激光干涉测量技术作为超精密测量的重要手段, 为实现亚纳米级测量分辨力, 通常对干涉周期信号进行数百倍甚至上千倍的插值细分, 引入分辨力有效性问题。本文基于涡旋光束的螺旋相位特性, 搭建高精度共轭涡旋光干涉位移测量结构, 将被测直线位移量与干涉图案绕中心旋转角度建立线性传感关系。信号采集与处理中基于干涉信号特点, 结合高速光电探测器进行干涉图案周期计数与相机进行低速干涉图案图像细分, 对干涉图案自身进行空间等角度细分, 有效降低后继周期信号的细分倍数并提高测量分辨力可靠性, 以保证涡旋光干涉信号实时处理系统的亚纳米量级测量精度。搭建涡旋光束拓扑荷数为4的干涉测量实验测试系统, 理论上干涉图案旋转1°对应的被测位移量为0.88 nm, 设计基于LabVIEW的信号实时采集和处理系统并进行测量分辨力测试与误差分析, 在实验室条件下分辨力优于0.5 nm。

光学涡旋具有独特的相位奇点和螺旋相位结构, 多个涡旋光场之间的干涉呈现出新颖的强度和相位分布特征。通过在平面波背景中嵌入涡旋相位产生平面涡旋光场, 采用数值模拟方法研究了多个平面涡旋光场之间的干涉, 并分析了两个平面涡旋光场的中心间距及拓扑荷值对涡旋产生和湮灭的影响。进一步数值研究了对称分布的多个点涡旋光之间的干涉, 结果表明通过改变涡旋光束数目或者拓扑荷值, 可获得不同分布的对称涡旋阵列光场。利用计算全息并通过空间光调制器, 实验上实现了具有不同拓扑荷值的多个对称点涡旋光场的干涉, 其干涉图样与模拟结果吻合。实验结果不仅证实了数值模拟结果, 也为实验研究复杂涡旋光场的干涉提供了一种有效方法。