一种基于双频叠加态涡旋光的目标转速与转向测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标转速与转向的测量方法。首先，正交偏振双频激光器产生的高斯光束经四分之一波片后，其偏振态转变为左

【技术实现步骤摘要】
一种基于双频叠加态涡旋光的目标转速与转向测量方法


[0001]本专利技术主要涉及光学、物理学等领域，尤其是涡旋光的旋转多普勒效应与双频叠加态涡旋光的物体运动状态测量技术。
技术背景
[0002]涡旋光是一种连续螺旋状相位的光束，具有螺旋形波前，中心光强为零，具有奇异性；其波矢量有方位项，且绕着涡旋中心旋转，携带轨道角动量。基于这一特性，这种光束可以作为“光学扳手”操控微观粒子，因此可以广泛应用于医学界和生物界，此外，在量子通信领域也具有很高的应用价值。
[0003]线性多普勒效应是一种普遍的现象。当波源与接收器存在相对运动时，接收器接收到的波频率会发生改变，当两者相向运动时，接收器接收到的波频率增加，反之则减少。因此，可以通过频率的变化解析波源与接收器的相对运动速率和方向。这种技术已被应用于声呐、雷达、多普勒成像等领域。
[0004]与线性多普勒效应相比，自然界中存在另外一种对于旋转敏感的多普勒效应现象，叫做旋转多普勒效应。这种多普勒效应的波源需携带exp(ilφ)相位，也就是涡旋光束，其中l为拓扑荷数，φ为方位角。经旋转物体散射的涡旋光，其频率会发生改变，频移的大小正比于被测物体的角速率与涡旋光拓扑荷数。
[0005]目前关于基于涡旋光的探测技术研究，多数采用同频的正反叠加态涡旋光作为探测光束，与旋转物体相互作用后，正反涡旋光发生频移后，通过拍频检测，实现2倍旋转多普勒频移的获取。该探测方式存在问题一方面表现在，旋转多普勒信号在一个相对较低的频域范围，极易被低频噪声干扰，导致转速测量误差；另一方面，拍频检测的结果为旋转多普勒频移的标量信息，并不能判断频移的“增/减”，因此，无法直接实现旋转方向的判别。本方法提出基于双频叠加态涡旋光的目标转速方向测量方法，将求解矢量的问题转化为与频率相关的标量问题进而判断转速的方向。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题是：针对同频叠加态涡旋光的旋转多普勒效应极易受到低频噪声干扰且无法实现旋转方向测量的问题，提出采用双频叠加态涡旋光作为探测光束，以外差探测的方式实现目标转速与转向的测量，具体流程如图1所示。本专利技术的测量方法方便，为目标转速和转向的测量提供了更为简便有效的方法，拓展了基于涡旋光探测技术的测量维度，为该技术从理论研究到实际应用提供了参考。
[0007]本专利技术的技术解决方案是：如图2所示，首先，正交偏振双频激光器(1)产生的高斯光束经四分之一波片(2)调制为左
‑
右旋圆偏振光束，然后经过涡旋波片(3)调制为右
‑
左旋涡旋光，后经线偏振片(4)选取光束的一个偏振方向，形成旋转的双频叠加态涡旋光束；分光棱镜(5)将叠加态涡旋光束分为探测光束和参考光束；探测光束经被测目标散射后的信号光束被组合成像望远镜(6)收集，参考信号被光电探测器(7)光电转换，信号光束被光电
探测器(8)光电转换；两路电信号同时接入频谱分析仪(9)作频谱分析，通过分析测量后参考信号与调制信号的差值与相对大小，即可求得目标的角速度大小和方向。
[0008]在具体检测过程中，利用涡旋波片(3)产生拓扑荷数为
±
l的双频叠加态涡旋光，通过频谱分析仪(9)提取信号光频移f，同时频谱分析仪(9)提取光电探测器1(7)采集到的参考信号频率为双频涡旋光的频差|f
10
‑
f
20
|，其中f
10
和f
20
分别为双频涡旋光的频率，则目标转速大小为判断目标转向时，首先要判断双频涡旋光的旋转方向，设E0为参考光振幅，θ为涡旋光方位角，t为时间，则参考光光强为所以当f
10
＞f
20
时，2π(f
10
‑
f
20
)t符号为正，此时涡旋光逆时针旋转；当f
10
＜f
20
时，2π(f
10
‑
f
20
)t符号为负，此时涡旋光顺时针旋转，其次，对比信号光与参考光频移大小，当f＜|f
10
‑
f
