一种光学多倍程纳米级位移测量系统的制作方法

1.本发明涉及位移测量技术领域，特别是涉及一种光学多倍程纳米级位移测量系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一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；
8.所述光源用于发出激光；
9.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；
10.待测物体设置在所述第一相位改变模块的出射光路上；
11.所述第一相位改变模块用于：
12.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；
13.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；
14.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；
15.所述第二相位改变模块用于：
16.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；
17.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；
18.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；
19.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；
20.所述第一相位改变模块还用于：
21.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；
22.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；
23.所述第二相位改变模块还用于：
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.所述位移测量模块用于：
29.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；
30.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。
31.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；
32.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；
33.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；
34.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；
35.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；
36.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。
37.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；
38.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。
39.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；
40.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。
41.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；
42.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；
43.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。
44.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；
45.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；
46.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。
47.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；
48.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。
49.可选的，所述第一涡旋光产生单元还包括：第三直角棱镜；所述第三直角棱镜设置于所述第五反射光的出射光路上，且位于所述偏振分束棱镜和所述第一涡旋半波片之间；
50.所述第三直角棱镜用于改变所述第五反射光的方向；
51.所述第二涡旋光产生单元还包括：第四直角棱镜；所述第四直角棱镜设置于所述第五透射光的出射光路上，且位于所述偏振分束棱镜和所述第二涡旋半波片之间；
52.所述第四直角棱镜用于改变所述第五透射光的方向。
