一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴，其中:激光器发出高斯光束，光束经准直扩束透镜扩束准直后照射在相位型空间光调制器上，将计算全息图通过计算机传输到相位型空间光调制器中生成涡旋光束并透射部分高斯光束；两种光束叠加后经分光棱镜透射后沿光轴入射到与旋转轴同步旋转的二次反射直角棱镜上；在其内部经历两次反射后叠加光束经分光棱镜反射后通过聚焦透镜会聚在CCD图像传感器上产生干涉；通过计算机计算干涉图样中暗斑的转动角度得出旋转物体角速度。本发明专利技术的装置结构简单，易于操作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置
本专利技术涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置。
技术介绍
光子携带角动量早在1909年Poynting就提出了这一概念，并和光的偏振态相联系，1936年光子的自旋角动量被Beth等利用力学实验成功验证出来，测定了左、右旋圆偏振光的自旋角动量。1992年Allen通过研究表明，光子还携带有另外一种形式的动量，叫做轨道角动量。携带有这种轨道角动量的光叫做涡旋光，可以通过螺旋相位板、空间光调制器、计算全息等方式制备，涡旋光有着圆环形的强度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用eilθ来描述，其中l是其拓扑荷数，表征的是涡旋光束在一个波长内相位由0到2π的跳变次数，θ是涡旋光相位角。因此一束涡旋光的光场分布可以表示为：线性多普勒效应广为人们熟知，指的是如果波源与观察者之间存在相对速度，那么观察者接收到波的频率会和波源存在一定的频率差。线性多普勒效应已经被广泛应用于测量物体移动速度、加速度等领域。多普勒效应不光存在于机械波，电磁波领域也同样存在。与线性多普勒不同的是，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应。目前利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转物体角速度的方法在国际上出现不久，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多普勒频移现象。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旋转多普勒效应测量旋转金属圆盘角速度的方法，并进行了实验验证。
技术实现思路
为了克服已有技术所存在的缺陷，本专利技术目的在于：针对现有利用光学陀螺测量旋转物体角速度装置所存在的不足提出了一种基于旋转多普勒效应测量物体角速度的新装置。本装置结构简单，所用设备较少，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备；随着技术的发展能适用的环境和条件较广，尤其是在高速旋转的飞机发动机、高速旋转的电机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都有着可观的应用前景。本专利技术所采用的技术方案为：一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴。所述准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜、二次反射直角棱镜、旋转轴共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上，其中：所述二次反射直角棱镜固定在旋转轴上，固定位置为二次反射直角棱镜下反射面二分之一处；所述聚焦透镜位于前述二次反射直角棱镜上方；CCD图像传感器位于前述聚焦透镜上方；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连。工作时，激光器发出基模高斯光束入射到准直扩束透镜；基模高斯光束经准直扩束后经过相位型空间光调制器；将计算全息图通过计算机传输到相位型空间光调制器中生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并透射部分基模高斯光束；生成的带涡旋的基模拉盖尔高斯光束和透射的基模高斯光束同轴叠加后的叠加光束经过分光棱镜后部分透射；透射的叠加光束入射到与旋转轴同步旋转的二次反射直角棱镜中诱发旋转多普勒效应，使得叠加光束携带旋转物体运动信息；叠加光束在旋转的二次反射直角棱镜内经历两次内部反射后以相反的方向离开二次反射直角棱镜并入射到分光棱镜中；叠加光束在分光棱镜中反射后经过聚焦透镜会聚后产生干涉并由CCD图像传感器记录下干涉图样，旋转多普勒效应在干涉图样中表现为暗斑的转动；在计算机上记录干涉图样中暗斑从静止到转动的时间并计算干涉图样中暗斑的转动角度；从而提取出叠加光束携带的旋转物体的运动信息；最后利用涡旋光旋转多普勒效应结论得到旋转物体的角速度信息。所述相位型空间光调制器置于前述准直扩束透镜的后方光路中且与计算机相连，用于加载计算全息图，生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束和部分透射基模高斯光束；所述分光棱镜置于前述相位型空间光调制器后方光路中用于实现将入射的叠加光束部分透射以及反射从下述二次反射直角棱镜中出射的出射光束；所述二次反射直角棱镜固定在旋转轴上且随着旋转轴同步旋转，棱镜上下两反射面的夹角为90°，入射光束与出射光束的夹角为180°；所述旋转轴与入射光束光轴共轴且在前述二次反射直角棱镜下反射面的二分之一处与其相连，带动二次反射直角棱镜同步旋转；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连，分别用于制备计算全息图并将计算全息图加载至前述空间光调制器和记录干涉图样中暗斑的转动时间以及计算干涉图样中暗斑的转动角度。由于采用了上述的技术方案，本专利技术所取得的有益效果是：本装置检测精度高且具有较大提升空间，直观方便；另一方面，由于结构简单，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备，因此误差来源大大减少，较以往方案有着较大的优势。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术结构示意图；图2为干涉图样中暗斑的转动角度示意图；附图标记说明：1-激光器；2-准直扩束透镜；3-相位型空间光调制器；4-计算机；5-分光棱镜；6-二次反射直角棱镜；7-旋转轴；8-聚焦透镜；9-CCD图像传感器。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下结合附图对本专利技术的实施例进行说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。本专利技术提供了一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，如图1为一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置结构示意图，其中包括了激光器1；准直扩束透镜2；相位型空间光调制器3；计算机4；分光棱镜5；二次反射直角棱镜6；旋转轴7；聚焦透镜8；CCD图像传感器9。准直扩束透镜2、相位型空间光调制器3、分光棱镜5、二次反射直角棱镜6、旋转轴7共轴且顺次放置在激光器1所发出光束的出射光路上，其中：准直扩束透镜2用于准直扩束；相位型空间光调制器3用于生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并部分透射基模高斯光束；分光棱镜5用于实现将入射的叠加光束部分透射且反射从下述二次反射直角棱镜6中射出的出射光束；二次反射直角棱镜6固定在旋转轴7上且两反射面的夹角为90°，入射光束与出射光束的夹角为180°，其固定位置为二次反射直角棱镜6下反射面的二分之一处且二次反射直角棱镜6随着旋转轴7同步旋转；聚焦透镜8位于前述二次反射直角棱镜6上方；CCD图像传感器9位于聚焦透镜8上方；计算机4分别与相位型空间光调制器3、CCD图像传感器9相连。本系统在工作时，由激光器1所发出的基模高斯光束首先入射到准直扩束透镜2；经准直扩束后的入射光束经过相位型空间光调制器3，此时计算机4将制备好的计算全息图加载至空间光调制器3中产生带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并部分透射基模高斯光束；基模拉盖尔高斯光束和基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴，其特征在于，在激光束传播的光轴上，依次放置激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜、二次反射直角棱镜和旋转轴；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连；所述聚焦透镜位于分光棱镜正上方且与分光棱镜相平行；所述CCD图像传感器位于聚焦透镜正上方。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴，其特征在于，在激光束传播的光轴上，依次放置激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜、二次反射直角棱镜和旋转轴；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连；所述聚焦透镜位于分光棱镜正上方且与分光棱镜相平行；所述CCD图像传感器位于聚焦透镜正上方。


2.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，其特征在于，所述激光器发出的光依次入射到准直扩束透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈越洋，李劲松，张浩然，徐阳，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33