CN114739295A - 一种涡旋光束激励的精密光栅位移测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡旋光束激励的精密光栅测量装置，本发明以携带拓扑电荷的涡旋光束作为光栅的激励光源，利用±m级衍射涡旋光束的干涉进行位移测量。涡旋光激励的精密光栅测量方法与装置中，被测位移移动p/m对应干涉花瓣图案旋转一周2π，则干涉图案旋转1°对应的被测位移量为p/360m。与采用传统光源激励的精密测量光栅方法相比，光栅干涉传感信号自身实现了更高的光学细分倍数。同时，光栅干涉传感信号的电子细分方法，由相位插值变为圆周角度细分，圆周具有360°的自然基准，避免了光栅干涉传感信号质量对相位插值细分有效性的影响，从原理上提升了精密光栅测量的分辨力及精度。

Description

一种涡旋光束激励的精密光栅位移测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种涡旋光束激励的精密光栅位移测量方法及装置。
背景技术
精密位移测量技术，作为精密工程和前沿科学发展的引领性技术基础，始终是世界各国追逐的研究热点和展开争夺的制高点。其中，精密光栅位移传感技术及器件，作为最具发展前景的跨尺度纳米测量技术之一，是决定高端装备精度的核心基础功能部件，其应用场景已经从数控机床改造拓展至半导体制造装备。
精密光栅位移测量装置的测量分辨力，由光栅栅距和细分倍率(电子细分、光学细分)共同决定。但是目前精密光栅位移测量中主要存在以下问题:
1)光栅栅距的不断下探。通过制造更小的光栅栅距，实现测量分辨力的提升。然而光栅制造需要兼顾栅距尺度和幅面，小栅距大幅面光栅的制造，高度依赖于制造装备精度、工艺参数控制及环境条件保障等，需要巨额的资金投入、长期的工艺经验积累、以及制造工艺的原理性突破和发展。
2)电子细分方法的实施。通过对光栅传感信号的插值细分，如反正切细分方法、锁相环细分方法等，实现测量分辨力的提升。电子细分倍率越高，测量装置的动态响应速度越低，此外还必须考虑细分误差，否则，一味地提高细分倍数是没有实际意义。
3)光学细分结构的设计。现有方法通过选择高级次衍射光束或增加衍射次数，实现光栅传感信号的光学倍频，提升测量分辨力。光学倍频方法，原则上不会影响测量装置的动态响应特性，但无论是衍射级数的提高还是衍射次数的增加，都伴随着光束能量显著的下降，从而影响信号强度和信噪比。实际光栅测量装置设计中，一般选择二倍频或四倍频。迫切需要发明新的光学倍频方法，提升精密光栅测量装置的光学细分倍率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种涡旋光束激励的精密光栅位移测量装置及测量方法，与采用传统光源激励的精密测量光栅方法相比，基于涡旋光束的螺旋相位特性，光栅干涉传感信号自身实现了更高的光学细分倍数。同时，光栅干涉传感信号的电子细分方法，由相位插值变为圆周角度细分，圆周具有360°的自然基准，避免了光栅干涉传感信号质量对相位插值细分有效性的影响，从原理上提升了精密光栅测量的分辨力及精度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种涡旋光束激励的精密光栅测量装置，包括激光器，所述激光器的出口处设置有相位调制器件，所述相位调制器件的正前方设置有反射镜，所述反射镜的左侧设置有光栅，还包括两个反射镜和三个偏振分光棱镜、其中，两个反射镜分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜上下对应设置；三个偏振分光棱镜分别为第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜，其中，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜处于一条光路上，所述第一偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜处于另外一条光路上，三个偏振分光棱镜呈直角分布，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间设置有第一1/4波片，所述第一偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜之间设置有第二1/4波片；所述第二偏振分光棱镜两侧设置有第一光电探测器和第二光电探测器，所述第三偏振分光棱镜两侧设置有第三光电探测器和第四光电探测器。