53.可选的，所述位移测量模块还包括：激光扩束镜；所述激光扩束镜设置于所述干涉涡旋光的出射光路上，且位于所述非偏振分束棱镜与所述光电探测器之间；
54.所述激光扩束镜用于放大所述干涉涡旋光。
55.可选的，所述第一涡旋半波片和所述第二涡旋半波片的拓扑荷相等。
56.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
57.本发明公开了一种光学多倍程纳米级位移测量系统，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。
附图说明
58.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1为本发明实施例提供的光学多倍程纳米级位移测量系统结构示意图。
60.符号说明：1
‑
光源，2
‑
偏振分束棱镜，3
‑
第一直角棱镜，4
‑
第二直角棱镜，5
‑
非偏振分束棱镜，6
‑
光电探测器，7
‑
第一四分之一波片，8
‑
第一平面反射镜，9
‑
第二四分之一波片，10
‑
第二平面反射镜，11
‑
第一涡旋半波片，12
‑
道威棱镜，13
‑
第二涡旋半波片，14
‑
第三直角棱镜，15
‑
第四直角棱镜，16
‑
激光扩束镜，17
‑
第三四分之一波片。
具体实施方式
61.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.本发明的目的是提供一种光学多倍程纳米级位移测量系统，旨在提高位移测量的分辨力，可应用于位移测量技术领域。
63.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
64.图1为本发明实施例提供的光学多倍程纳米级位移测量系统结构示意图。如图1所示，本实施例中的光学多倍程纳米级位移测量系统，包括：光源1、偏振分束棱镜2、第一相位改变模块、第二相位改变模块、第一直角棱镜3、第二直角棱镜4和位移测量模块。
65.光源1用于发出激光。
66.偏振分束棱镜2用于将激光分成第一透射光和第一反射光。
67.待测物体设置在第一相位改变模块的出射光路上。
68.第一相位改变模块用于：
69.改变第一透射光的相位，并将相位改变后的第一透射光传输至待测物体。
70.接收待测物体反射的第一待测光，并改变第一待测光的相位，得到第二反射光，并将第二反射光发送至偏振分束棱镜2。
71.第二相位改变模块设置于第一反射光的出射光路上。
72.第二相位改变模块用于：
73.改变第一反射光的相位和方向，得到第二透射光，并将第二透射光发送至偏振分束棱镜2。
74.偏振分束棱镜2还用于将第二反射光和第二透射光汇聚，得到第一汇聚光。
75.第一直角棱镜3，设置于第一汇聚光的出射光路上；第一直角棱镜3用于对第一汇聚光进行方向翻转，得到第一翻转光。
76.偏振分束棱镜2还用于将第一翻转光分成第三透射光和第三反射光。
77.第一相位改变模块还用于：
78.改变第三反射光的相位，并将相位改变后的第三反射光传输至待测物体。
79.接收待测物体反射的第二待测光，并改变第二待测光的相位，得到第四透射光，并将第四透射光发送至偏振分束棱镜2。
80.第二相位改变模块还用于：
81.改变第三透射光的相位和方向，得到第四反射光，并将第四反射光发送至偏振分束棱镜2。
82.偏振分束棱镜2还用于将第四透射光和第四反射光汇聚，得到第二汇聚光。
83.第二直角棱镜4，设置于第二汇聚光的出射光路上；第二直角棱镜4用于对第二汇聚光进行方向翻转，得到第二翻转光。
84.偏振分束棱镜2还用于将第二翻转光分成第五透射光和第五反射光。
85.位移测量模块用于：
86.接收第五透射光和第五反射光，并对第五透射光和第五反射光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光。
87.根据待测物体位置移动过程中的干涉涡旋光计算待测物体的位移。
88.作为一种可选的实施方式，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5、光电探测器6和计算单元。
89.第一涡旋光产生单元设置于第五反射光的出射光路上，第一涡旋光产生单元用于将第五反射光转变为第一涡旋光。
90.第二涡旋光产生单元设置于第五透射光的出射光路上，第二涡旋光产生单元用于将第五透射光转变为第二涡旋光。
91.非偏振分束棱镜5设置于第一涡旋光的出射光路与第二涡旋光的出射光路的交界处，非偏振分束棱镜5用于对第一涡旋光与第二涡旋光干涉，得到干涉涡旋光。
92.光电探测器6设置于干涉涡旋光的出射光路上，光电探测器6用于探测待测物体位置移动过程中干涉涡旋光的光强，生成周期性的光强变化曲线。
93.计算单元与光电探测器6连接，计算单元用于根据光强变化曲线确定待测物体的位移。
94.具体的，计算单元根据周期性的光强变化曲线获得在待测物体移动过程中光强变化的周期数，周期数和激光的波长的四分之一相乘即为待测物体的位移。
95.作为一种可选的实施方式，第一相位改变模块包括：第一四分之一波片7；第一四分之一波片7设置于第一透射光的出射光路上，并位于偏振分束棱镜2和待测物体之间。
96.第一四分之一波片7用于改变经过第一四分之一波片7的光的相位。
97.具体的，第一四分之一波片7具体用于：
98.改变第一透射光的相位，并将相位改变后的第一透射光传输至第一平面反射镜8上。
