基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于自回馈旋转多普勒效应的转速探测装置。其主要部件包括微片激光器、透镜、分光棱镜、光电探测器、声光移频器、偏振片、四分之一玻片、涡旋玻片。由微片激光器产生的激光经透镜扩束后再由分光棱镜分为两束，其中反射路的光束照射在光电探测器上，透射路的光束再经过声光移频器两次移频后产生一个小于微片激光器弛豫震荡频率的频移Δf；随后，再利用偏振片和四分之一玻片对光束的偏振态进行控制，再透过涡旋玻片变为涡旋光，再次透过一个线偏振片后可进一步对涡旋光束的偏振态进行调制；最后，涡旋光照射在旋转物体表面产生旋转多普勒频移f

【技术实现步骤摘要】
基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置


[0001]本专利技术主要涉及光学、物理学、激光器、光电转换领域，尤其是光束的光场调控、拍频检测等技术方法。
技术背景
[0002]激光的特点和表现会被回馈光严重的影响或调制。重新回到激光腔体内部的电场在反射条件下是高度相干的，然而如果是被散射面或者散射体散射回来的光束则只具有部分相干或者是很弱的相干性。自从激光发现以来，激光回馈现象已经成为了许多激光问题的来源，例如增加了激光器的噪声和不稳定性等。但另一方面而言，受控的激光回馈会具有较大的实际用途，例如，缩窄激光器线宽和提升频率稳定性等方面都发挥了重要的作用。
[0003]近年来，随着对激光回馈干涉原理的研究深入，基于激光回馈干涉的测量系统得以专利技术。激光稳定的强度受到外部物体回馈光的调制，与目标表面反射率、距离以及运动等参数密切相关。最早的一个激光回馈干涉距离以及速度测量方案是1963年由King和Steward提出来的。在接下来的几年中，基于相位敏感的技术也被用来测量目标运动的方向、测量激光轴向模式数、测量速度、测量激光频率稳定性、以及计量学应用等。
[0004]在频率变换回馈中，微片激光器展现出了非常高的回馈灵敏度(10^6)。这一特性已经被广泛应用于各种物理学测量中，例如基于回馈激光器的多普勒测速仪，光学回馈测振仪，光学回馈断层扫描技术，以及光学回馈位移测量等。由于具有高敏感性，微片激光回馈测量在探测弱信号时具有独特的优势。根据速率方程模型，频率变换条件下的微片激光器回馈光强度可表示为，
[0005][0006]其中，ΔI表示激光的强度调制信号，I
s
是稳定状态下(没有回馈光和量子极限噪声影响)的激光器输出光强，I
s
可以通过激光的速率方程求解得到；κ是由外谐振腔决定的光强回馈因子，φ是由外腔长度引起的外腔相位，φ
s
是一个固定相位；G(x)是回馈光放大因子，这一回馈放大因子与频率相关，当回馈光频移2Ω接近弛豫震荡频率ω
r
的时候这一回馈放大因子有最大值。对于微片激光器而言，这一放大倍数可达106。
[0007]由于激光自回馈效应可有效检检测出外界弱回馈光的频移变化，因此在计量学中具有广泛的应用前景。多普勒效应是自然界中普遍存在的一种现象，根据爱因斯坦的相对性原理和光速不变原理，经典光学中的线性多普勒效应可用下式表示：
[0008][0009]其中Δf1表示光束照射在运动物体表面产生的频移，f
c
表示探测光束自身的频率，v表示物体与波源之间的相对运动速度，c表示光速。
[0010]1992年，Allen等人首次提出了具有螺旋相位因子的结构光束可能携带有轨道角动量(OAM)的这一概念，这一发现掀起了人们对这种具有螺旋相位的结构光束研究的热
潮。具有这种螺旋形相位的光束被称为涡旋光，它具有环状的光强分布。涡旋光束的波前不再是一个平面，而是一个螺旋形的相位面，从而导致光束Poynting矢量不再与光束传播方向平行，而是有一个夹角。因为这个夹角的存在，我们可以将这种涡旋光束的Poynting矢量分解到沿光束传播和垂直于光束截面两个方向上，根据这一特性，当这种光束与运动物体相互作用时，将同时对沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的运动产生响应。
[0011]2013年英国格拉斯哥大学Padgett等人系统总结并提出了一种利用叠加态涡旋光探测旋转物体转速的方案，首次实现了利用涡旋光束对旋转物体转速的测量，揭示了涡旋光探测的巨大应用潜力，相关成果发表在《Science》上。涡旋光Poynting矢量与光轴之间的夹角可表示为sinβ＝lλ/2πr，其中l为涡旋光的拓扑荷数，λ表示光束的波长，r为光场中任意位置到光轴之间的距离。当一束涡旋光对准转轴探测一旋转物体时，对于每个微小散射体而言，相当于是与光束Poynting矢量之间有了一个夹角，代入倾斜条件下的线性多普勒频移公式可得：
[0012][0013]其中Δf2表示涡旋光照射在旋转物体表面产生的旋转多普勒频移。