进一步地，所述相位调制器件为螺旋相位板或空间光调制器。
进一步地，光栅和第二反射镜之间设置有道威棱镜。
一种涡旋光束激励的精密光栅测量方法，包括如下步骤
步骤1)：激光器的出射激光经相位调制器件，生成涡旋光束；涡旋光束经反射镜反射打向光栅并发生衍射，产生+m和-m级衍射光；激光器发出的激光经空间光调制器转换为携带轨道角动量的Laguerre-Gaussian涡旋光束，其特征主要由径向指数n和方位角向指数l来表征；
步骤2)：+m衍射光经第一反射镜反射后进入第一偏振分光棱镜，-m衍射光先经道威棱镜后携带相反拓扑电荷，再经第二反射镜进入第一偏振分光棱镜；
步骤3)：第一偏振分光棱镜将光分为两束，其中一光路中，+m级的S光和-1级的P光经过第一1/4波片，另一光路中，+m级的P光和-1级的S光经过第二1/4波片；
步骤4)：两路光分别再次进入第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜，再一次被分为两束，分别形成圆偏振光并发生干涉，最终产生四幅相干图案。
步骤5):当光栅发生运动时，±m级衍射光产生相位差Δφ，此时被测位移量引起的相位变化与等角度均分分布干涉图案的旋转角度对应起来，旋转方向与被测位移方向相对应；可以从干涉图案的旋转角度信息中解调出被测光栅位移。
进一步地，拓扑电荷数(即方位角向指数)为l和-l的涡旋光场表达式分别简写为：
El(r,θ)＝Rl(r)exp(ilθ) (1)
E-l(r,θ)＝Rl(r)exp(-ilθ) (2)
两者相干所产生的电场振幅为：
El(r,θ)+E-l(r,θ)＝2Rl(r)cos(lθ) (3)
当光栅发生移动时，由于衍射光的多普勒频移效应，光栅的+m和-m级衍射光将产生相位差Δφ，其表达式为：
Figure BDA0003632189270000041
式中，x为光栅移动的位移，p为光栅栅距。上式表明，光栅位移x可通过+m级和-m级衍射光之间的相位差Δφ求解。此时，两束衍射光相干所产生的电场振幅为：
Figure BDA0003632189270000042
由公式(5)可以看出，被测位移量x所引起的相位变化Δφ与等角度均分分布干涉图案的旋转角度相对应，旋转方向与被测位移方向相对应。涡旋光激励的精密光栅测量方法中，被测位移移动p/m对应干涉花瓣图案旋转一周2π，则干涉图案旋转1°对应的被测位移量为p/360m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过在激光光源出射的光路上加入相位调制器件，可以是螺旋相位板或空间光调制器，合成带有拓扑电荷的涡旋光束，从而利用涡旋光束来激励光栅。
2)涡旋光束因携带拓扑电荷可在相干时产生具有特殊强度分布的相干图样，利用该特性可将光栅干涉信号电子细分处理方法由相位插值变为圆周角度细分。而且，圆周具有360°的自然基准，避免了干涉信号质量对相位插值细分有效性的影响，从原理上提升了光栅测量的分辨力及精度。
附图说明
图1为实施例涡旋光束激励的精密光栅测量装置的正视图；
图2为实施例中所用涡旋光束产生的相干图样，其中l＝10，n＝0；
图3为实施例中所用涡旋光束产生的相干图样，其中l＝0，n＝3；
图4为实施例中所用涡旋光束产生的相干图样，其中l＝10，n＝3；
图中标号：激光器1；相位调制器件2；反射镜3；光栅4；道威棱镜5；第一反射镜6；第二反射镜7；第一偏振分光棱镜8；第一1/4波片9；第二1/4波片10；第二偏振分光棱镜11；第三偏振分光棱镜12；第一光电探测器13；第三光电探测器14；第二光电探测器15；第四光电探测器16。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
