本发明专利技术涉及一种基于单光子探测器测量转速和转角的装置，包括激光发生器、扩束镜、分束镜、双环缝螺旋相位板、第一单光子探测器与第二单光子探测器；双环缝螺旋相位板包括垂直设置的实部与虚部；令第一方向激光光束通过实部后，依次通过在第一方向激光光束传播路径上设置的第一挡光板、第一长焦透镜与第一单模光纤，入射至第一单光子探测器；令第二方向激光光束通过虚部后，依次通过在第二方向激光光束传播路径上设置的第二挡光板、第二长焦透镜与第二单模光纤，入射至第二单光子探测器；利用第一单光子探测器与第二单光子探测器，测量不同挡光板状态下，长焦透镜焦平面上单像素点的光强信息，来获取获取待测物体的转速与转角信息。息。息。
【技术实现步骤摘要】
一种基于单光子探测器测量转速和转角的装置及方法
[0001]本专利技术涉及应用光学
，尤其是指一种基于单光子探测器测量转速和转角的装置及方法。
技术介绍
[0002]携带轨道角动量的涡旋光束自发现以来的20多年里一直受到人们的广泛关注，因为携带轨道角动量，其在光通信、超分辨显微成像、捕获和旋转微小粒子等领域已经被广泛应用。涡旋光束的一大特点是其具有一个螺旋相位因子以光束传播方向为z轴正方向，为柱坐标下垂直于z轴平面内的转角。这一相位因子的存在说明涡旋光束在垂直于光束传播方向的某一平面内沿逆时针方向相位呈现螺旋梯度分布，因此利用涡旋光束的这一特点或许可以实现对物体角度信息的测量。
[0003]随着对涡旋光束的不断研究，利用涡旋光束进行物体识别探测的技术也层出不穷，如通过测量物体与光束相互作用后的离散OAM谱以得到物体振幅/相位梯度信息的数字螺旋成像技术，以及将数字螺旋成像技术与鬼成像技术相结合的数字螺旋物体识别技术。量子数字螺旋成像，使用量子光/经典光作为光源，将物体放置在探测光路上，通过测量被破坏的OAM光谱可以得到物体的振幅/相位梯度；数字螺旋物体识别，此方法光源可以是随机光场，将入射光分成参考光和测试光两部分，在测试光路上放置物体，通过测量参考光与测试光的二阶光强关联函数，可以得到物体的对称度，相位分布信息。其中，后者通过对光束二阶光强关联函数的测量，成功地得到了物体振幅/相位对称度的分布特点，并且在测量时将光束利用透镜聚焦，仅测量了聚焦后在轴线上的单一像素点的光强信息，这种探测方法大大提高了探测器的利用率。然而，数字螺旋物体识别技术对于光强关联函数测量的这一特点也导致了其在测量过程中角向或径向信息的丢失，无法实现对物体转角或转速的测量。
[0004]综上，由于现有的数字螺旋成像以及数字螺旋物体识别技术是对光场的强度关联函数的测量，因而造成了物体角度，半径这些信息的丢失，无法实现对物体角度或半径的测量；且现有的测量转速或转角的技术必须对空间内多个像素点的信息进行测量，无法在仅有单个像素点信息的情况下得到物体的转速或转角信息。
技术实现思路
[0005]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术测量时角向和径向信息的丢失，无法利用单个像素点获取物体转速与转角的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于单光子探测器测量转速与转角的装置，包括：
[0007]激光发生器，发出激光光束；
[0008]扩束镜，设置于激光光束发射路径上，扩大通过的激光光束的直径，生成可覆盖待测物体的激光光束，照射至待测物体上；
[0009]分束镜，将经过待测物体的激光光束，分成方向垂直的第一方向激光光束与第二方向激光光束；
[0010]双环缝螺旋相位板，包括垂直设置的实部与虚部；令第一方向激光光束通过双环缝螺旋相位板实部后，依次通过在第一方向激光光束传播路径上设置的第一挡光板、第一长焦透镜与第一单模光纤，入射至第一单光子探测器；令第二方向激光光束通过双环缝螺旋相位板虚部后，依次通过在第二方向激光光束传播路径上设置的第二挡光板、第二长焦透镜与第二单模光纤，入射至第二单光子探测器；
