CN106918903A - 一种光学旋转多普勒频率变换器 - Google Patents

Abstract

一种光学旋转多普勒频率变换器，包括相对设置的运动螺旋相位板以及静止螺旋相位板，运动螺旋相位板和静止螺旋相位板之间设有用于通光的镜筒；所述的运动螺旋相位板连接能够改变其旋转方向及旋转速度的驱动装置，所述的静止螺旋相位板采用与运动螺旋相位板相同的螺旋相位板；光经过运动螺旋相位板由高斯光变换为拉盖尔‑高斯光，再通过静止螺旋相位板恢复为变换前的模式，在旋转多普勒效应的作用下，出射光的频率发生了变化。本发明全程不涉及衍射，对于传播方向无任何影响，固定损耗较小，频移量连续可调。

Description

一种光学旋转多普勒频率变换器

技术领域

本发明涉及一种光学仪器，具体涉及一种光学旋转多普勒频率变换器。

背景技术

光学频率变换器是一种能使光发生频率改变的装置。现有的光学频率变换器按原理分包括：声光调制器、电光调制器、光学多普勒变换器等，其中前两种频率变换器技术较为成熟。

声光调制器的工作原理是利用超声波引起介质的周期性折射率变化以形成相位型光栅，当入射一束激光，可以得到频率随超声波变化的一级衍射光。这种用声波频率调节光波频率的方法称为声光调制。但是声光调制过程会产生衍射角，继而改变光束的传播方向。而且这种工作方式会有系统损耗，现有产品衍射效率在80％左右。

电光调制器根据实现方法的不同分为M-Z干涉型、定向耦合型、F-P型等，原理都是用施加电压的办法改变介质折射率，通过对光束光程的调节，加入周期性震荡成分，实现频率的调制。此类器件转化效率最高为85％，而且需要复杂的电压控制，配有体积庞大的控制器。

旋转多普勒频率变换装置按媒介分为利用轨道角动量(OAM)光、利用圆偏振等多种类型。

最早发明的旋转多普勒频率变换装置是以偏振光为媒介的，运用旋转的1/2波片向入射光束中加入周期性的时变附加相位，使总相位的周期发生变化从而改变了光束的频率。这种装置需要将入射光束调整为特殊偏振态，因此对于复杂偏振的激光光束无法进行正常的频率变换。20世纪末随着光学轨道角动量概念的普及，以光学轨道角动量为媒介的旋转多普勒理论引起了广泛的关注，先后出现了几种理论以及能够应用于实验室的频率变换装置。

第一种是以旋转道威(Dove)棱镜为轨道角动量光束加入周期性的时变空间相位，进而使相位周期性发生变化而发生频移。但是这种装置只能使携带轨道角动量的拉盖尔高斯光发生变换，而且装置中对于Dove棱镜的位置精度要求特别高，略微偏离中心就会明显改变出射光束的传播方向，因此不适合做成专用频移器件。

第二种是利用旋转的粗糙面来引入时变相位，使轨道角动量光束发生频移。但是粗糙面不可避免的会引入随机涨落(噪声)，将输出信号变为一定频移量为中心的展宽信号，使光束的性质变差，而且粗糙面会使光散射，损耗太大效率低。这种装置往往反其道而行之，应用于转速的测量，以频移量来对应得出粗糙面的转速。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种光学旋转多普勒频率变换器，通过螺旋相位板给轨道角动量光线加入时变相位，频移量连续可调，无衍射，损耗较低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括相对设置的运动螺旋相位板以及静止螺旋相位板，运动螺旋相位板和静止螺旋相位板之间设有用于通光的镜筒；所述的运动螺旋相位板连接能够改变其旋转方向及旋转速度的驱动装置，所述的静止螺旋相位板采用与运动螺旋相位板相同的螺旋相位板；光经过运动螺旋相位板实现高斯光与拉盖尔-高斯光之间的变换，再通过静止螺旋相位板恢复为变换前的模式，在旋转多普勒效应作用下，出射光的频率发生了变化，频移量计算公式如下：

