一种光学多倍程纳米级位移测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学多倍程纳米级位移测量系统，该系统包括：包括：光源、偏振分束棱镜、第一相位改变模块、第二相位改变模块、第一直角棱镜、第二直角棱镜和位移测量模块；在设置光源、偏振分束棱镜、第一相位改变模块、第二相位改变模块和位移测量模块的基础上增设第一直角棱镜和第二直角棱镜，实现了光束在第一平面反射镜(即测量镜)与第二平面反射镜(即参考镜)间的多次反射，和现有的基于矢量涡旋光场干涉的位移测量相比，增加了信号光与参考光之间的光程差，提高了位移测量的分辨力。提高了位移测量的分辨力。提高了位移测量的分辨力。

【技术实现步骤摘要】
一种光学多倍程纳米级位移测量系统


[0001]本专利技术涉及位移测量
，特别是涉及一种光学多倍程纳米级位移测量系统。

技术介绍

[0002]涡旋光束是矢量光场中的典型代表，其具备螺旋线形的波前相位分布和圆环形的光强分布，并携带一定的轨道角动量。1989年，首次提出了“光学涡旋”的概念术语。1992年，首次在近轴条件下提出了涡旋光束具有轨道角动量，并定量给出了每个光子的平均轨道角动量的值为涡旋光束拓扑荷的值与普朗克常量的乘积。
[0003]如同标量光场一样，涡旋光束也会产生干涉等物理现象，但是与标量光场不同的是两束涡旋光束发生干涉后的干涉条纹呈现花瓣状分布，同时当两束发生干涉的涡旋光束光程差改变后，花瓣状的干涉条纹会发生旋转。基于该原理，可以利用涡旋光束的干涉进行微纳位移的精确测量。2017年，基于迈克尔逊干涉仪原理，使用涡旋光束生成花瓣状干涉信号，通过检测干涉花瓣图像的旋转角度实现对微小位移的精确测量。2020年，利用球面波与涡旋光束的干涉图像实现了对微纳位移的精确测量。
[0004]基于涡旋光场干涉进行微纳位移的测量相比于传统的标量光场原始干涉信号自身实现了更高的细分倍数，同时由于圆周具备360度的自然基准，提高了插值细分的质量。但是目前基于矢量涡旋光场干涉的微纳位移测量，多使用光程差为二倍程的光路设计，其对于位移的测量的分辨力仍然较低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种光学多倍程纳米级位移测量系统，提高了位移测量的分辨力。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种光学多倍程纳米级位移测量系统，包括：光源、偏振分束棱镜、第一相位改变模块、第二相位改变模块、第一直角棱镜、第二直角棱镜和位移测量模块；
[0008]所述光源用于发出激光；
[0009]所述偏振分束棱镜用于将所述激光分成第一透射光和第一反射光；
[0010]待测物体设置在所述第一相位改变模块的出射光路上；
[0011]所述第一相位改变模块用于：
[0012]改变所述第一透射光的相位，并将相位改变后的第一透射光传输至所述待测物体；
[0013]接收所述待测物体反射的第一待测光，并改变所述第一待测光的相位，得到第二反射光，并将所述第二反射光发送至所述偏振分束棱镜；
[0014]所述第二相位改变模块设置于所述第一反射光的出射光路上；
[0015]所述第二相位改变模块用于：
[0016]改变所述第一反射光的相位和方向，得到第二透射光，并将所述第二透射光发送至所述偏振分束棱镜；
[0017]所述偏振分束棱镜还用于将所述第二反射光和所述第二透射光汇聚，得到第一汇聚光；
[0018]所述第一直角棱镜，设置于所述第一汇聚光的出射光路上；所述第一直角棱镜用于对所述第一汇聚光进行方向翻转，得到第一翻转光；
[0019]所述偏振分束棱镜还用于将所述第一翻转光分成第三透射光和第三反射光；
[0020]所述第一相位改变模块还用于：
[0021]改变所述第三反射光的相位，并将相位改变后的第三反射光传输至所述待测物体；
[0022]接收所述待测物体反射的第二待测光，并改变所述第二待测光的相位，得到第四透射光，并将所述第四透射光发送至所述偏振分束棱镜；
[0023]所述第二相位改变模块还用于：
[0024]改变所述第三透射光的相位和方向，得到第四反射光，并将所述第四反射光发送至所述偏振分束棱镜；
[0025]所述偏振分束棱镜还用于将所述第四透射光和所述第四反射光汇聚，得到第二汇聚光；
[0026]所述第二直角棱镜，设置于所述第二汇聚光的出射光路上；所述第二直角棱镜用于对所述第二汇聚光进行方向翻转，得到第二翻转光；
[0027]所述偏振分束棱镜还用于将所述第二翻转光分成第五透射光和第五反射光；
[0028]所述位移测量模块用于：
[0029]接收所述第五透射光和所述第五反射光，并对所述第五透射光和所述第五反射光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光；
[0030]根据所述待测物体位置移动过程中的干涉涡旋光计算所述待测物体的位移。
[0031]可选的，所述位移测量模块包括：第一涡旋光产生单元、第二涡旋光产生单元、非偏振分束棱镜、光电探测器和计算单元；
[0032]所述第一涡旋光产生单元设置于所述第五反射光的出射光路上，所述第一涡旋光产生单元用于将所述第五反射光转变为第一涡旋光；
[0033]所述第二涡旋光产生单元设置于所述第五透射光的出射光路上，所述第二涡旋光产生单元用于将所述第五透射光转变为第二涡旋光；
