极其广泛的应用，在国民经济建设中占有重要的地位。在发展高端装备制造业的背景下，提高我国在超精密测量方面的科研实力和技术水平，成为不得不解决的迫切问题。 /p