计量测试服务国计民生,我国成功研发高端激光

日前,由清华大学李岩、尉昊赟、吴学健、张弘元、张继涛、赵世杰、朱敏昊、黄沛、任利兵、杨宏雷完成的“高测速多轴高分辨力激光干涉测量技术与仪器”项目获得2018年度中国计量测试学会科学技术进步一等奖。 计量是科学技术的基础,是人类认识世界的工具,人类历史上的3次技术革命都和计量测试技术的突破息息相关,计量测试科技成果对推动其他科学技术的进步与发展具有重要的促进和引领作用。激光干涉测量是实现超精密测控和微纳尺度测量的最有效手段之一,是保障可溯源纳米测量的重要途径,也是迈向计量强国、制造强国不可或缺的关键计量测试技术。 项目团队针对光刻机工件台超精密定位、基础计量测量和高端仪器应用中对激光干涉仪高动态、高分辨力、跨尺度和可溯源等测量需求,深入开展测量原理、方法和测量系统仪器化中的共性科学技术问题研究,突破集成多轴干涉、信号解调和折射率补偿等关键技术,形成全套自主的高性能激光干涉测量系统;提出系列可溯源至长度或频率基准的激光干涉测量方法,实现不确定度为皮、纳米量级的高精度测量;形成了系列知识产品成果,研究成果支撑了我国自主研发光刻机的高精度定位,激光测振仪的信号解调等应用,并入选国家“十二五”科技创新成就展。 项目实现了从干涉仪组件、信号探测解调到多自由度探测方案设计的全链条自研开发的高测速、多轴大量程、高分辨力激光干涉测量系统,提出了光频可溯源系列化激光干涉精密测长方法。截至目前,项目获授权发明专利20余项,发表SCI收录论文30余篇。 此外,项目团队所研发的光刻机用双频激光干涉仪系统,成功应用到我国自研光刻机工件台样机研发过程中,累计应用50余台套,很好的满足了光刻机双工件台样机的精密测量需求,支撑了国内光刻机用双频激光干涉仪能力的形成,减轻了对国外高端干涉仪的依赖,为我国高端装备和仪器研发提供了性能优良且不受制于人的测量及溯源能力。 “中国计量测试学会科学技术进步奖”是在国家科学技术奖励办公室登记备案的省部级科技进步奖。其中申报一等奖的项目要求整体技术已正式应用三年以上并取得较大的经济效益或社会效益。目前产品已成功应用到航空航天、汽车制造、机床检测等多个领域,成为提升中国制造产品质量的有力支撑工具。

化工仪器网 行业动态】激光干涉测量指以激光为光源,以激光波长或激光频率为基准,利用光的干涉原理进行精密测量的方法,具有非接触测量、灵敏度高和精确度高的优点。激光干涉测量仪器一般用于位移、长度、角度、面基、介质折射率的变化等方面的测量,常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等 激光干涉测量是实现超精密测控和微纳尺度测量的最有效手段之一,在许多领域都有极其重要的作用。近日,在国家重大科技专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等项目支持下,清华大学长聘教授、精密仪器系学术委员会主任李岩研究团队完成的“高测速多轴高分辨率激光干涉测量技术与仪器”项目,突破一系列关键技术瓶颈,形成了测量新方法、系统及仪器。 据李主任介绍,项目实现了从干涉仪组件、信号探测解调到多自由度探测方案设计的全链条自研开发的高测速、多轴大量程、高分辨率激光干涉测量系统。目前,该项目团队所研发的光刻机用双频激光干涉仪系统已经应用到了我国自研光刻机工件台样机研发过程中,累计应用50余台套。该研究成果满足了光刻机双工件台样机的精密测量需求,减轻了对国外高端干涉仪的依赖,降低了其产品对我国出口限制所造成的研发风险,对保障我国光刻机双工件台研发的顺利实施起到了积极作用。 此外,项目开发的亚纳米分辨率可溯源外差干涉仪,也应用到了激光多维测量系统研究与开发的比对检定研究中。亚纳米分辨率可溯源外差干涉仪能够找出了激光多维测量系统非线性误差原因,并用专门的电路加以校正,提高了相关单位激光多维测量系统的性能。开发团队所提出的可溯源干涉测量新方法,为摩尔单位采用阿伏伽德罗常数重新定义作出了贡献。 值得一提的还有,在过去,我国没有掌握研发高端激光干涉测量仪器的核心技术,但该项目的成功一举打破了外国对我国高端激光干涉测量仪器的限制和垄断,丰富了我国激光干涉测量理论与技术,这意味着往后我国高端装备和仪器的研发将拥有性能稳定且不受制于外国的测量及溯源能力。总而言之,该研究成果具有非常重要的技术、经济和社会效益。 激光干涉测量技术是保障可溯源纳米测量的重要途径,也是推动我国迈向计量强国、制造强国的关键计量测试技术。相信随着研发团队的继续深入研究,我国的激光干涉测量技术还会不断进步,为我国带来更多的效益。 资料来源:科技日报

