本发明专利技术涉及一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置。涡旋光Sagnac效应指由叠加态涡旋光螺旋波阵面形成的干涉环而产生的Sagnac效应。它包括激光器、衰减片、反射镜、扩束镜、空间光调制器(SLM)、凸透镜、光阑、凸透镜反射镜、图像传感器(CCD)、实验转台。首先，激光器产生高斯光束后，通过衰减片降低激光功率；而后经反射镜组改变传播方向，增大光斑；光束通过扩束镜扩展激光束直径、减小发散角；之后经SLM调制为叠加态涡旋光，将待测角频率耦合到频率变化中，敏感信息内容通过4f成像系统进入CCD待观测。本装置结构简单，具有较高的灵敏度和精度。
【技术实现步骤摘要】
一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置
本专利技术涉及一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置，本文中涡旋光Sagnac效应指由叠加态涡旋光螺旋波振面形成的干涉环而产生的Sagnac效应。通过图像传感器(CCD)检测到叠加态涡旋光在转台上的Sagnac效应。本装置结构简单，噪声源少，具有较好的灵敏度和精度；未来随着技术发展可以到达芯片级别；由于理论上拓扑核数l可以取得无限大，因此随着技术的发展本装置的灵敏度和精度还可以进一步提升，可应用于未来先进检测装置的设计和研究。技术背景激光陀螺是利用运行于谐振腔内顺逆方向激光的频率差来感应陀螺的转速，其输出为：其中Δν是逆时针运行的两束激光的频率差；ν1、ν2分别是谐振腔内顺逆方向激光的频率；A是激光环路所围的面积；L是环路光程；λ是激光波长；Ω为激光陀螺转动的角速度；称为比例因子。将(7)式对时间t求积分，可得时间t内由于正、反向行波频率差所积累的脉冲数为：其中，是t时间内环形腔对于惯性空间的总转角。(7)式和(8)式是激光陀螺作为角速度和角位移传感器的原理公式。由这两个原理，可以利用光学拍频方法检测出频差Δμ和脉冲数N，进而求出每一瞬时的转速Ω和转动角度θ：为比例因子的倒数，一般称之为激光陀螺的标度因数。在激光陀螺发展的同时，另一种光学陀螺——光纤陀螺也被提出。其检测装置原理如下：在光纤陀螺中，两束光是在N匝光纤环中传播的，此时发生Sagnac效应的两束光的相位差满足：其中，Ω为转动角速度，S为闭合光路所包围的面积，N为匝数。干涉光强I与Sagnac相位差ΔφR关系如下：I＝I0[1+cos(ΔφR)](12)又因为干涉光强I与光电探测器的测得的光功率P相对应，成正比关系：P＝P0[1+cos(ΔφR)](13)P＝kI，k为光电探测器光电转换系数，故在互易相位调制后使用光电探测器检测光功率P即为光纤陀螺的检测原理。对于光纤陀螺，其检测装置是通过光电探测器检测光功率从而得到发生Sagnac效应的两束光的相位差。光探测器测量的是光的平均光强，而光强度正比于光的振幅的平方，I＝A2，当观测的时间τ远大于光的周期时，平均光强为：但是观测到的平均值将为实验结果带来误差。对于激光陀螺，其检测装置所利用光学拍频方法检测出频差Δμ和脉冲数N，进而求出每一瞬时的转速Ω和转动角度θ。但由于计数器在两次测量期间存在死时间，所以结果存在误差。针对以上问题我们设计了一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋Sagnac效应的装置，本装置由于理论上可以制备出具有无穷大轨道角动量的涡旋光，所以相较其他方法具有较大的灵敏度提升潜力；并且本装置检测时间短，减小了由于时间累积带来的误差，具有较好的精度。利用涡旋光测量旋转物体角速率的方法在国际上出现不久，由于这种方法的优越性且其有效的精度提升空间受到国内外广泛关注。1997年圣安德鲁斯大学J.Courtial等人观测到旋转涡旋光束会产生频移现象。2013年英国物理学家马丁·拉弗瑞(MartinLavery)和他的同事提出利用涡旋光测量旋转金属圆盘角速率的方法，并进行了实验验证。目前，基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置在国际上尚属首次公开提出。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对现有检测装置存在的不足提出了一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置，可以对叠加态涡旋光Sagnac效应进行检测。本装置结构简单，体积小，重量轻，对工艺要求较低，易于大规模应用；由于理论上可以制备出具有无穷大轨道角动量l的涡旋光，根据理论推导，由变化率公式可知，本装置相较其他方法具有较大的灵敏度提升潜力；并且本装置检测时间短，由信噪比达到1所需要的时间可知，本装置减小了由于时间累积带来的误差，具有较好的精度。