CN109724541A - 基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置。它的主要部件包括He‑Ne激光器、偏振片、透镜组、偏振分光棱镜、空间光调制器、4f滤波系统、平凸透镜、光电探测器、微型示波器。首先，激光器产生高斯光束，经准直后照射加载有特定全息图的空间光调制器以制备叠加态涡旋光；其次，将涡旋光照射于旋转物体转轴中心，经物体散射后，利用凸透镜收集散射光；最后，利用光电探测检测散射光束的强度变化并将信号传给示波器，示波器进行傅里叶变换，根据频谱带宽信息就可以判断物体转轴相对与光束入射方向的倾斜角。本装置结构简单，在各种极端条件下仍可以有效工作。

Description

基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置

技术领域

本发明主要涉及光学、物理学、光电转换、信号检测领域，尤其是光束的相位调制、拍频检测等技术方法。

技术背景

本发明的技术背景主要基于旋转多普勒效应。经典多普勒效应(LDE)由物体与波源之间线性相对速度引起，其技术成熟，应用领域广泛；而与之相对应的旋转多普勒效应(RDE)则是由探测波源与旋转物体之间的相对旋转速度引起，尚未得到实际应用。旋转多普勒效应的产生，需要能绕传播轴具有旋转速度的探测波源，这种波源在经典物理领域可以通过使拉盖尔-高斯光束透射旋转道威棱镜(Dove)或者1/4波片获得。

自1992年Allen发现光子轨道角动量(OAM)以来，携带OAM的涡旋光的特性逐渐被人们揭开。研究发现这种光束具有螺旋形波阵面，其坡印廷矢量与光束传播轴存在夹角α。此外，在高阶贝塞尔-高斯光束中，这一夹角的大小可表示为sinα＝lλ/2πr，其中l表示涡旋光的拓扑荷数，λ表示光波长，r表示光束上任意一点到光轴的距离。J·leach在研究中指出对于一般小拓扑荷数涡旋光，这一夹角的大小是毫弧度量级，因此sinα可以近似取α。

携带有这种轨道角动量的光叫做涡旋光，可以通过螺旋相位板、空间光调制器(SLM)、计算全息等方式制备，涡旋光有着圆环形的强度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用e^ilθ来描述，其中l是其拓扑荷数，表征的是涡旋光束在一个波长内相位由0到2π的跳变次数，θ是涡旋光相位角。因此一束涡旋光的光场分布可以表示为：

对于一束线性极化的拉盖尔-高斯(LG)光束，坡印廷矢量S在柱坐标系下可表示为：

其中C为常数，分别表示坡印廷矢量的三个柱坐标，从中可以得到坡印廷矢量与柱坐标z轴方向的夹角为α＝l/kr，k表示光波数，r为光束中对应点的半径。

坡印廷矢量的大小表示在光束中每一瞬时、任意一个小区域的能量的大小，而其方向则表示光波能流的方向，那么对于待测微小散射体来说，光子照射到每个小散射体时的方向也沿着此坡印廷矢量方向。坡印廷矢量与传播轴不平行，能流绕着传播轴呈螺旋状，这样就导致了光子周向速度的存在和轨道角动量的产生。

旋转多普勒效应与经典多普勒效应有着相似的机理，经典多普勒效应的基本原理如下，当物体沿着光传播方向与光源的相对运动速度为v时，光源的频率与物体接收到的光频率之间的差值为：

式中c和f₀分别表示光速和光源在介质中的频率。当涡旋光照射旋转物体时，其光子传播方向与物体表面散射体的运动方向如图2所示，此时考虑任一微小散射体，散射体的运动速度v_p与坡印廷矢量之间的夹角为由几何关系可知根据式(3)，此时的多普勒效应公式变为：