99.接收待测物体反射的第一待测光，并改变第一待测光的相位，得到第二反射光，并将第二反射光发送至偏振分束棱镜2。
100.改变第三反射光的相位，并将相位改变后的第三反射光传输至待测物体。
101.接收待测物体反射的第二待测光，并改变第二待测光的相位，得到第四透射光，并将第四透射光发送至偏振分束棱镜2。
102.具体的，经过第一四分之一波片7的光相位均改变90度，线偏振光经过第一四分之一波片7变为圆偏振光，圆偏振光经过第一四分之一波片7变为线偏振光。
103.作为一种可选的实施方式，第一相位改变模块还包括：第一平面反射镜8；第一平
面反射镜8设置于第一四分之一波的出射光路上，且位于待测物体的表面。
104.第一平面反射镜8用于将达到第一平面反射镜8的光反射至第一四分之一波片7。
105.具体的，第一平面反射镜8具体用于：反射相位改变后的第一透射光和相位改变后的第三反射光至第一四分之一波片7。
106.作为一种可选的实施方式，第二相位改变模块包括：第二四分之一波片9和第二平面反射镜10；第二平面反射镜10设置于第一反射光的出射光路上，第二四份之一波片设置于第一反射光的出射光路上，并位于偏振分束棱镜2与第二平面反射镜10之间。
107.第二四分之一波片9用于改变经过第二四分之一波片9的光的相位。
108.第二平面反射镜10用于将达到第二平面反射镜10的光反射至第一四分之二波片。
109.具体的，第二四分之一波片9具体用于：
110.改变第一反射光的相位，并将相位改变后的第一反射光发送至第二平面反射镜10。
111.改变第二平面反射镜10反射的相位改变后的第一反射光，得到第二透射光，并将第二透射光发送至偏振分束棱镜2。
112.改变第二透射光的相位，并将相位改变后的第二透射光发送至第二平面反射镜10。
113.改变第二平面反射镜10反射的相位改变后的第二透射光，得到第三透射光，并将第三透射光发送至偏振分束棱镜2。
114.改变第三透射光的相位，并将相位改变后的第三透射光发送至第二平面反射镜10。
115.改变第二平面反射镜10反射的相位改变后的第三透射光的相位得到第四反射光，并将第四反射光发送至偏振分束棱镜2。
116.具体的，经过第二四分之一波片9的光相位均改变90度，线偏振光经过第二四分之一波片9变为圆偏振光，圆偏振光经过第二四分之一波片9变为线偏振光。
117.具体的，第二平面反射镜10具体用于：反射第一反射光和第三透射光至四儿四分之一波片。
118.作为一种可选的实施方式，第一涡旋光产生单元包括：第一涡旋半波片11和道威棱镜12。
119.第一涡旋半波片11设置于第五反射光的出射光路上，第一涡旋半波片11用于将第五反射光转变为第三涡旋光。
120.道威棱镜12设置于第三涡旋光的出射光路上，道威棱镜12用于将第三涡旋光的相位翻转180度得到第一涡旋光。
121.作为一种可选的实施方式，第二涡旋光产生单元包括：第二涡旋半波片13；第二涡旋半波片13设置于第五透射光的出射光路上。
122.第二涡旋半波片13用于将第五透射光转变为第二涡旋光。
123.作为一种可选的实施方式，第一涡旋光产生单元还包括：第三直角棱镜14；第三直角棱镜14设置于第五反射光的出射光路上，且位于偏振分束棱镜2和第一涡旋半波片11之间。
124.第三直角棱镜14用于改变第五反射光的方向。
125.具体的，设置第三直角棱镜14在于使得光路更加整齐，使得各个光学器件的布局更加完善，第三直角棱镜14使得第五反射光的传输方向旋转了90度。第三直角棱镜14可根据实际需求设置。
126.第二涡旋光产生单元还包括：第三四直角棱镜15；第三四直角棱镜15设置于第五透射光的出射光路上，且位于偏振分束棱镜2和第二涡旋半波片13之间。
127.第三四直角棱镜15用于改变第五透射光的方向。
128.具体的，设置第三四直角棱镜15在于使得光路更加整齐，使得各个光学器件的布局更加完善，第三四直角棱镜15使得第五透射光的传输方向旋转了90度。第三四直角棱镜15可根据实际需求设置。
129.作为一种可选的实施方式，位移测量模块还包括：激光扩束镜16；激光扩束镜16设置于干涉涡旋光的出射光路上，且位于非偏振分束棱镜5偏振分束棱镜2与光电探测器6之间。
130.激光扩束镜16用于放大干涉涡旋光。
131.在实际应用中，由于光源1发射激光的光斑较小，生成的干涉涡旋光可能尺寸较小，不易采集，经过激光扩束镜16的扩束，方便了光电探测器6对干涉涡旋光的采集。激光扩束镜16可根据实际需求设置。
132.作为一种可选的实施方式，第一涡旋半波片11和第二涡旋半波片13的拓扑荷相等。第一涡旋半波片11和第二涡旋半波片13的拓扑荷可根据实际需求进行调整。当第一涡旋半波片11和第二涡旋半波片13的拓扑荷为m时，其生成的第一涡旋光和第二涡旋光的拓扑荷为m，后面干涉涡旋光的图像的花瓣数量为2m。
133.作为一种可选的实施方式，光学多倍程纳米级位移测量系统还包括：第三四分之一波片17，第三四分之一波片17设置于激光的出射光路上，且位于光源1与偏振分束棱镜2之间；第三四分之一波片17用于将激光由线偏振光转变为圆偏振光。
134.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
135.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。