实施例，参照图1和图2，一种涡旋光束激励的精密光栅测量装置，包括激光器1，所述激光器1的出口处设置有相位调制器件2，所述相位调制器件2的正前方设置有反射镜3，所述反射镜3的左侧设置有光栅4，还包括两个反射镜和三个偏振分光棱镜、其中，两个反射镜分别为第一反射镜6和第二反射镜7，所述第一反射镜6和第二反射镜7上下对应设置；三个偏振分光棱镜分别为第一偏振分光棱镜8、第二偏振分光棱镜11和第三偏振分光棱镜12，其中，所述第一偏振分光棱镜8和第二偏振分光棱镜11处于一条光路上，所述第一偏振分光棱镜8和第三偏振分光棱镜12处于另外一条光路上，三个偏振分光棱镜呈直角分布，所述第一偏振分光棱镜8和第二偏振分光棱镜11之间设置有第一1/4波片9，所述第一偏振分光棱镜8和第三偏振分光棱镜12之间设置有第二1/4波片10；所述第二偏振分光棱镜11两侧设置有第一光电探测器13和第二光电探测器15，所述第三偏振分光棱镜12两侧设置有第三光电探测器14和第四光电探测器16。
优选地，所述相位调制器件2为螺旋相位板或空间光调制器。
优选地，光栅4和第二反射镜7之间设置有道威棱镜5。
一种涡旋光束激励的精密光栅测量方法，包括如下步骤
步骤1)：激光器1的出射激光经相位调制器件2，生成涡旋光束；涡旋光束经反射镜3反射打向光栅4并发生衍射，产生+m和-m级衍射光；
激光器1发出的激光经空间光调制器2转换为携带轨道角动量的Laguerre-Gaussian涡旋光束，其特征主要由径向指数n和方位角向指数l来表征；
步骤2)：+m衍射光经第一反射镜6反射后进入第一偏振分光棱镜8，-m衍射光先经道威棱镜5后携带相反拓扑电荷，再经第二反射镜7进入第一偏振分光棱镜8；
步骤3)：第一偏振分光棱镜将光分为两束，其中一光路中，+m级的S光和-1级的P光经过第一1/4波片9，另一光路中，+m级的P光和-1级的S光经过第二1/4波片10；
步骤4)：两路光分别再次进入第二偏振分光棱镜11和第三偏振分光棱镜12，再一次被分为两束，分别形成圆偏振光并发生干涉，最终产生四幅相干图案。
步骤5)当光栅发生运动时，±m级衍射光产生相位差Δφ，此时被测位移量引起的相位变化与等角度均分分布干涉图案的旋转角度对应起来，旋转方向与被测位移方向相对应。因此，可以从干涉图案的旋转角度信息中解调出被测光栅位移。
径向指数n与方位角向指数l数值不同时，±m级衍射的共轭涡旋光束的干涉图案如附图2所示，借助圆周360°自然基准，通过图像处理拟合定位各干涉条纹及干涉图案的旋转中心，可实现干涉图案旋转角度以及对应被测位移的高分辨力精密测量。干涉图案中，且干涉条纹分的越细、分布越均匀清晰，越有利于信号处理精度及测量分辨力的提升。
进一步地，拓扑电荷数(即方位角向指数)为l和-l的涡旋光场表达式分别简写为：
El(r,θ)＝Rl(r)exp(ilθ) (1)
E-l(r,θ)＝Rl(r)exp(-ilθ) (2)
两者相干所产生的电场振幅为：
El(r,θ)+E-l(r,θ)＝2Rl(r)cos(lθ) (3)
当光栅发生移动时，由于衍射光的多普勒频移效应，光栅的+m和-m级衍射光将产生相位差Δφ，其表达式为：
Figure BDA0003632189270000071
式中，x为光栅移动的位移，p为光栅栅距。上式表明，光栅位移x可通过+m级和-m级衍射光之间的相位差Δφ求解。此时，两束衍射光相干所产生的电场振幅为：
Figure BDA0003632189270000072