式中，Ω为驱动装置的角速度，l为螺旋相位板的轨道角动量量子数。

运动螺旋相位板与静止螺旋相位板设置在盒体内，盒体上设有进光口与出光口，驱动装置为电动机，运动螺旋相位板通过传动件与电动机的转轴相连，电动机连接电流可调的直流稳压电源；盒体上还安装有用于调整静止螺旋相位板位置的调节旋钮。

所述的传动件采用皮带或者传动齿轮。

所述直流稳压电源选用具有微调及细调两个旋钮的GWINSTEK GPR-6015HD稳压电源。

所述的运动螺旋相位板与静止螺旋相位板均包括平面以及螺旋台阶面。运动螺旋相位板与静止螺旋相位板均为具有折射率的透明板，且厚度与绕相位板中心的方位角成正比。

运动螺旋相位板与静止螺旋相位板的波长均选择633nm，轨道角动量量子数均选择8。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、该装置使用时全程不涉及衍射，光直接照射通过器件，等同一般的透射光学器件，对于传播方向无任何影响，理论上无固定损耗，能够达到100％的转化率。

2、声光调制器进行移频需要声束和光束匹配，需要很大的超声波功率，但驱动功率太大容易损坏晶体，因此制约了衍射效率的提高，电光调制器需要复杂的电压控制，配有体积庞大的控制器。本装置的体积轻便，控制单元仅需要一个用于控制螺旋相位板转速的驱动装置。

3、移频量连续可调，有很大的范围，当螺旋相位板转速为KHz量级时，旋转多普勒效应引起的频率移动大小是正负KHz量级。该装置的调节精度高，与转速调节具有相同的精度。增或减由螺旋相位板的旋转方向决定，增减的大小由运动螺旋相位板的转速决定，提前获得电动机角速度与直流稳压电源电流的关系，而l是由所选螺旋相位板决定的已知参数，由公式即能够得到准确的频移量。

4、装置自备的螺旋相位板能够产生和还原轨道角动量光，无论是基模光还是携带轨道角动量的拉盖尔-高斯光都能够转化，因此对光束没有特殊的偏振要求。

附图说明

图1螺旋相位板的表面结构图；

图2本发明的整体结构示意图；

附图中：1-运动螺旋相位板；2-静止螺旋相位板；3-电动机；4-皮带；5-调节旋钮；6-电线；7-直流稳压电源；8-镜筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

拉盖尔-高斯(LG)模式的光束中，每个光子可以携带l的轨道角动量(OAM)，l可以取任意整数。在宏观上，光子轨道角动量(OAM)表现为光场的横向空间分布模式，其等相位面沿光束传播方向呈现螺旋变化，使得光轴方向和玻印亭矢量间有一个微小的夹角α＝lλ/(2πr)，r为等相位面上一点到光轴的距离。因此，当一束具有轨道角动量l的涡旋光源和观察者之间有一个相对角速度Ω时，接收的光将有一个频移：

由公式可知，频移量与r无关，即说明了拉盖尔-高斯(LG)光发生了整体的多普勒频移，这就是旋转多普勒频移效应。从旋转多普勒效应发现之始，人们就开始提出用半波片、道威棱镜等物体的旋转来观测此效应，本方案设计的频率变换器提出了一种新的方法，即用螺旋相位板(SPP)的旋转实现光频率变换。如图1所示，螺旋相位板(SPP)是一块折射率为n的透明板，它的厚度与绕相位板中心的方位角成正比，两端的表面结构分别为平面和螺旋状面，螺旋状表面类似于一个旋转台阶，对应着固定的转换轨道角动量量子数l。