技术实现思路

[0014]本专利技术的技术解决问题是：
[0015]针对自然界中广泛存在的旋转运动，非合作、高精度、无接触的测量目标转速具有广阔的应用场景，而现有测量手段在测量表面无明显特征的旋转目标时难以实现高精度实时测量，此外，物体表面散射较弱时也难以实现旋转信号有效提取。本专利技术创新性的将结构光束的旋转多普勒效应与激光自回馈耦合探测技术结合起来，可实现对非合作、弱散射旋转物体的转速信息获取。本装置结构简单、体积小、易于集成化，可发展成为便携式转速测量设备。
[0016]本专利技术的技术解决方案是：本专利技术涉及一种基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置，如图1所示，其主要部件包括：微片激光器(1)、凸透镜(2)、分光棱镜(3)、光电探测器(4)、声光移频器1(5)、声光移频器2(6)、偏振片1(7)、四分之一玻片(8)、涡旋玻片(9)、偏振片2(10)。首先，微片激光器(1)产生频率为f0的激光经过两个声光移频器共同作用后产生一个大小为Δf0的频移，此时光束频率为f0+Δf0。
[0017]其次，经声光移频器移频后的光束再次透过阶数为m的涡旋玻片(9)后变为拓扑荷数为m的涡旋光。随后照射到转速大小为Ω的旋转物体表面，由于旋转多普勒效应影响，物体表面散射光将发生大小为f
mod
的频移。
[0018]接下来，散射光经过原光路返回，再次透过两个声光移频器后频率变为f0+2Δf0+f
mod
并返回激光谐振腔，在激光谐振腔内经过放大作用后与频率为f0原光束形成拍频耦合。
[0019]最后，从微片激光器出射的光束经过分光棱镜(3)反射后照射到光电探测器(4)可检测出大小为2Δf0+f
mod
的回馈光频移，此时减去声光移频器引入的固定频移量，根据公式便可以计算得出旋转物体转速的大小。
[0020]本专利技术的原理是：
[0021](1)激光自回馈效应
[0022]自从激光发现以来，激光回馈现象已经成为了许多激光问题的来源，例如增加了激光器的噪声和不稳定性等。但另一方面而言，受控的激光回馈会具有较大的实际用途，例如，缩窄激光器线宽和提升频率稳定性等现象都可以观测到。潜在的应用的其中之一便是激光回馈干涉测量系统，激光稳定的强度受到外部表面回馈光的调制。这一回馈现象会收到目标表面反射率、距离以及运动的影像。最早的一个激光回馈干涉距离以及速度测量方案是1963年由King和Steward提出来的。在接下来的几年中，基于相位敏感的技术也被用来测量目标运动的方向、测量激光轴向模式数、测量速度、测量激光频率稳定性、以及计量学中的应用。
[0023]根据L
‑
K速率公式以及激光自回馈效应可得，激光输出光子率可以表示为，
[0024][0025]在弱光回馈条件下，DBR光纤激光的增益可以表示为，
[0026][002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置，其主要部件包括：微片激光器(1)、凸透镜(2)、分光棱镜(3)、光电探测器(4)、声光移频器1(5)、声光移频器2(6)、偏振片1(7)、四分之一玻片(8)、涡旋玻片(9)、偏振片2(10)，各零部件安装方式如下：所述凸透镜(2)置于微片激光器(1)后方出光方向上，用于对出射光进行扩束准直；所述分光棱镜(3)置于凸透镜(2)后方，将出射激光分成两束；所述光电探测器(4)置于分光棱镜(3)的反射光路上，用于对探测出射激光的强度变化；所述声光移频器1(5)置于分光棱镜(3)的投射光路上，用于对探测光进行移频；所述声光移频器2(6)置于声光移频器1(5)的后方，用于再次对光束进行移频，使光束的移频频率在光源的弛豫震荡频率附近；所述偏振片1(7)置于声光移频器2(6)的后方，用于将探测光频率调制为线偏振；所述四分之一玻片(8)置于偏振片1(7)后方，通过四分之一玻片快轴方向的调整，可实现左旋、右旋或者线偏振光的输出；所述涡旋玻片(9)置于四分之一玻片(8)后方，用于对激光进行调制产生涡旋光；所述偏振片2(10)置于涡旋玻片(9)后方，用于对涡旋光的偏振态进行进一步调制，并产生指定偏振态的探测涡旋光。2.根据权利要求1所述的基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置，其特征在于微片激光器(1)产生频率为f0的激光经过两个声光移频器共同作用后产生一个大小为Δf0的频移，此时光束频率为f0+Δf0，经过阶数为m的涡旋玻片(9)后变为拓扑荷数为m的涡旋光，照射到转速大小为Ω的旋转物体表面，由于旋转多普勒效应影响，物体表面散射光将发生大小为f
mod
的频移，散射光经过原光路返回，再次透过两个声光移频器后频率变为f0+2Δf0+f
mod
并返回激光谐振腔，在激光谐振腔内经过放大作用后与频率为f0原光束形成拍频耦合，从而光电探测器(4)可检测出大小为2Δf0+f
mod

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，邱松，刘通，刘政良，丁友，陈晓岑，李瑞健，朱向阳，唐若愚，
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：