Het onzichtbare meten: VSL’s Picodrift-interferometer verlegt de grenzen van precisie
Publicatie
‘Nauwkeurigheid’ is een spectrum. Voor een timmerman is een millimeter al nauwkeurig genoeg, maar voor een horlogemaker gaat het om een honderdste millimeter. En in de hightech-wereld van de halfgeleiderindustrie of bij onderzoekers die zwaartekrachtsgolven willen opsporen, betekent precisie weer iets anders: daar gaat het om afstanden die kleiner zijn dan een enkel atoom. Dat is het domein van metrologie op nanoschaal.
Bij VSL hebben we hiervoor een gespecialiseerd instrument ontwikkeld: de Picodrift-interferometer. Deze meet verplaatsingen (bewegingen) met een verbluffende nauwkeurigheid en kan verschuivingen tot slechts 10 picometer onderscheiden. Ter vergelijking: als een menselijke haar zo groot was als een berg, dan is 10 picometer ongeveer de grootte van een kiezelsteentje.
Dit niveau van ultraprecieze meting helpt om kritieke uitdagingen in de industrie en wetenschap op te lossen – van het stabiliseren van de enorme Einstein Telescope tot de borging dat de microchips in je telefoon op de juiste manier worden gemaakt.
Het probleem met te precies meten
Ultraprecieze metingen brengen hun eigen, bijzondere uitdagingen met zich mee. Zelfs de meest geavanceerde bewegingssystemen met nauwkeurigheden op nanometer-niveau hebben te maken met een taaie tegenstander: drift. Drift is langzame en ongewenste beweging die na verloop van tijd optreedt. Lijmverbindingen kunnen een beetje nazakken, metaal kan een fractie uitzetten bij een minieme temperatuurverandering, een geschroefde verbinding kan last krijgen van ‘microslip’ (een microscopisch kleine verschuiving onder belasting).
Om dat soort fouten te kunnen zien én corrigeren, heb je een ‘liniaal’ nodig die veel nauwkeuriger is dan het object dat je meet. Je hebt dan herleidbare metrologie nodig: een meetketen die je instrument rechtstreeks herleidt tot internationale meetstandaarden. De Picodrift-interferometer is precies voor dit doel ontworpen en doet dan ook dienst als dé standaardlineaal voor de nanowereld.
Meer weten over onze diensten?
Onze experts staan voor je klaar.
Walter Knulst
Principal Scientist Length & Optics
Hoe de Picodrift werkt (in relatief eenvoudige termen)
De Picodrift is een optisch instrument dat met een laser afstanden meet. Een laserstraal wordt opgesplitst in twee paden. Het ene pad weerkaatst op het object dat je wil meten, het andere pad dient als referentie. Wanneer de twee paden weer samenkomen, ontstaat er een interferentiepatroon. Als het object ook maar een fractie van de golflengte van het licht beweegt, verandert dit patroon onmiddellijk.
Wat de Picodrift zo bijzonder maakt, is de uitzonderlijk hoge stabiliteit. Het systeem voert zelfs twee van dit soort metingen tegelijk uit. Eén meting volgt het object, de andere ‘kijkt’ naar de lucht zelf om te corrigeren voor heel kleine veranderingen in luchtdruk of luchtvochtigheid. Zulke minieme veranderingen kunnen namelijk licht afbuigen en zo de meting vervormen.
De complete Picodrift-opstelling staat in een thermisch geïsoleerde behuizing waarin de temperatuur per uur slechts een paar duizendste graad mag variëren. Dit gebalanceerde ontwerp maakt het mogelijk om echte beweging te onderscheiden van ‘schijnbewegingen’ door de omgeving. Daardoor is het een van ‘s werelds meest stabiele interferometrische sensoren die op dit moment beschikbaar zijn..
Corrigeren voor ‘spookbewegingen’
Zelfs met zo’n stabiel ontwerp blijven VSL-onderzoekers op jacht naar intrinsieke drift – fouten die door het instrument zelf ontstaan. In een recent onderzoek zijn complexe computersimulaties gebruikt om elke lens, elke spiegel en elke houder in het systeem door te rekenen.
De uitkomsten zijn bemoedigend. De mechanische stabiliteit van de optische componenten blijkt uitstekend. De resterende, uiterst kleine afwijkingen worden waarschijnlijk veroorzaakt door de lucht in het instrument of door de glasvezelkabels die het laserlicht aanvoeren. Door deze bronnen scherp in beeld te krijgen, kan VSL het instrument verder verfijnen en de grenzen van nauwkeurigheid tot ver onder de nanometer verder oprekken.
Fysieke objecten vervangen door virtuele standaarden
Met de Picodrift verkent VSL een andere manier van kalibreren: werken met virtuele standaarden. In plaats van de klassieke aanpak met een fysieke silicium-standaard – een ‘blok’ met fijne geëtste groeven – gebruikt de Picodrift een geavanceerd trilelement: een piëzo-elektrische actuator die heel gecontroleerd heen en weer beweegt. Omdat deze beweging continu wordt gevolgd en gekalibreerd door de Picodrift, wordt de bewegende actuator zelf de standaard.
Zo’n virtuele standaard is zeer flexibel en onder de nanometer buitengewoon precies. Hij kan zich gedragen als een stap (een scherp hoogteverschil), als een helling of als een ruw oppervlak. Daarmee kunnen gebruikers atoomkrachtmicroscopen en andere optische verplaatsingssensoren veel veelzijdiger kalibreren dan ooit mogelijk was met een statische, fysieke standaard.
Een van de meest aansprekende toepassingen van deze technologie is de Einstein Telescope, een toekomstig ondergronds observatorium dat is ontworpen om zwaartekrachtsgolven waar te nemen. Om dat te kunnen doen, moet de telescoop vrijwel volledig worden afgeschermd van de voortdurende trilling van de aarde. VSL is partner in het project SENVIDET, dat sensoren ontwikkelt om trillingen bij extreem lage frequenties te isoleren.
Met de Picodrift als referentie helpt VSL nieuwe sensoren te testen en te valideren die de bodembeweging actief gaan tegensturen voor de Einstein Telescope. Als deze sensoren driften of te grote fouten vertonen, is de telescoop in feite blind. De Picodrift zorgt ervoor dat een gemeten beweging ook echt een beweging is.
De toekomst van klein meten
Van de dieptes van de Einstein Telescope tot de ultraschone productieruimten (cleanrooms) van chipsfabrieken – de behoefte aan metrologie op nanoschaal groeit snel. De Picodrift-interferometer van VSL overbrugt de kloof tussen wetenschappelijke theorie en industriële praktijk.
Door een methode te bieden om verplaatsingen op nanometerschaal te meten met herleidbare metrologie die nauwelijks wordt beïnvloed door omgevingsruis, helpt VSL ingenieurs en onderzoekers hun metingen te vertrouwen, zelfs wanneer ze werken met structuren die te klein zijn om met het blote oog waar te nemen.
Er is een artikel geplaatst in het tijdschrift Mikroniek over de Picodrift-interferometer van VSL. Dat is hier te lezen: Mikroniek nummer 5 2025.