一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，旋转多普勒效应是旋转物体引起的光学频移。首先，使用空间光调制器制备叠加态涡旋光；其次，通过光束准直与滤波系统将叠加态涡旋光照射到旋转平板物体上的任意位置；最后，用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析。根据示波器显示的频移信号，可得出平板物体的旋转速度。本方法光路简洁，灵活性强，具备较高的精度，可在任意入射条件下测量物体的旋转速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法
本专利技术涉及一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法，通过测量旋转物体引起的涡旋光频移信号，可得出物体的旋转角速度。本方法可在涡旋光任意入射条件下测量物体的旋转速度，属于涡旋光探测领域，可应用于物体旋转运动的测量。技术背景涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场，拉盖尔高斯光是一种典型的涡旋光。近年来因涡旋光在光学操控、光通信、光学微测量等领域中具有广泛应用价值而饱受关注。光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年，Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、BazgenovV首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。涡旋光的相位中含有角相位因子其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，为方位角；每个光子携带的轨道角动量，为普朗克常数，该角相位因子说明涡旋光在传播过程中，若绕光轴传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl；螺旋形相位的中心是一个相位奇点，该处的相位不确定，并且光场振幅为零，因此在光场中心处形成了中空暗核。目前，涡旋光在光学微操控、高维量子态、利用旋转多普勒效应对物体的角速度进行遥感等领域的应用非常广泛。多普勒效应普遍存在于各类波中，在声波中表现为当声源靠近人耳时，听到的声音因为频率增加而变得尖锐；当声波远离人耳时，听到的声音因为频率降低而变得低沉。在电磁波领域，多普勒效应与声波类似，如高速公路上采用的电磁波测速雷达也采用这一原理。在可见光频率范围内，这一现象依然存在。经典光学频段内的多普勒效应可由下式表示：式中，Δf表示探测器接收到的频率与光源之间的频率差，f0表示光源的频率，v表示物体与光源之间的相对运动速度，c表示介质中的光速。拉盖尔高斯光束是一种典型的涡旋光，是柱坐标系下近轴波动方程的一组解，在柱坐标系下涡旋光可以表示为：E(r,θ,t)＝Af(r)exp[i(ωt-lθ)](2)式中，E表示电场强度，r表示柱坐标中的极径，θ表示柱坐标中的极角，t为光波传播时间，A表示振幅，f(r)为拉盖尔高斯函数，i是虚数单位，ω表示角波数，l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，其光强分布如图2所示。涡旋光具有螺旋形的相位分布，其能量密度矢量与传播方向不重合，有一定的夹角，能量密度矢量即为坡印廷矢量。根据坡印廷矢量的含义，其方向与光束的波阵面垂直。对于一束线性极化的拉盖尔-高斯光束，坡印廷矢量与光束传播轴之间的夹角为α，其大小满足sinα＝lλ/2πr(3)式中l表示拓扑荷数，λ表示光波长，π为圆周率，r为涡旋光束的半径。当α的大小为毫弧度量级时，sinα可以近似为α。由于涡旋光具有坡印廷矢量与传播方向不重合这一特性，波印廷矢量便可以分解为沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的两个分量。根据多普勒效应原理，涡旋光就同时具备了探测沿光束传播方向和垂直于光束传播方向内运动的能力。单一旋转运动则恰好是在光束传播截面内的运动，尤其是当光束传播方向与物体转轴相重合时，则旋转目标仅有光束截面内的运动。这种情况下物体表面任意散射点的多普勒效应可表示为：式中，Ω表示物体旋转角速度，l表示涡旋光拓扑荷数，π为圆周率。当使用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析时，由于光波的频率过高，无法直接测量，可采用拍频的方式来检验光束的频率变化。拍频是采用空间中的两束相干光进行干涉，干涉后将产生频差，通过检测两束相干光的频率差，即可得到旋转多普勒效应产生的频移。空间中两束光强相同的相干光，其表达式分别表示为：和其中E1和E2表示两束光波的电场强度，A0表示光强，w1和w2表示两束光波的角频率，t表示光波传播时间，和表示初始相位与光波传播距离引起的两束光波相位变化。