若采用叠加态涡旋光，那么产生的频移将是式(4)计算值的2倍。上式可以理解为将光子的线性运动速度投影到与转盘平面平行的光轴截面所得到的多普勒频移，相对速度是涡旋光“周向速度”与物体表面每点周向速度之间的相对运动速度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有非接触探测旋转物体的装置仅能够获取物体的转动速率信息而对于物体转轴方向(姿态)信息则无法有效获取这一问题，设计了一种可以有效获取物体转轴倾斜角的装置。本发明可以解决实际操作中对高速旋转物体转轴方位角的实时探测难题，在许多需要精密探测物体转轴方向检修、维护场合有很大的应用潜力。本装置结构简单，体积小，可以集成化，易于大规模推广应用。在高速非合作目标甚至天文学中都有着客观的应用前景。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)、偏振分光棱镜1(5)、空间光调制器(6)、凸透镜1(7)、针孔光阑(8)、凸透镜2(9)、凸透镜3(10)、光电探测器(11)、频谱分析示波器(12)。首先，激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，通过准直扩束透镜组1和2变为所需直径的高斯光束照射在SLM上，在SLM上加载全息图，加载的全息图示例及产生对应的涡旋光斑如图3所示。之后产生的光束经过偏振分光棱镜(5)反射，依次透过由凸透镜(7)、针孔光阑(8)和凸透镜(9)组成的4f滤波系统，选择出由SLM产生的一级衍射光并进行准直。注意光阑应当放置在两透镜的焦点汇合处。随后将产生的叠加态涡旋光束照射至旋转物体表面。再利用透镜收集物体表面的散射光，利用光电转换器进行转换，最后再将电信号导入示波器进行频谱分析，根据示波器上显示的信号带宽，由关系式w_mod＝lΩsinγtanγ/2π即可计算得出旋转物体转轴相对于入射光方向的倾斜角γ。在待测倾角物体转速已知的情况下，测量出一组特定涡旋光对应的带宽值w_mod即可利用计算机解析得出物体转轴倾角γ；当物体转速恒定且未知时，利用两种不同拓扑荷数的叠加态涡旋光进行两次检测，将l₁、l₂和w_mod1、w_mod2分别代入关系式w_mod＝lΩsinγtanγ/2π即可同时得到物体转速Ω和转轴倾角γ。

本发明的原理是：

(1)多普勒效应随转轴倾角的变化

当物体转轴与涡旋光传播轴之间存在一定夹角时，以图4示空间笛卡尔坐标系为例，涡旋光传播轴在yoz平面内，绕着x轴偏转了γ。此时，涡旋光将发生以下改变，首先，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，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，那么椭圆环状时光斑圆周上任意一点的半径可表示为：

式中θ_z和γ已在图中标示出。

其次，旋转物体表面每个点的周向速度在xoy平面内，光束中每个光子的周向速度矢量在空间中旋转了γ角，以x₀点为例，在x₀点处周向速度矢量方向为绕光轴一周任一点涡旋光的周向速度矢量方向为：

式中θ_z表示与初始x轴之间的夹角，这一矢量方向与物体上涡旋光照射物体上每点的速度矢量方向一致，因为此时光子的周向速度矢量与物体表面每个微小散射点的周向速度方向一致。

将涡旋光的周向速度矢量绕着x轴进行旋转，得到最终与物体表面相接触的空间光子角速度矢量：

由此可得空间光周向速度矢量与转盘表面物体周向速度矢量之间的夹角β可表示为：

那么物体表面散射体的周向速度与涡旋光子之间的相对速度可表示为vcosβ，结合式(4)可得，偏移情况下光斑圆周上任意一点的多普勒频移为：

利用解析方法对上式进行分析可知，当物体转轴与光轴之间倾斜角度γ一定时，多普勒频移总是在θ_z取π/2和3π/2时取得最大值(椭圆光斑长轴两端)，在0和π处取得最小值(椭圆光斑的短轴两端)，结合式(9)其多普勒频移的极限值f_ev可表示如下：

那么对于入射光任意倾斜角度γ，其多普勒频移信号的带宽w可由下式给出：

若采用叠加态涡旋光，那么相应的带宽将是上式计算值的2倍。在一定转速Ω的条件下，通过测定相应的频谱带宽，根据式(11)即可得到旋转物体转轴相对于入射光方向的夹角。分别采用拓扑荷数为±12、±15的涡旋光进行实验，得到的理论与实际值如图6所示。

(2)光频率拍频检测原理

由SLM产生的叠加态涡旋光除了拓扑荷数方向相反之外，其余均参数均相同，可用A_re^i(±l)θe^iωt来表示，与旋转体作用之后，其散射光频率将发生改变，分别具有如下形式：