[0034]所述非偏振分束棱镜设置于所述第一涡旋光的出射光路与所述第二涡旋光的出射光路的交界处，所述非偏振分束棱镜用于对所述第一涡旋光与所述第二涡旋光干涉，得到所述干涉涡旋光；
[0035]所述光电探测器设置于所述干涉涡旋光的出射光路上，所述光电探测器用于探测所述待测物体位置移动过程中的干涉涡旋光的光强，得到光强变化曲线；
[0036]所述计算单元与所述光电探测器连接，所述计算单元用于根据所述光强变化曲线确定所述待测物体的位移。
[0037]可选的，所述第一相位改变模块包括：第一四分之一波片；所述第一四分之一波片设置于所述第一透射光的出射光路上，并位于所述偏振分束棱镜和所述待测物体之间；
[0038]所述第一四分之一波片用于改变经过所述第一四分之一波片的光的相位。
[0039]可选的，所述第一相位改变模块还包括：第一平面反射镜；所述第一平面反射镜设置于所述第一四分之一波的出射光路上，且位于所述待测物体的表面；
[0040]所述第一平面反射镜用于将达到所述第一平面反射镜的光反射至所述第一四分之一波片。
[0041]可选的，所述第二相位改变模块包括：第二四分之一波片和第二平面反射镜；所述第二平面反射镜设置于所述第一反射光的出射光路上，所述第二四份之一波片设置于所述第一反射光的出射光路上，并位于所述偏振分束棱镜与所述第二平面反射镜之间；
[0042]所述第二四分之一波片用于改变经过所述第二四分之一波片的光的相位；
[0043]所述第二平面反射镜用于将达到所述第二平面反射镜的光反射至所述第一四分之二波片。
[0044]可选的，所述第一涡旋光产生单元包括：第一涡旋半波片和道威棱镜；
[0045]所述第一涡旋半波片设置于所述第五反射光的出射光路上，所述第一涡旋半波片用于将所述第五反射光转变为第三涡旋光；
[0046]所述道威棱镜设置于所述第三涡旋光的出射光路上，所述道威棱镜用于将所述第三涡旋光的相位翻转180度得到第一涡旋光。
[0047]可选的，所述第二涡旋光产生单元包括：第二涡旋半波片；所述第二涡旋半波片设置于所述第五透射光的出射光路上；
[0048]所述第二涡旋半波片用于将所述第五透射光转变为第二涡旋光。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学多倍程纳米级位移测量系统，其特征在于，包括：光源、偏振分束棱镜、第一相位改变模块、第二相位改变模块、第一直角棱镜、第二直角棱镜和位移测量模块；所述光源用于发出激光；所述偏振分束棱镜用于将所述激光分成第一透射光和第一反射光；待测物体设置在所述第一相位改变模块的出射光路上；所述第一相位改变模块用于：改变所述第一透射光的相位，并将相位改变后的第一透射光传输至所述待测物体；接收所述待测物体反射的第一待测光，并改变所述第一待测光的相位，得到第二反射光，并将所述第二反射光发送至所述偏振分束棱镜；所述第二相位改变模块设置于所述第一反射光的出射光路上；所述第二相位改变模块用于：改变所述第一反射光的相位和方向，得到第二透射光，并将所述第二透射光发送至所述偏振分束棱镜；所述偏振分束棱镜还用于将所述第二反射光和所述第二透射光汇聚，得到第一汇聚光；所述第一直角棱镜，设置于所述第一汇聚光的出射光路上；所述第一直角棱镜用于对所述第一汇聚光进行方向翻转，得到第一翻转光；所述偏振分束棱镜还用于将所述第一翻转光分成第三透射光和第三反射光；所述第一相位改变模块还用于：改变所述第三反射光的相位，并将相位改变后的第三反射光传输至所述待测物体；接收所述待测物体反射的第二待测光，并改变所述第二待测光的相位，得到第四透射光，并将所述第四透射光发送至所述偏振分束棱镜；所述第二相位改变模块还用于：改变所述第三透射光的相位和方向，得到第四反射光，并将所述第四反射光发送至所述偏振分束棱镜；所述偏振分束棱镜还用于将所述第四透射光和所述第四反射光汇聚，得到第二汇聚光；所述第二直角棱镜，设置于所述第二汇聚光的出射光路上；所述第二直角棱镜用于对所述第二汇聚光进行方向翻转，得到第二翻转光；所述偏振分束棱镜还用于将所述第二翻转光分成第五透射光和第五反射光；所述位移测量模块用于：接收所述第五透射光和所述第五反射光，并对所述第五透射光和所述第五反射光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光；根据所述待测物体位置移动过程中的干涉涡旋光计算所述待测物体的位移。2.根据权利要求1所述的光学多倍程纳米级位移测量系统，其特征在于，所述位移测量模块包括：第一涡旋光产生单元、第二涡旋光产生单元、非偏振分束棱镜、光电探测器和计算单元；所述第一涡旋光产生单元设置于所述第五反射光的出射光路上，所述第一涡旋光产生单元用于将所述第五反射光转变为第一涡旋光；
所述第二涡旋光产生单元设置于所述第五透射光的出射光路上，所述第二涡旋光产生单元用于将所述第五透射光转变为第二涡旋光；所述非偏振分束棱镜设置于所述第一涡旋光的出射光路与所述第二涡旋光的出射光路的交界处，所述非偏振分束棱镜用于对所述第一涡旋光与所述第二涡旋光干涉，得到所述干涉涡旋光；所述光电探测器设置于所述干涉涡旋光的出射光路上，所述光电探测器用于探测所述待测物体位置移动过程中的干涉涡旋光的光强，得到光强变化曲线；所述计...

【专利技术属性】
技术研发人员：施玉书，张树，王芳，皮磊，卜祥鹏，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：