基于涡旋光与平面波干涉的微位移测量

韩世泽; 杨栋; 胡晓宁; 杨忠明; 庄新港; 刘兆军

doi:10.37188/OPE.20223000.0219

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基于涡旋光与平面波干涉的微位移测量

现代应用光学 | 更新时间：2022-10-08

- 基于涡旋光与平面波干涉的微位移测量
- Micro-displacement measurement based on interference of vortex beams and plane wave
- 光学精密工程 2022年30卷第17期页码：2058-2066
- 作者机构：
  
  1.山东大学信息科学与工程学院，山东青岛 266237
  2.山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室，山东青岛 266237
  3.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛 266555
- 作者简介：
  
  [ "韩世泽（2001-），男，山西太原人，主要从事光学精密测试技术的研究。E-mail： 201900122004@mail.sdu.edu.cn" ]
  [ "杨忠明（1987-），男，山东平原人，博士，副教授，2017年于南京理工大学获得博士学位，主要从事光学精密测试技术、光学系统设计和太赫兹波束调控技术的研究。E-mail： zhongming.yang@sdu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(62175131);山东省重点研发计划资助项目(2020CXGC010204);安徽省重点研究与开发计划资助项目(202104a04020001);山东大学基本科研业务费资助项目(2020JCG003)
- DOI：10.37188/OPE.20223000.0219
  中图分类号： O439
- 收稿日期：2022-05-09，
  
  修回日期：2022-05-26，
  
  纸质出版日期：2022-09-10
- 稿件说明：
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韩世泽,杨栋,胡晓宁等.基于涡旋光与平面波干涉的微位移测量[J].光学精密工程,2022,30(17):2058-2066.

HAN Shize,YANG Dong,HU Xiaoning,et al.Micro-displacement measurement based on interference of vortex beams and plane wave[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(17):2058-2066.
韩世泽,杨栋,胡晓宁等.基于涡旋光与平面波干涉的微位移测量[J].光学精密工程,2022,30(17):2058-2066. DOI： 10.37188/OPE.20223000.0219.

HAN Shize,YANG Dong,HU Xiaoning,et al.Micro-displacement measurement based on interference of vortex beams and plane wave[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(17):2058-2066. DOI： 10.37188/OPE.20223000.0219.

摘要

光学干涉测量技术得益于高灵敏性和高重复性常用于位移等几何量的高精度测量。为了实现纳米级位移精确测量，以涡旋光与平面波干涉模型为基础，建立并验证了花瓣状干涉图旋转角度与位移的线性关系，提出一种微位移测量方法。位移测量模型使用涡旋光束干涉光路，经仿真验证了原理的可行性，并搭建位移实验系统进行测量实验。实验结果表明，当位移量为200.0 nm时，测量结果为196.3 nm，误差为3.7 nm，误差百分比为1.9%，可实现纳米量级的微位移测量。与传统的球面波干涉、共轭涡旋光干涉等位移测量方案相比，该微位移测量方法在测量可靠性和测量精度方面均具有明显的优势。

Abstract

Owing to its high sensitivity and repeatability， optical interferometry is often used to measure geometric quantities， such as micro-displacement， with high accuracy. To achieve the accurate measurement of nanodisplacements， a linear relationship between the rotation angle of a petal-like interferogram and the displacement， was established and verified based on the interference of vortex beams and plane waves. A novel method of microdisplacement measurement was proposed， which used the structure of an interference system with vortex beams. The feasibility of the principle was verified by simulation， and a displacement experimental system was established for the measurement experiments. The experimental results show that when the displacement is 200.0 nm， the measurement result is 196.3 nm， with an error of 3.7 nm or 1.9%， which can achieve microdisplacement measurement on a nanometer scale. Compared with traditional displacement measurement schemes， such as spherical wave interference and conjugate vortex beams interference， the proposed method has significant advantages in measurement reliability and accuracy.

关键词

Keywords

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BEIJERSBERGEN M W ， ALLEN L ， VAN DER VEEN H E L O ， et al . Astigmatic laser mode converters and transfer of orbital angular momentum ［J］. Optics Communications ， 1993 ， 96 （ 1/2/3 ）： 123 - 132 . doi: 10.1016/0030-4018(93)90535-d http://dx.doi.org/10.1016/0030-4018(93)90535-d

HE ， FRIESE ， HECKENBERG ， et al . Direct observation of transfer of angular momentum to absorptive particles from a laser beam with a phase singularity ［J］. Physical Review Letters ， 1995 ， 75 （ 5 ）： 826 - 829 . doi: 10.1103/physrevlett.75.826 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.75.826

MACDONALD M P ， PATERSON L ， VOLKE-SEPULVEDA K ， et al . Creation and manipulation of three-dimensional optically trapped structures ［J］. Science ， 2002 ， 296 （ 5570 ）： 1101 - 1103 . doi: 10.1126/science.1069571 http://dx.doi.org/10.1126/science.1069571

SHVEDOV V ， VOLYAR A . Generation of higher-order optical vortices by a dielectric wedge ［J］. Optics Letters ， 2005 ， 30 （ 18 ）： 2472 - 2474 . doi: 10.1364/ol.30.002472 http://dx.doi.org/10.1364/ol.30.002472