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测量技术与仪器涉及所有物理量的测量,对于材料、工程科学、能源科学关系密切。目前的发展趋势有以下几点: 以自然基准溯源和传递,同时在不同量程实现国际比对。如果自己没有能力比对就要依靠其它国家。 高精度。目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm,并正向0.18μm过渡,2009年的预测线宽是0.07μm。如果定位要求占线宽的1/3,那么就要求10nm量级的精度,而且晶片尺寸还在增大,达到300mm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10的-8次方,相应的激光稳频精度应该是10的-9次方数量级。 高速度。目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上,上世纪80年代以前开发研制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国Renishaw所占领,其原因是后者的速度达到了1m/sec。 高灵敏,高分辨,小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。 标准化。通讯接口过去常用GPIB,RS232,目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。现在,技术*者设法控制技术标准,参与标准制订是仪器开发的基础研究工作之一。 我国仪器科技的发展现状 由于长期习惯于仿制国外产品,我国的仪器仪表工业缺乏创新能力,跟不上科学研究和工程建设的需要。 我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果,许多成果处于国际*水平,有待筛选、提高和转化,但产业化程度很低,没有形成具有国际竞争力的完整产业。 未来发展趋势 1.发展方向与学科前沿 配合数控设备的技术创新(如主轴速度,精度创成) 数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差,可采用软件修正;对于随机误差较大的情况,要采用实时修正方法。对于热误差,一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此,需要高速多通道激光干涉仪:其测量速度达60m/min以上,采样速度达5000次/sec以上,以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到2×10的-7次方水平,其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。 运行和制造过程的监控和在线检测技术 综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地*广阔,如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。 配合信息产业和生产科学的技术创新 为了在开放环境下求得生存空间,没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状,信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。 2.优先领域 在基础研究的初期,对于能否有突破性进展是很难预测的。但是,当已经取得突破性进展时,则需要有一个转化机制以进入市场。 纳米溯源技术和系统。 介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。 关键理论和技术:超半球反射器(n=2或在机构上创新),快速、多路干涉仪,二维精密跟踪测角系统(0.2″~0.5″),通用信号处理系统,无导轨半导体激光测量系统,热变形仿真,力变形仿真。 这些内容不局限于一种技术方案,而是几种不同技术方案中概括出来的共同点。如采用无导轨干涉仪,对跟踪系统的要求可以降低;采用二维精密跟踪测角系统在1M3测量范围内可以得到高精度;有了超半球反射镜可以提高4路跟踪方案的精度。在现场进行介入制造和装配不能等待很长时间,力和热变形的补偿是必须的而且需要足够快,现在的技术还有相当大的差距,所以这些进展是关键性的。 应用范围:新型并行机构机床的鉴定,飞机装配型架的鉴定,大型设备安装,用于生物芯片精密机器人校准等。 非接触测头以及各种扫描探针显微镜 航空航天行业对此已经提出迫切要求,这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断,非接触测头还没有发展成熟,我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制,难以有突破性进展,但可在原理创新上下功夫。应该突破0.1~0.5μm分辨率。 计算机辅助测量理论 信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如,目前多数采用ISA总线、IEEE488口,今后计算机可能取消ISA总线,用于笔记本电脑的USB接口将广泛应用。过去,我国生产的仪器满足于数字显示,没有数据交换接口,难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备IEEE488口。RS232:目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级,对于干涉信号处理显得太低,可以采取联合互补的方法形成模块系列,同时降低成本,从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础,发展特长,有利于克服重复研究。 新器件,新材料 过去,科研评价体系存在偏重于整机和系统,忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前探测器的响应频率只有10的9次方,而光频高达10的14次方,目前干涉仪实际上是起着混频器的作用,适应探测器的不足(如果探测器的响应果真能超过光频,干涉仪也就没有用了)。如果探测器的性能得到显著提高,对于通讯也是很大的突破。 半导体激光器计量特性的研究和创新 半导体激光器用于计量需要解决很多问题(如线宽、定标、变频等)。但如果解决了诸多问题以后,半导体激光系统比气体激光系统更复杂,就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频,无疑是一种*重要的特性,如果既能扫频又有两个相近的频率扫描,就会成为一种新的无导轨测量工具。

2017年度中国计量测试学会科学技术进步奖颁奖现场

(源自:中国流体机械网)

计量是科学技术的基础,是人类认识世界的工具,人类历史上的三次技术革命都和计量测试技术的突破息息相关,计量测试科技成果对推动其他科学技术的进步与发展具有重要的促进和引领作用。

2018年度中国计量测试学会科学技术进步奖,经过严格的资格审查、网络初审、会议复审以及评审委员会终审,共有23个项目获奖,其中一等奖7项,二等奖6项,三等奖10项。

