[发明专利]基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法及系统

权利要求书

1.基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、激光器输出的线偏振光束经光场调控模块变为具有螺旋相位的圆偏振光束；

步骤S2、圆偏振光束经分束器分为参考光和测量光，参考光进入参考光路，测量光经第一偏振分束器分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光进入第一测量光路，垂直偏振光进入第二测量光路，且参考光、垂直偏振光和水平偏振光均返回至分束器并合束，获取第一参考干涉图像和第二参考干涉图像；

步骤S3、改变第二测量光路的光程，重复步骤S1-S2，获取第一测量干涉图像和第二测量干涉图像，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到旋转角度，计算得到被测位移。

2.根据权利要求1所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，所述光场调控模块包括空间光调制器和四分之一波片，线偏振光束经空间光调制器进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片变为具有螺旋相位的圆偏振光束。

3.根据权利要求2所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，改变第二测量光路的光程前，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取并作为第一参考干涉图像，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取并作为第二参考干涉图像。

4.根据权利要求3所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，改变第二测量光路的光程后，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取并作为第一测量干涉图像，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取并作为第二测量干涉图像，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像得到第一旋转角度，对比第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到第二旋转角度。

5.根据权利要求4所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，当参考光路处于稳定状态下，所述第一旋转角度所述第二旋转角度与被测位移的表达式为：其中，表示第二旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长，Δd₂表示被测位移。

6.根据权利要求4所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，当参考光路处于波动状态下，第一旋转角度与参考光路波动量的表达式为：第二旋转角度与被测位移的表达式为：其中，表示第一旋转角度，表示第二旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长，Δd₁表示参考光路出现的波动量，Δd₂表示被测位移。

7.基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，包括：

激光器，用于输出线偏振光束；

光场调控模块，用于将线偏振光束调控为具有螺旋相位的圆偏振光束；

传输干涉模块，圆偏振光束在传输干涉模块分为参考光和测量光，且测量光分为垂直偏振光和水平偏振光，参考光、垂直偏振光和水平偏振光进入不同光路并合束形成干涉光；

和图像采集处理模块，用于采集干涉图像。

8.根据权利要求7所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，所述光场调控模块包括同光轴的空间光调制器和四分之一波片，线偏振光束经空间光调制器进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片变为具有螺旋相位的圆偏振光束。

9.根据权利要求8所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，所述传输干涉模块包括分束器、第一反射角锥、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第二反射角锥，圆偏振光束经分束器分为参考光和测量光，参考光射向第一反射角锥发生折返反射并返回分束器，形成参考光路，测量光经第一偏振分束器分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光射向第二偏振分束器并返回分束器，形成第一测量光路，垂直偏振光射向第二反射角锥发生折返反射并射向第二偏振分束器，且垂直偏振光和水平偏振光在第二偏振分束器合束并返回分束器，形成第二测量光路。

10.根据权利要求9所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，所述图像采集处理模块包括第一探测器和第二探测器，返回分束器的参考光、垂直偏振光和水平偏振光传输至第三偏振分束器，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取。