MILNE G ， JEFFRIES G D M ， CHIU D T . Tunable generation of Bessel beams with a fluidic axicon ［J］. Applied Physics Letters ， 2008 ， 92 （ 26 ）： 261101 . doi: 10.1063/1.2952833 http://dx.doi.org/10.1063/1.2952833

VAITY P ， RUSCH L . Perfect vortex beam： Fourier transformation of a Bessel beam ［J］. Optics Letters ， 2015 ， 40 （ 4 ）： 597 - 600 . doi: 10.1364/ol.40.000597 http://dx.doi.org/10.1364/ol.40.000597

DING X ， FENG G Y ， ZHOU S H . Detection of phase distribution of vortex beams based on low frequency heterodyne interferometry with a common commercial CCD camera ［J］. Applied Physics Letters ， 2020 ， 116 （ 3 ）： 031106 . doi: 10.1063/1.5127952 http://dx.doi.org/10.1063/1.5127952

YANG D ， HU X N ， DOU J T ， et al . Wavefront detection method for orbital angular momentum modes based on conformal mapping-spatial phase-shifting interferometry ［J］. Journal of Optics ， 2022 ， 24 （ 5 ）： 055701 . doi: 10.1088/2040-8986/ac3960 http://dx.doi.org/10.1088/2040-8986/ac3960

高旭，李舒航，马庆林，等 . 光栅精密位移测量技术发展综述［J］. 中国光学， 2019 ， 12 （ 4 ）： 741 - 752 . doi: 10.3788/CO.20191204.0741 http://dx.doi.org/10.3788/CO.20191204.0741

GAO X ， LI SH H ， MA Q L ， et al . Development of grating-based precise displacement measurement technology ［J］. Chinese Optics ， 2019 ， 12 （ 4 ）： 741 - 752 . （in Chinese） . doi: 10.3788/CO.20191204.0741 http://dx.doi.org/10.3788/CO.20191204.0741

FUJIMOTO I ， SATO S ， KIM M Y ， et al . Optical vortex beams for optical displacement measurements in a surveying field ［J］. Measurement Science and Technology ， 2011 ， 22 （ 10 ）： 105301 . doi: 10.1088/0957-0233/22/10/105301 http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/22/10/105301

EMILE O ， EMILE J . Naked eye picometer resolution in a Michelson interferometer using conjugated twisted beams ［J］. Optics Letters ， 2017 ， 42 （ 2 ）： 354 - 357 . doi: 10.1364/ol.42.000354 http://dx.doi.org/10.1364/ol.42.000354

VERMA G ， YADAV G . Compact picometer-scale interferometer using twisted light ［J］. Optics Letters ， 2019 ， 44 （ 14 ）： 3594 - 3597 . doi: 10.1364/ol.44.003594 http://dx.doi.org/10.1364/ol.44.003594

SIRENKO A A ， MARSIK P ， BERNHARD C ， et al . Terahertz vortex beam as a spectroscopic probe of magnetic excitations ［J］. Physical Review Letters ， 2019 ， 122 （ 23 ）： 237401 . doi: 10.1103/physrevlett.122.237401 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.122.237401

EMILE O ， EMILE J ， BROUSSEAU C . Rotational Doppler shift upon reflection from a right angle prism ［J］. Applied Physics Letters ， 2020 ， 116 （ 22 ）： 221102 . doi: 10.1063/5.0009396 http://dx.doi.org/10.1063/5.0009396

孙平，李兴龙，孙海滨，等 . 涡旋光的干涉特性及其在变形测量中的应用［J］. 光子学报， 2014 ， 43 （ 9 ）： 136 - 140 . doi: 10.3788/gzxb20144309.0912001 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20144309.0912001

SUN P ， LI X L ， SUN H B ， et al . Interference characteristics of vortex beams and its application in deformation measurement ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2014 ， 43 （ 9 ）： 136 - 140 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20144309.0912001 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20144309.0912001

赵冬娥，王思育，马亚云，等 . 基于涡旋光与球面波干涉的微位移测量研究［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 4 ）： 175 - 180 . doi: 10.3788/irla202049.0413005 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0413005

ZHAO D E ， WANG S Y ， MA Y Y ， et al . Measurement of micro-displacement based on the interference of vortex beams and spherical wave ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 4 ）： 175 - 180 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla202049.0413005 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0413005

夏豪杰，谷容睿，潘成亮，等 . 涡旋光位移干涉测量方法与信号处理［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1905 - 1912 . doi: 10.37188/OPE.20202809.1905 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1905

XIA H J ， GU R R ， PAN CH L ， et al . Signal processing method for displacement measurement interferometry using vortex beams ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1905 - 1912 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202809.1905 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1905

LU H L ， HAO Y Y ， GUO C J ， et al . Nano-displacement measurement system using a modified orbital angular momentum interferometer ［J］. IEEE Journal of Quantum Electronics ， 2022 ， 58 （ 2 ）： 1 - 5 . doi: 10.1109/jqe.2022.3145840 http://dx.doi.org/10.1109/jqe.2022.3145840

YANG L L ， YANG D ， YANG Z M ， et al . Co-phase state detection for segmented mirrors by dual-wavelength optical vortex phase-shifting interferometry ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 9 ）： 14088 - 14102 . doi: 10.1364/oe.455890 http://dx.doi.org/10.1364/oe.455890

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