纳米磁微粒的激光散斑位移测量系统

第23卷 第4期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 42009年4月JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT· 7 ·本文于2008年11月收到。

* 基金项目: 国家自然科学基金仪器专项(编号: 60827006)资助项目。

纳米级分辨率双频激光回馈位移测量系统*张 立1 周鲁飞2 谈宜东2 张书练2(1. 北京交通大学理学院, 北京100044; 2. 清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京100086)摘 要: 提出了一种基于双频激光回馈原理的高精度位移测量方法。

在分析双频激光回馈测量原理的基础上, 研究了双频激光回馈的基本现象并给出了理论依据, 进一步的在回馈光学系统基础上, 对两路正交的光回馈条纹利用电路进行细分处理: 即四倍频细分产生大数计数及在一个大数脉冲内再进行小数细分, 最后再将二者相结合。

主要采用可编程逻辑器件FPGA 和单片机设计信号处理电路, 四倍频细分主要利用FPGA 实现, 小数部分主要通过单片机软件查表程序实现。

全部电路并通过逻辑、时序仿真, 验证了本方法的可行性。

目前此系统满足高精度位移测量的要求。

关键词: 双频激光; 位移测量; 光回馈; 细分电路中图分类号: TB92 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 460.403Dual-frequency laser optical feedback displacement measurementsystem with nanometer resolutionZhang Li 1 Zhou Lufei 2 Tan Yidong 2 Zhang Shulian 2(1. School of Science, Beijing Jiaotong University Beijing 100044, China;2. The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of PrecisionInstruments, Tsinghua University, Beijing 100086, China)Abstract: A nanometer-resolution displacement measurement system based on weak feedback effect of birefringent dual-frequency laser has been presented and demonstrated. The experimental setup of an optical feedback dual-frequency laser is developed by using the phase delay between the optical feedback fringes of two orthogonally polarized lights to realize displacement division and direction discrimination. A concise theory is given to explain this experimental result. The sub-circuit is mainly composed of the FPGA and the MCU. The FPGA is used to realize the division of big number and the MCU is used to realize the division of fraction by program to look up the table. The total displacement is the sum of the value of big number and the value of fraction division. A novel displacement apparatus with a high resolution, as well as the function of direction discrimination, can meet the demand of high-precision meas-urement.Keywords: dual-frequency laser; displacement measurement; optical feedback; sub-circuit1 引 言光回馈[1-2](optical feedback)是指在激光应用系统中, 激光器输出光被外部物体反射或散射后, 部分光反馈回激光谐振腔内并与腔内光混合, 引起激光器的输出光强变化的现象。

