CN109917148A - 基于叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置。它的主要部件包括He‑Ne激光器、偏振片、分光棱镜、空间光调制器、4f滤波系统、平面镜、光电探测器、微型示波器。首先，由激光器产生的激光透射偏振片后照射在空间光调制器上，空间光调制器上加载拓扑荷数异号且不等值的叠加态光束全息图，产生叠加态涡旋光；其次，经过4f滤波系统筛选出一级衍射光照射在旋转物体上，利用光电参测器接收散射光并进行频谱分析，得出频移值；最后，给全息图加上一个旋转速度再进行信号采集。通过比较两次的频移值大小即可得出物体的转速大小和转向信息。本装置结构简单，可充分获得与物体旋转相关的多方面信息。

Description

基于叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置

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。对于以光束作为探测波源的系统而言，光源发出光的频率和运动物体接收到的频率之间的差值Δf为：

式中f为探测光源的频率，v_o为物体相对于光源的运动速度，c为光速。

当物体运动方向与光束传播方向不共线时，则需要将速度方向沿着光束与物体的连线进行投影，所得到的多普勒效应变为：

式中表示物体运动速度与光传播方向之间的夹角。

由于光束的频率极高，可见光的频率都在10¹⁴Hz量级，而现有探测器一般都是基于光强敏感进行探测，远远无法探测如此高的频率。因此一种简单的方法便是将光束的频率变化值作为探测对象，而不是直接测量光束的频率。当两束频率不同的光束混合在一起时就会发生拍频现象，混合后的光强信号便会以二者频率只差进行变化，由此可以测得物体的运动速度。

除了LDE之外，近些年人们还发现光束存在另外一种旋转多普勒效应(RDE)。RDE和LDE有着共同的起源，他们的基本原理都是探测光源和物体之间的相对运动会引起物体接收到的光频发生Δf的频移。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或者1/4波片获得。自1992年Allen发现光子轨道角动量以来，携带轨道角动量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。这一现象就决定了涡旋光的能流方向具有截面内的分量，是利用旋转多普勒效应探测物体转速的一种理想的波源。

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。

类似于线性多普勒效应，旋转多普勒效应转速测量实验中光束的频率也不可直接测量，只能通过拍频方式来判断频率的改变量。这就造成了一个共同的问题频率改变的方向信息无法获取，也就是说物体的转动方向信息丢失了，这一问题亟待解决。

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无法有效获取物体转动方向这一问题，设计了一种可以有效测量物体转动方向的装置。本发明可以解决实际操作中判断高速旋转物体转动方向的难题，在空间碎片消旋、超高速物体转向探测有很大的应用潜力。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可观的应用前景。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜1(3)、空间光调制器(4)、凸透镜1(5)、空间光阑(6)、凸透镜2(7)、平面镜(8)、分光棱镜(9)、光电探测器(10)、频谱分析示波器(11)。首先，由激光器(1)产生波长为632.8nm的激光束，经过偏振片(2)调制后变为水平偏振光，再透过分光棱镜照射在SLM上。SLM上加载有事先制备好的拓扑荷数分别为l₁和l₂的涡旋光全息图，其中l₁和l₂符号相反且大小不同，所用的到的全息图及其产生的叠加态光斑如图3所示。随后将产生的叠加态涡旋光束照射至旋转物体表面，利用光电转换器接收并转换物体表面的散射光束，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f_mod＝lΩ/2π即可计算得出旋转物体当前的旋转速度。记录当前频移Δf₁，随后调节空间光调制器状态，给全息图加上一个顺时针方向的转速ω_a，这样也就赋予了叠加态涡旋光一个转速，此时的频移大小将会发生变化，记录此时的频移量Δf₂。比较Δf₁和Δf₂的大小，如果Δf₁＞Δf₂，那么说明加上转速之后频移变小，物体为顺时针转动；如果Δf₁＜Δf₂，那么说明物体为逆时针转动。通过这样的测量方案，既可以同时测得物体的转速和方向。