参见图2，本发明光学旋转多普勒频率变换器，包括相对设置的运动螺旋相位板1以及静止螺旋相位板2，运动螺旋相位板1和静止螺旋相位板2之间设有用于通光的镜筒8；运动螺旋相位板1连接能够改变其旋转方向及旋转速度的驱动装置，静止螺旋相位板2采用与运动螺旋相位板1相同的螺旋相位板。运动螺旋相位板1与静止螺旋相位板2设置在盒体内，盒体上设有进光口与出光口，驱动装置为电动机3，运动螺旋相位板1通过传动件与电动机3的转轴相连，传动件采用皮带4或者传动齿轮，电动机3连接电流可调的直流稳压电源7；盒体上还安装有用于调整静止螺旋相位板2位置的调节旋钮5。运动螺旋相位板1与静止螺旋相位板2的波长均选择633nm，轨道角动量量子数均选择8，可选如Holo/Or等品牌，入射光波长也为633nm。光经过运动螺旋相位板1实现高斯光与拉盖尔-高斯光之间的变换，再通过静止螺旋相位板2恢复为变换前的模式，在旋转多普勒效应的作用下，出射光的频率发生了变化，频移量计算公式如下：

式中，Ω为驱动装置的角速度，l为螺旋相位板的轨道角动量量子数。

直流稳压电源7采用具有微调及细调两个旋钮的GWINSTEK GPR-6015HD稳压电源。

第一块装在镜架上的运动螺旋相位板1由皮带轮连接电动机3带动，通过调节直流稳压电源7控制电动机3的转速和旋转方向，光通过运动螺旋相位板1之后由高斯光变为拉盖尔-高斯光，在镜筒中8自由传播一段时间，再通过静止螺旋相位板2中心(可通过两个调节旋钮5上下、左右移动)，通过静止螺旋相位板2后又变换为入射之前的模式，由于旋转多普勒效应，这时出射光的频率发生了增减，增或减由螺旋相位板的旋转方向决定，增减的大小由运动螺旋相位板1的转速决定，提前获得电动机3的角速度Ω与直流稳压电源7的电流之间关系，而l是由所选螺旋相位板决定的已知参数，由公式即能够得到准确的频移量。如果要实现其它波长光的移频或者不同l值来控制移频量，需要更换两块不同的螺旋相位板。

Claims (7)

1.一种光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：包括相对设置的运动螺旋相位板(1)以及静止螺旋相位板(2)，运动螺旋相位板(1)和静止螺旋相位板(2)之间设有用于通光的镜筒(8)；所述的运动螺旋相位板(1)连接能够改变其旋转方向及旋转速度的驱动装置，所述的静止螺旋相位板(2)采用与运动螺旋相位板(1)相同的螺旋相位板；光经过运动螺旋相位板(1)实现高斯光与拉盖尔-高斯光之间的变换，再通过静止螺旋相位板(2)恢复为变换前的模式，在旋转多普勒效应作用下，出射光的频率发生了变化，频移量计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{l\mathrm{\Ω}}{2\mathrm{\π}}$

式中，Ω为驱动装置的角速度，l为螺旋相位板的轨道角动量量子数。

2.根据权利要求1所述的光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：运动螺旋相位板(1)与静止螺旋相位板(2)设置在盒体内，盒体上设有进光口与出光口，驱动装置为电动机(3)，运动螺旋相位板(1)通过传动件与电动机(3)的转轴相连，电动机(3)连接电流可调的直流稳压电源(7)；盒体上还安装有用于调整静止螺旋相位板(2)位置的调节旋钮(5)。

3.根据权利要求2所述的光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：所述的传动件采用皮带(4)或者传动齿轮。

4.根据权利要求2所述的光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：所述的直流稳压电源(7)选用具有微调及细调两个旋钮的GWINSTEK GPR-6015HD稳压电源。

5.根据权利要求1或2所述的光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：所述的运动螺旋相位板(1)与静止螺旋相位板(2)均包括平面以及螺旋台阶面。

6.根据权利要求5所述的光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：运动螺旋相位板(1)与静止螺旋相位板(2)均为具有折射率的透明板，且厚度与绕相位板中心的方位角成正比。

7.根据权利要求5所述的光学旋转多普勒频率变换器，其特征在于：运动螺旋相位板(1)与静止螺旋相位板(2)的波长均选择633nm，轨道角动量量子数均选择8。