在光电探测器处，两束光干涉后的光强可表示为：由于涡旋光的频率在1014量级，远远超出了光电探测器的响应频率，故在频谱分析中，式(5)中的二倍频项将变为直流分量，差频项位于光电探测器的响应范围之内，可以有效地显示在频谱中。因此采用拍频的方式来检验光束的频率变化，常用的方式是采用拓扑荷数大小相同、符号相反的叠加态涡旋光束进行探测，这样产生的多普勒频移便是式(4)计算值的两倍。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对目前利用涡旋光难以在任意入射条件下测量物体转速，提出了一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法。该方法光路简洁，灵活性强，可在涡旋光传播轴与物体转轴存在夹角、光斑中心与物体旋转中心存在横向位移的情况测量物体的旋转速度。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术涉及一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法，其主要包括以下步骤：(1)利用多参量联合调控技术制备叠加态涡旋光的全息图并加载到空间光调制器，使用线偏振高斯光照射到空间光调制器制备叠加态涡旋光。(2)将叠加态涡旋光通过光束准直与滤波系统后任意照射到旋转物体上，使用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析。根据示波器显示的频移信号可得出物体的旋转速度，如图1所示。本专利技术的原理是：拉盖尔高斯光束是一种典型的涡旋光，是柱坐标系下近轴波动方程的一组解，其坡廷矢量方向与传播方向存在夹角，可以用于探测物体的旋转角速度。涡旋光的旋转多普勒效应与普通平面光波的线性多普勒效应类似。当普通平面光波的光源与物体之间存在相对运动的时候，光源发出的频率和物体接收到的频率之间会存在一定的差值，这一差值的大小与二者之间的相对运动速度成正比，根据这一原理可以探测物体的线性运动速度。对于涡旋光而言，其波线方向与光束传播方向之间有一定的夹角，在垂直光束传播方向上也具有分量，产生旋转多普勒频移。对于旋转速度恒定的平板物体，当涡旋光垂直入射到物体中心时，旋转多普勒效应将产生唯一的频移信号；当涡旋光任意入射到平板物体上时，即涡旋光传播轴与物体转轴存在夹角、光斑中心与物体旋转中心存在横向位移时，频移信号将发生展宽。由于倾斜照射，物体表面上的涡旋光斑将由圆环状变为椭圆环状，如图3所示。以实验中实测的涡旋光内外径的平均值作为涡旋光半径r，建立两个坐标系，分别为光束坐标系O-xyz和光斑坐标系O′-xyz，令光斑坐标系到光束坐标系的转换矩阵为O′O＝Mx(-γ)，γ为物体转轴与光束传播轴之间的夹角。在光束坐标系O-xyz中，坡印廷矢量在x0点处的方向可以表示为在光束横截面上，绕光轴一周任一点A的坡印廷矢量方向为：式中，θ为A点与x轴之间的角距，矩阵Mz(θ)表示空间坐标系绕z轴旋转θ的旋转矩阵，r为涡旋光束平均半径，l为涡旋光拓扑荷数，λ为涡旋光波长。在光斑坐标系O′-xyz中,物体的旋转角速度矢量为A点在光斑上的投影点为A′。物体转轴中心Q坐标为(0,-d,0)，A′坐标为(rcosθ,rsecγ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法，其特征在于：涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，旋转多普勒效应是旋转物体引起的光学频移；首先，使用空间光调制器法制备拓扑荷数为±l的叠加态涡旋光；其次，通过光束准直与滤波系统将叠加态涡旋光照射到旋转平板物体上的任意位置；最后，用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析，根据示波器显示的频移信号变化情况，可得出物体的旋转速度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法，其特征在于：涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场，旋转多普勒效应是旋转物体引起的光学频移；首先，使用空间光调制器法制备拓扑荷数为±l的叠加态涡旋光；其次，通过光束准直与滤波系统将叠加态涡旋光照射到旋转平板物体上的任意位置；最后，用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析，根据示波器显示的频移信号变化情况，可得出物体的旋转速度。


2.根据权利要求1所述的基于涡旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁友，任元，刘通，沙启蒙，邱松，陈琳琳，吴昊，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京;11