20
|时，目标旋转方向与涡旋光转向相同；当f＞|f
10
‑
f
20
|时，目标旋转方向与涡旋光转向相反。
[0009]本专利技术的原理是：
[0010](1)涡旋光旋转多普勒效应原理
[0011]涡旋光是一种连续螺旋状相位的光束，具有螺旋形波前，中心光强为零，具有奇异性；其波矢量有方位项，且绕着涡旋中心旋转，携带轨道角动量。基于这一特性，这种光束可以作为“光学扳手”操控微观粒子，因此可以广泛应用于医学界和生物界，此外，在量子通信领域也具有很高的应用价值。
[0012]多普勒效应是一个著名的现象，当波源和接收者以相对速度v运动时，接收者接收到的波源频率会改变Δf，对于声波而言，这种效应容易被发现，在光波中同样存在该效应，其关系为
[0013][0014]其中，f
o
为光波频率，c为光速，该频移为传统的线性多普勒效应，表示光源沿着光源与接收者的直线运动，当运动以一个小的角度α垂直运动时，频移结果为：
[0015][0016]涡旋光的光场强度可在柱坐标系下表示为：
[0017]E(r,θ,z)＝E0(r,θ,z)exp(
‑
ilθ)exp(
‑
ikz)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0018]其中E表示涡旋光场，E0为振幅强度，l为拓扑荷数，表示一个波长内相位变换2π的次数，k为波数，大小为2π/λ，θ为方位角，表示坡印廷矢量与z轴的夹角，z为沿z轴的传播距离。涡旋光的螺旋相位就是通过exp(
‑
ilθ)所体现的，如图3所示。
[0019]类比于线性多普勒效应，旋转多普勒效应表示当具有螺旋相位信息的结构光束，如涡旋光，经旋转物体散射后，频率同样发生改变，改变值为
[0020][0021]其中，σ＝
±
1表示右圆偏振光和左圆偏振光，对于线偏振光，σ＝0，每个光子的角
动量为当使用两束相反轨道角动量的叠加态涡旋光照射时，回波频移Δf
d
可表示为
[0022][0023](2)基于双频叠加态涡旋光的旋转多普勒效应外差探测理论
[0024]当双频叠加态涡旋光作为探测光束照射于旋转物体时，拓扑荷数为
±
l的两束单态涡旋光的表达式分别为：
[0025]E1＝E0exp(i2πf
10
t+ilθ)(6)
[0026]E2＝E0exp(i2πf
20
t
‑
ilθ)(7)
[0027]其中，f
10
为单态涡旋光1频移前频率，f
20
为单态涡旋光2频移前频率。于是，两束涡旋光干涉后的光强表达式为:
[0028][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种基于双频叠加态涡旋光的目标转速与转向的测量方法，其特征在于：它包括正交偏振双频激光器、四分之一波片、涡旋波片、线偏振片、分光棱镜、组合成像望远镜、两个光电探测器、频谱仪，正交偏振双频激光器产生的高斯光束经四分之一波片调制为左
‑
右旋圆偏振光束，然后经过涡旋波片调制为右
‑
左旋涡旋光，后经线偏振片选取光束的一个偏振方向，形成旋转的双频叠加态涡旋光束；分光棱镜将叠加态涡旋光束分为探测光束和参考光束；探测光束经被测目标散射后的信号光束被组合成像望远镜收集，由一光电转换器转换成电信号，参考光束被另一光电探测器光电转换成电信号，两路电信号同时接入频谱分析仪作频谱分析。2.根据权利要求1所述的一种基于双频叠加态涡旋光的目标转速与转向的测量方法，其特征在于：利用正交偏振的双频高斯光束与涡旋波片产生拓扑荷数为
±
l的双频叠加态涡旋光并分成两路，一路作为参考光直接由光电探测器接收，通过频谱分析仪测得参考光的频差|f
10
‑
f
20
|，其中f
10
和f
20
分别为双频涡旋光的频率；另一路作为探测光照射于被测目标表面，组合成像望远镜收集被测目标散射的信号光束后，光电探测器对信号光进行光电转换，通过频...

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，李智猛，沙启蒙，刘通，刘政良，王琛，邱松，丁友，王华，
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：