[0011]第一单光子探测器，设置于第一方向激光光束传播路径，第一长焦透镜的焦平面上，连接所述第一单模光纤，获取抬起第一挡光板时的光强信息，以便根据光强信息，获取待测物体的转速；
[0012]第二单光子探测器，设置于第二方向激光光束传播路径，第二长焦透镜的焦平面上，连接所述第二单模光纤，获取抬起第一挡光板与第二挡光板时的双环实部光强信息和双环虚部光强信息，以及调整第一挡光板与第二挡光板后的第一单环光强信息与第二单环光强信息，以便根据第一单光子探测器与第二单光子探测器获取的光强信息，获取待测物体的转角。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述双环缝螺旋相位板的实部与虚部均包括内环螺旋相位板和外环固定相位板；
[0014]所述内环螺旋相位板的内环相位为逆时针方向从0到
‑
2Nπ均匀变化的螺旋相位；内环螺旋相位板的高度为
[0015]所述外环固定相位板的外环相位为固定相位；
[0016]其中，为极坐标下的角向坐标，N表示待测物体的对称度，λ表示入射光的波长，Δn表示内环螺旋相位板与周围材料之间的折射率差异，h0为刻蚀螺旋相位板的衬底的厚度。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述外环固定相位板的外环相位为固定相位，包括：
[0018]双环缝螺旋相位板实部的外环固定相位板的固定相位为0，用于测量双环实部的光强信息实部的外环固定相位板的高度为h
21
＝h0；
[0019]双环缝螺旋相位板虚部的外环固定相位板的固定相位为用于测量双环虚部的光强信息虚部的外环固定相位板的高度为
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述双环缝螺旋相位板是基于所述内环螺旋相位板的内环相位与高度、所述外环固定相位板的固定相位与高度，在石英材料上刻蚀得到的；石英材料上除环缝外，其余地方均不透光。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，所述单光子探测器包括但不限于PMT、APD、IPD、MCP、MSP与VAPD。
[0022]本专利技术实施例还提供了一种基于单光子探测器测量转角的方法，应用于如上述所述的基于单光子探测器测量转速和转角的装置，包括：
[0023]将待测物体置于预设位置处，令激光发生器发出激光光束；
[0024]抬起第一挡光板与第二挡光板，使第一方向激光光束与第二方向激光光束分别照射第一单光子探测器与第二单光子探测器，获取双环实部光强信息S3(φ0＝0)和双环虚部光强信息
[0025]调整第一挡光板与第二挡光板，使双环缝螺旋相位板实部的透光部分仅为外环，虚部的透光部分仅为内环，照射第一单光子探测器与第二单光子探测器，获取第一单环光强信息S1与第二单环光强信息S2；
[0026]根据双环实部光强信息S3(φ0＝0)、双环虚部光强信息第一单环光强信息S1与第二单环光强信息S2，获取待测物体的转角。
[0027]在本专利技术的一个实施例中，所述根据双环实部光强信息双环虚部光强信息S3(φ0＝0)、第一单环光强信息S1与第二单环光强信息S2，获取待测物体的转角，表示为：
[0028]转角
[0029]其中，N表示待测物体的对称度；表示对称度为N的待测物体透射场的相干角动量矩阵，Re与Im表示相干角动量矩阵的实部与虚部；ρ1、ρ2分别表示双环缝螺旋相位板中的内环缝半径与外环缝半径。
[0030]在本专利技术的一个实施例中，所述对称度为N的待测物体透射场的相干角动量矩阵的获取包括：