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术涉及一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置，它包括激光器(1)、衰减片(2)、反射镜1(3)、反射镜2(4)、反射镜3(5)、反射镜4(6)、扩束镜(7)、空间光调制器(8)、凸透镜1(9)、光阑(10)、凸透镜2(11)、反射镜5(12)、图像传感器(13)、实验转台(14)。通过激光器(1)产生高斯光束经衰减片(2)减小光强，后经反射镜将激光射入扩束镜(7)，通过空间光调制器(8)调制出叠加态涡旋光后进入由空间光调制器(8)、凸透镜1(9)、光阑(10)、凸透镜2(11)组成的光学4f系统，滤掉0级衍射后将叠加态涡旋光打进图像传感器(13)，将整套装置安装至实验转台(14)，如图1所示。本专利技术的原理是：(1)基于广义相对论的Sagnac效应推导相对性原理和等效原理是广义相对论的理论基础。当引力存在时，时空背景是弯曲的黎曼空间其中为黎曼空间的度规张量，当存在弱引力场时，它可以写成下列形式：gμυ＝ημυ+hμυ(15)其中hμυ为修正项，它可以写成：其下的麦克斯韦方程为：其中，ρ和分别为电荷密度和电流密度。易得弯曲空间度规张量为：这里利用了系统线速度为：于是就可以得到在旋转系统中的麦克斯韦方程：这里为电偶极矩。下面采用准经典近似，即：在真空中的电偶极矩，可以得到：波矢差Δk满足：总相位差：假设涡旋光在半径为r的微元上，系统的线速度υR＝Ωr，光的波矢满足k＝ω/c，切向波矢kθ满足：rkθΔθ＝lΔθ(30)可得kθ＝l/r，其中l为轨道角动量，波矢k和线速度υR之间的夹角α满足：因此：相位差Δφ可表示为：其中L为干涉长度。(2)光学4f系统成像原理本专利技术空间光调制器(8)、凸透镜1(9)、光阑(10)、凸透镜2(11)、反射镜5(12)共同组成光学4f系统，如图2所示。光学4f系统是在光学系统常采用的一种装置。其中S为照明点光源；L1为准直透镜，它使由S光源发出的球面光波成为平面波；L2、L3分别为第一、第二傅里叶变换透镜；P1面为系统的物面；P2为频谱面；P3为系统的像面。在本系统中，各面与相邻傅里叶变换透镜间距为f，故称之为4f系统。根据阿贝成像理论，4f系统在像面P3上的振幅分布可以看做物面P1的振幅分布经两次衍射而得；第一次是，物面的振幅分布到频谱面的傅里叶变换，即：式中，f(x1,y1)为物面上的振幅分布函数，F(fx,fy)为频谱面上的频谱函数，表示傅里叶变换，它的定义为：第二次衍射是由频谱面到像面的傅里叶变换，即：由上式可知，在光学4f系统中，物面上的振幅分布经过该系统在像面上的振幅分布仍是物振幅函数。由于存在衍射受中央主极大影响0级光斑光强过大，故我们在频谱面P2处放置光阑(10)起到滤掉0级衍射而观察相对光强较弱的光斑。(3)用空间光调制器产生涡旋光的原理本装置中利用空间光调制器来产生叠加态涡旋光，我们选用的LCOS-SLM是基于LCOS(LiquidCrystalonSilicon)技术的反射型空间光调制器(SLM)。它利用SLM来产生涡旋光束，在全息法的基础上将全息片放在空间光调制器中，但是它可以通过计算机实时来控制试验参数从而产生不同拓扑核数的涡旋光束，操作简单，成本低廉。空间光调制器中的液晶板能对光进行调制，包括振幅、相位等。涡旋光束的电场表达式为E1＝A1exp(ilθ)，其中A1为振幅，令其为常数，l为涡旋光束本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置，涡旋光Sagnac效应指由叠加态涡旋光螺旋波振面形成的干涉环而产生的Sagnac效应；它包括激光器(1)、衰减片(2)、反射镜1(3)、反射镜2(4)、反射镜3(5)、反射镜4(6)、扩束镜(7)、空间光调制器(8)、凸透镜1(9)、光阑(10)、凸透镜2(11)、反射镜5(12)、图像传感器(13)、实验转台(14)。
【技术特征摘要】
1.一种基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置，涡旋光Sagnac效应指由叠加态涡旋光螺旋波振面形成的干涉环而产生的Sagnac效应；它包括激光器(1)、衰减片(2)、反射镜1(3)、反射镜2(4)、反射镜3(5)、反射镜4(6)、扩束镜(7)、空间光调制器(8)、凸透镜1(9)、光阑(10)、凸透镜2(11)、反射镜5(12)、图像传感器(13)、实验转台(14)。2.根据权利要求1所述的基于计算摄像法检测叠加态涡旋光Sagnac效应的装置，其特征在于：本装置中由空间光调制器(8)、凸透镜1(9)、光阑(10)、凸透镜2(11)组成的光学4f系统垂直于转台布置，当转台旋转时，涡旋光Sagnac效应会使光束产生频率变化，将待测角频率耦合到频率变化后以待检测。3.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：任元，王琛，谢璐，杨跃德，王刚，邵琼玲，
申请(专利权)人：中国人民解放军装备学院，
类型：发明
国别省市：北京,11
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