由公式(5)可以看出，被测位移量x所引起的相位变化Δφ与等角度均分分布干涉图案的旋转角度相对应，旋转方向与被测位移方向相对应。涡旋光激励的精密光栅测量方法与装置中，被测位移移动p/m对应干涉花瓣图案旋转一周2π，则干涉图案旋转1°对应的被测位移量为p/360m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种涡旋光束激励的精密光栅测量装置，其特征在于，所述测量装置包括激光器(1)，所述激光器(1)的出口处设置有相位调制器件(2)，所述相位调制器件(2)的正前方设置有反射镜(3)，所述反射镜(3)的左侧设置有光栅(4)，还包括两个反射镜和三个偏振分光棱镜、其中，两个反射镜分别为第一反射镜(6)和第二反射镜(7)，所述第一反射镜(6)和第二反射镜(7)上下对应设置；三个偏振分光棱镜分别为第一偏振分光棱镜(8)、第二偏振分光棱镜(11)和第三偏振分光棱镜(12)，其中，所述第一偏振分光棱镜(8)和第二偏振分光棱镜(11)处于一条光路上，所述第一偏振分光棱镜(8)和第三偏振分光棱镜(12)处于另外一条光路上，三个偏振分光棱镜呈直角分布，所述第一偏振分光棱镜(8)和第二偏振分光棱镜(11)之间设置有第一1/4波片(9)，所述第一偏振分光棱镜(8)和第三偏振分光棱镜(12)之间设置有第二1/4波片(10)；所述第二偏振分光棱镜(11)两侧设置有第一光电探测器(13)和第二光电探测器(15)，所述第三偏振分光棱镜(12)两侧设置有第三光电探测器(14)和第四光电探测器(16)。
2.如权利要求1所述的一种涡旋光束激励的精密光栅测量装置，其特征在于，所述相位调制器件(2)为螺旋相位板或空间光调制器。
3.如权利要求1所述的一种涡旋光束激励的精密光栅测量装置，其特征在于，光栅(4)和第二反射镜(7)之间设置有道威棱镜(5)。
4.一种涡旋光束激励的精密光栅测量方法，所述测量方法基于权利要求1-3中任意一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
步骤1)：激光器(1)的出射激光经相位调制器件(2)，生成涡旋光束；涡旋光束经反射镜(3)反射打向光栅(4)并发生衍射，产生+m和-m级衍射光；激光器(1)发出的激光经空间光调制器(2)转换为携带轨道角动量的Laguerre-Gaussian涡旋光束，涡旋光束的特征主要由径向指数n和方位角向指数l来表征；
步骤2)：+m衍射光经第一反射镜(6)反射后进入第一偏振分光棱镜(8)，-m衍射光先经道威棱镜(5)后携带相反拓扑电荷，再经第二反射镜(7)进入第一偏振分光棱镜(8)；
步骤3)：第一偏振分光棱镜将光分为两束，其中一光路中，+m级的S光和-1级的P光经过第一1/4波片(9)，另一光路中，+m级的P光和-1级的S光经过第二1/4波片(10)；
步骤4)：两路光分别再次进入第二偏振分光棱镜(11)和第三偏振分光棱镜(12)，再一次被分为两束，分别形成圆偏振光并发生干涉，最终产生四幅相干图案；
步骤5):当光栅发生运动时，±m级衍射光产生相位差Δφ，此时被测位移量引起的相位变化与等角度均分分布干涉图案的旋转角度对应起来，旋转方向与被测位移方向相对应；可以从干涉图案的旋转角度信息中解调出被测光栅位移。
5.如权利要求4所述的一种涡旋光束激励的精密光栅测量方法，其特征在于，步骤5)具体为：
方位角向指数为l和-l的涡旋光场表达式分别简写为：
El(r,θ)＝Rl(r)exp(ilθ) (1)
E-l(r,θ)＝Rl(r)exp(-ilθ) (2)
两者相干所产生的电场振幅为：
El(r,θ)+E-l(r,θ)＝2Rl(r)cos(lθ) (3)
当光栅发生移动时，由于衍射光的多普勒频移效应，光栅的+m和-m级衍射光将产生相位差Δφ，其表达式为：
Figure FDA0003632189260000021
式中，x为光栅移动的位移，p为光栅栅距；上式表明，光栅位移x可通过+m级和-m级衍射光之间的相位差Δφ求解；此时，两束衍射光相干所产生的电场振幅为：
Figure FDA0003632189260000031
被测位移量x所引起的相位变化Δφ与等角度均分分布干涉图案的旋转角度相对应，旋转方向与被测位移方向相对应；涡旋光激励的精密光栅测量方法中，被测位移移动p/m对应干涉花瓣图案旋转一周2π，则干涉图案旋转1°对应的被测位移量为p/360m。
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