[0031]将激光光束光场的电场分布表示为多个角动量态的叠加，电场分布表达式为：
[0032]其中，U(r)表示空间电场，U
l
表示每个角动量态的振幅，为螺旋相位因子，表示极坐标系下的角向坐标，l表示角动量态的拓扑荷；
[0033]对电场分布表本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于单光子探测器测量转速和转角的装置，其特征在于，包括：激光发生器，发出激光光束；扩束镜，设置于激光光束发射路径上，扩大通过的激光光束的直径，生成可覆盖待测物体的激光光束，照射至待测物体上；分束镜，将经过待测物体的激光光束，分成方向垂直的第一方向激光光束与第二方向激光光束；双环缝螺旋相位板，包括垂直设置的实部与虚部；令第一方向激光光束通过双环缝螺旋相位板实部后，依次通过在第一方向激光光束传播路径上设置的第一挡光板、第一长焦透镜与第一单模光纤，入射至第一单光子探测器；令第二方向激光光束通过双环缝螺旋相位板虚部后，依次通过在第二方向激光光束传播路径上设置的第二挡光板、第二长焦透镜与第二单模光纤，入射至第二单光子探测器；第一单光子探测器，设置于第一方向激光光束传播路径，第一长焦透镜的焦平面上，连接所述第一单模光纤，获取抬起第一挡光板时的光强信息，以便根据光强信息，获取待测物体的转速；第二单光子探测器，设置于第二方向激光光束传播路径，第二长焦透镜的焦平面上，连接所述第二单模光纤，获取抬起第一挡光板与第二挡光板时的双环实部光强信息和双环虚部光强信息，以及调整第一挡光板与第二挡光板后的第一单环光强信息与第二单环光强信息，以便根据第一单光子探测器与第二单光子探测器获取的光强信息，获取待测物体的转角。2.根据权利要求1所述的基于单光子探测器测量转速和转角的装置，其特征在于，所述双环缝螺旋相位板的实部与虚部均包括内环螺旋相位板和外环固定相位板；所述内环螺旋相位板的内环相位为逆时针方向从0到
‑
2Nπ均匀变化的螺旋相位；内环螺旋相位板的高度为所述外环固定相位板的外环相位为固定相位；其中，为极坐标下的角向坐标，N表示待测物体的对称度，λ表示入射光的波长，Δn表示内环螺旋相位板与周围材料之间的折射率差异，h0为刻蚀螺旋相位板的衬底的厚度。3.根据权利要求2所述的基于单光子探测器测量转速和转角的装置，其特征在于，所述外环固定相位板的外环相位为固定相位，包括：双环缝螺旋相位板实部的外环固定相位板的固定相位为0，用于测量双环实部的光强信息S3(φ0＝0)；实部的外环固定相位板的高度为h
21
＝h0；双环缝螺旋相位板虚部的外环固定相位板的固定相位为用于测量双环虚部的光强信息虚部的外环固定相位板的高度为4.根据权利要求3所述的基于单光子探测器测量转速和转角的装置，其特征在于，所述双环缝螺旋相位板是基于所述内环螺旋相位板的内环相位与高度、所述外环固定相位板的固定相位与高度，在石英材料上刻蚀得到的；石英材料上除环缝外，其余地方均不透光。
5.根据权利要求1所述的基于单光子探测器测量转速和转角的装置，其特征在于，所述单光子探测器包括但不限于PMT、APD、IPD、MCP、MSP与VAPD。6.一种基于单光子探测器测量转角的方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5任一项所述的基于单光子探测器测量转速和转角的装置，包括：将待测物体置于预设位置处，令激光发生器发出激光光束；抬起第一挡光板与第二挡光板，使第一方向激光光束与第二方向激光光束分别照射第一单光子探测器与第二单光...
【专利技术属性】
技术研发人员：李伟浩，吴丹，叶燕，王飞，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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