两种频率的涡旋光叠加后的形式变为：

经过欧拉公式转换为三角函数再化简后变为：

式中可以看出前半部分表示的是和光强信号相关的振幅信息，它会依据两束光的频率差的大小进行周期性的变化，这一周期性变化的信号叫做光的拍频信号，它仅与两束光的频率差相关，根据这一强度信号的变化转换到光电探测器上便可以检测出这一频率值。这种检测方法叫做拍频检测法。

本发明的主要优点：

(1)本装置技术新颖，操作简单，使用方便，易于控制。只需要进行一次测量便可以得到旋转物体转轴倾角。

(2)本装置可同时获取旋转物体多方面的信息。根据设计原理可以看出，本装置在已知物体旋转速度和未知物体旋转速度的情况下均可有效工作，在已知物体旋转速度的情况下可直接通过一组测量旋转物体转轴倾角；未知物体转速的情况下可以通过两次不同拓扑荷数的测量同时获得物体的转速和转轴倾角。

(3)本装置适用于高速、极端条件，在天文学领域也有一定的应用潜力。本装置以光波作为探测介质，其传输距离远、测量速度快，响应迅速，分辨率高，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为检测装置示意图；

图2为涡旋光旋转多普勒效应示意图；

图3为SLM加载的全息图及产生的光斑；

图4为倾斜照射光斑形状改变示意图；

图5为倾斜照射坡印廷矢量夹角示意图；

图6为试验模拟结果图((a)(b)为l＝±12、(c)(d)为l＝±15)；

具体实施方案

本发明以叠加态涡旋光束作为探测载体，具体实施步骤如下：

首先，激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，通过准直扩束透镜组1和2变为所需直径的高斯光束照射在SLM上，在SLM上加载全息图，加载的全息图示例及产生对应的涡旋光斑如图2所示。

接下来，经过SLM调制产生的垂直偏振光束经过偏振分光棱镜(5)反射，依次透过由凸透镜(7)、针孔光阑(8)和凸透镜(9)组成的4f滤波系统，选择出由SLM产生的一级衍射光并进行准直。注意光阑应当放置在两透镜的焦点汇合处。

随后，将产生的叠加态涡旋光束照射至旋转物体表面。再利用透镜收集物体表面的散射光，利用光电转换器进行转换，最后再将电信号导入示波器进行频谱分析，根据示波器上显示的信号带宽，由关系式w_mod＝lΩsinγtanγ/2π即可计算得出旋转物体转轴相对于入射光方向的倾斜角γ。

在待测倾角物体转速已知的情况下，测量出一组特定涡旋光对应的带宽值w_mod即可利用计算机解析得出物体转轴倾角γ；当物体转速恒定且未知时，利用两种不同拓扑荷数的叠加态涡旋光进行两次检测，将l₁、l₂和w_mod1、w_mod2分别代入关系式w_mod＝lΩsinγtanγ/2π即可同时得到物体转速Ω和可转轴倾角γ。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.本发明涉及一种基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置，它包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)、偏振分光棱镜1(5)、空间光调制器(6)、凸透镜1(7)、针孔光阑(8)、凸透镜2(9)、凸透镜3(10)、光电探测器(11)、频谱分析示波器(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置，其特征在于，经扩束准直后的涡旋光照射空间光调制器产生叠加态涡旋光，经过由两面透镜和一个针孔光阑组成的滤波系统之后，筛选出一级衍射光照射在旋转物体中心，通过收集物体表面散射光利用光电转换器进行检测，随后将电信号导入示波器进行频谱分析，根据示波器上显示的信号带宽w_mod，将涡旋光拓扑荷数l和物体转速Ω代入关系式w_mod＝lΩsinγtanγ/2π，即可计算得出旋转物体转轴相对于入射光方向的倾斜角γ。

3.根据权利要求2所述的一种基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置，其根据已知条件的不同有两种工作方式，在待测倾角物体转速已知的情况下，测量出一组特定涡旋光对应的带宽值w_mod即可利用计算机解析得出物体转轴倾角γ；当物体转速恒定且未知时，利用两种不同拓扑荷数的叠加态涡旋光进行两次检测，将两次使用涡旋光的拓扑荷数l₁、l₂和测得信号带宽w_mod1、w_mod2分别代入关系式w_mod＝lΩsinγtanγ/2π即可同时得到物体转速Ω和可转轴倾角γ。