精密仪器中的纳米级位移测量技术研究近年来，随着科技的不断进步和应用的不断扩大，精密仪器的需求也日益增长。

在许多领域，如生物医学、材料科学和电子工程等，需要对微小的物体进行精确的位移测量。

而纳米级位移测量技术的发展，为这些领域带来了革命性的变化。

纳米级位移测量是一种能够测量物体在亚微观尺度上的位移变化的技术。

它能够精确定位物体的位置，甚至超越传统测量方法的能力。

这种精密度的提高对于很多需要高精度控制和测量的领域来说非常重要。

在纳米级位移测量技术的发展过程中，有几种常见的方法和仪器被广泛应用。

其中之一是激光干涉仪。

激光干涉仪通过利用激光干涉的原理，测量被测物体的位移。

它的工作原理是通过将激光束分成两束，分别照射到待测物体上，然后再将两束光束合并，形成干涉条纹。

通过分析干涉条纹的变化，可以测量物体的位移。

此外，扫描探针显微镜也是一种常用的纳米级位移测量技术。

扫描探针显微镜利用微小探针进行扫描，测量物体表面的形貌和位移。

它的工作原理是将探针靠近待测物体表面，然后通过探针的运动轨迹来测量位移。

在纳米级位移测量领域中，经常出现的一个问题是环境噪音对测量结果的干扰。

由于纳米级位移测量对环境的要求非常高，任何微小的振动或者温度变化都可能引起测量误差。

因此，研究人员常常需要采取一些措施来降低环境噪音的影响。

一种常见的方法是在位移测量过程中使用隔离系统。

隔离系统可以将待测物体与外界环境隔离开来，减少外界振动和噪音对位移测量的影响。

常见的隔离系统包括空气悬浮系统、弹簧隔振系统和电磁悬浮系统等，它们能够有效地提高纳米级位移测量的精度。

此外，信号处理技术也是纳米级位移测量中很重要的一部分。

由于真实的测量信号往往包含大量的噪音，需要采取一些信号处理的算法来提取出有效的位移信号。

脉冲耦合神经网络（PCNN）是一种常用的信号处理方法，在纳米级位移测量中有着广泛的应用。

它可以通过神经网络模拟人脑的信息处理方式，更加准确地提取出位移信号。

纳米磁微粒的双扫描干涉激光散斑实验王希军;苏少昌【摘要】设计了研究纳米尺度磁微粒簇运动的双扫描干涉激光散斑实验.采用干涉条纹作为散斑运动的标度测量了磁流体中磁微粒的运动,避免了用传统数字散斑相干方法计算量大、精度依赖亚像素搜索算法的缺点；利用位相延迟扫描补偿横向扫描附加位相带来的干涉条纹变动,提高了动态散斑测量的空间分辨能力.对尺度为30～100 nm的磁微粒簇运动进行了实验分析,结果表明,受磁流体磁场变化的非线性、微粒间的碰撞和聚集等复杂因素的影响,磁微粒簇是以湍流,非匀速方式运动的,其运动的平均速度为6.93 mm/s.另外,该方法可通过改变条纹间距方便地调节精度以满足不同的测量要求.%A double scanning laser speckle interrferometric experiment was designed to investigate the movement of nano magnetic particle clusters around 100 nm. In experiments, the interferometric fringes were used as the scales of speckle motion to measure the movement of nano magnetic particles in a magnetic flow field to avoid large computation and the precision dependent on the subpixel searching algorithm. Furthermore, the phase delay scanning was used to compensate the additional phase change caused by a transverse scanning to improve the space resolution of dynamic spackle measurement. An experiment was performed on the nano magnetic clusters with the sizes of 30 -100μm. The experimental results show that the movement of the magnetic particles in the cluster is nonuniform motion and a turbulent flow with an average speed of 6. 93 mm/s, which are caused by the nonlinear changes of magnetic field, the collision and aggregation between the particles, andsome unknown complex factors. Moreover, the method can meet the different measuring requirements for easy preci-sion adjustment by changing fringe spaces.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)012【总页数】5页(P2633-2637)【关键词】激光散斑;磁流体;干涉条纹;相位延迟扫描【作者】王希军;苏少昌【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100049【正文语种】中文【中图分类】O436.11 引言磁流体是一种载液中分散着纳米尺度磁性粒子，运动相对稳定的胶体［1］，它是目前国内外纳米材料技术研究的热点之一，已在新型纳米管、纳米发电机、纳米泵、纳米马达和其他一些纳米装置中得到了广泛应用［2－4］。

激光干涉纳米位移测量系统设计总体构思及方案确定：一、光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。

特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。

按使用光学的原理不同分为以下几种方法：1、光外差法：光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。

测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。

这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。

2 电镜法电镜法是利用电子显微镜直接得到被测表面的微位移。

但目前其产品体积大，且局限于在实验室研究使用，不能用于加工生产现场。

3 激光三角测量法三角法测量法是种传统的测位移方法，将被测物表面与光源及接收系统摆在三个点，构成三角形光路。

其工作过程主要是:激光光源发出的光束经透镜照射被测物体表面上；光线由物体表面漫反射，一部分被光电接收系统接收。

如果物体表面高低不平，则在光电接收探测器的光敏面上的光斑有一定的移动，根据三角形相似原理可求出物体表面的位移。

4 干涉法测量干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。

激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。

其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。

测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。