计量测试基础研究,保证国家量值传递准确可靠

基于高温共晶点的开尔文原级实现。项目团队自主建立的高温共晶固定点研制、复现与评价体系,实现了原级辐射法热力学温度测量能力;代表中国在国际温度咨询委员会主导的高温共晶点国际联合研究计划中承担重要任务,对攻克高温固定点应用难题做出了关键性贡献,并对高温固定点热力学温度首次国际赋值提供了“中国数据”,有力推动了温度的国际量值实现体系从国际温标向热力学温度的历史性转变,使我国从过去的国际规则执行者,转变成为新国际量值实现体系的重要贡献者和推动者。

高精度钙离子光钟。光钟是目前世界上频率精准的原子频率标准,可用于新一代的时间频率标准和国家时频系统。项目团队经过十多年努力,先后解决单离子稳定囚禁和有效冷却、超窄线宽激光研制、实验环境影响等一系列关键问题,在此基础上,研制了高精度钙离子光钟;并对影响光钟指标的物理效应细致研究,使光钟的不确定度和稳定度均达10-17量级;测量的钙离子绝对频率值三次被国际时间频率咨询委员会采纳,对修改钙离子光学标准频率作出了贡献。

电学量子基标准核心芯片研制。芯片是新一代基标准的核心。项目立足于国家急需、打破瓶颈、研制两大电学量子基标准及一大毫米波关键参数基准所需核心芯片,强有力支撑此三类基标准体系。项目团队研制的量子化霍尔电阻芯片用于国家量子电阻基准、国防量子电阻自然基准,0.5V量子电压芯片可用于复现高精度量子电压,双通道量子电压芯片用于微伏量子电压标准系统,毫米波功率基准芯片用于国家WR-6功率基准装置及出口美国NIST系统。

高精度测量结果,保证国家重大工程安全可靠

高测速多轴高分辨力激光干涉测量技术与仪器。作为超精密测量的重要手段,激光干涉测量技术在基础计量、工业校准和超精密装备中至关重要。该项目团队突破集成多轴干涉、信号解调和折射率补偿等关键技术,形成全套自主的高性能激光干涉测量系统;提出系列可溯源至长度或频率基准的激光干涉测量方法,实现不确定度为皮、纳米量级的高精度测量;形成了系列知识产品成果,研究成果支撑了我国自主研发光刻机的高精度定位,激光测振仪的信号解调等应用,并入选国家“十二五”科技创新成就展。

材料真空性能测试技术研究。放气率和渗透率是评价材料真空性能的主要参数。项目组通过多年持续攻关,在材料放气率测量方法研究、材料渗透率测量方法研究、极小漏孔检漏方法研究、真空容器容积原位测量等方面取得了创新和突破,成功应用于国家科技重大专项02专项集成电路装备、国防天基武器装备红外探测器、高功率激光系统、铯原子钟等军民多领域所需材料真空性能的测试评价和筛选,保证了应用数据的准确与可靠,对国家重大科技工程的发展起到了积极推动作用。

视觉密度国家基准计量技术扩展研究及多领域创新应用。视觉密度是材料光学特性的重要物理量,是航天、核设施等高精尖行业无损检测的关键指标。应对国际定义、应用需求的变化,项目团队对光学密度的国家基准技术进行了扩展研究。取得两项技术创新:一是采用“理想漫射等价条件法”解决了光学密度极端测量问题。二是基于光波场傅里叶空间频率调制建立图像式光学密度量传装置。研究成果在光学系统制造商、互联网智能平台仪器质控、航空起降安全监测、医学影像质控等行业获得典型应用和不断推广。

精准测量,保证民生计量安全公正

医用加速器放射治疗剂量量值体系的研究建立与应用。该项目经研制开放式量热芯,搭建惠斯登交流电桥,通过氢/氮饱和水体系和热损定量评估,实现加速器光子水吸收剂量绝对测量,不确定度0.35%,完成国际比对取得等效互认,建立了放射治疗基准及量传体系,为我国医院的放疗科提供计量服务。

电动汽车充电设施计量技术及标准。 项目团队研制的直流电能计量标准装置,在纹波系数为5%、纹波频率500Hz范围内条件下,电能测量不确定度0.01%;项目团队研制的充电设施直流电能计量标准装置和充电设施直流电能现场校验装置,作为电能汽车充电设施直流电能计量溯源的标准,制订的充电设施电能计量国家标准和国家计量检定规程,指导充电设施的生产和检定,构建起充电设施电能计量溯源体系,确保了充电电能计量准确,保证了电能贸易结算公平。

智能电网电能计量系统质量评估与风险预警技术研究。针对我国现行的电能计量制度存在的失准风险和浪费的问题,项目组通过对近千万块电表长期性能跟踪研究,形成了两个独创的质量评估理论:基于元器件失效性分析的批次电能表计量风险评估理论和利用神经网络量化使用环境对电能计量性能的影响理论;创立了非标条件下电能参考标准值阵列,在国际上系统地解决了智能电表计量性能全寿命周期评测中安装前质量评估、安装后寿命预测及高准确度现场校验等关键节点的技术难题。项目提高了在用智能电表的准确度,保障了民生计量的公平公正。

(本版数据均由中国计量测试学会提供)

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