本发明的原理是：

(1)附加补偿频移原理

光束的旋转多普勒频移原理如式(3)所示，为了测得频移变化一般都采用拍频的方式，这时候就需要两束不同模态的光，叠加态涡旋光就是一种理想的选择。采用拓扑荷数为±l正反叠加态涡旋光所产生的频移如下：

由此可得，实际根据拍频现象所测得的频率应当为：

拍频现象所得到的是频率差值的绝对值，无法包含频移信号的符号信息，因此有关物体转动方向的信息便丢失了。一种常见的方法就是给探测光束添加上一个补偿频移。在拓扑荷数大小相同符号相反的情况下给叠加态涡旋光加上转速ω_a得到此时的调制频率为：

此时，光束的总体频移仍然不变，也就是说在叠加态的情况下总体补偿频移的添加效果仍然无法显现出来。调整叠加态全息图的拓扑荷数数值，将其拓扑荷数设置为+l₁和-l₂，l₁不等于l₂且有l₁+l₂＝2l，这样由空间光调制器产生的涡旋光将不再是对称叠加态涡旋光，而是拓扑荷数不同的非对称叠加态涡旋光。此时，再利用上述方法给光束探测光束加载一个顺时针转速ω_a，得到测试的调制频率为：

观察式中第一项便是拍频频率之差，而第二项则是附加补偿频移，此项频移的大小与物体的转动方向相关。若物体顺指针转动，则此时的频移将会变小；若物体为逆时针转动，那么此时的频移将会增大。

(2)光频率拍频检测原理

根据光波的叠加原理，在空间同一点处同时存在两个光振动E₁、E₂时，叠加后该点的合振动为E＝E₁+E₂，其合振动光强为I＝＜E·E＞，可以写为：

I＝＜(E₁+E₂)·(E₁+E₂)＞＝＜E₁·E₁＞+＜E₂·E₂＞+2＜E₁·E₂＞ (8)

假设叠加态涡旋光束发生大小相同、方向相反的频移之后的两束光的表达式为分别为和其中A₀代表光强，w表示光波的角频率，(k为波数，为光束沿传播方向的距离，为初始相位)表示初始相位和随这传播距离引起的相位变化。那么两束光叠加后在点的合振动强度可表示为：

因为光频远远大于光电探测器的频响，因此上式中的二倍频项将在探测器表面形成背景光，反映在示波器上就是强度不变的直流分量，而差频项将引起光强以较低频率呈周期性变化，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，不需要额外的光学器件。通过两次对比测量即可以得到物体的转速及转向信息。

(2)本装置可同时获取旋转物体转速和转向两个方面的信息。根据设计原理可以看出，本装置的动态变量仅为全息图的旋转，根据全息图是否加载旋转所得到的不同信号即可判断物体的转动方向。根据单词测量结果可计算出物体的转速。

(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为探测装置示意图；

图2为涡旋光旋转多普勒效应原理示意图；

图3为空间光调制器加载的全息图及产生的光斑；

图4为拓扑荷数为+18和-12叠加时的实验结果图；

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，由激光器(1)产生波长为632.8nm的激光束，经过偏振片(2)调制后变为水平偏振光，再透过分光棱镜照射在空间光调制器上。空间光调制器上加载有事先制备好的拓扑荷数分别为l₁和l₂的涡旋光全息图，其中l₁和l₂符号相反且大小不同，所用的到的全息图及其产生的叠加态光斑如图3所示。

接下来，将产生的叠加态涡旋光束照射至旋转物体表面，利用光电转换器接收并转换物体表面的散射光束，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f_mod＝lΩ/2π即可计算得出旋转物体当前的旋转速度。

最后，记录当前频移Δf₁，随后调节空间光调制器状态，给全息图加上一个顺时针方向的转速ω_a，这样也就赋予了叠加态涡旋光一个转速，此时的频移大小将会发生变化，记录此时的频移量Δf₂。比较Δf₁和Δf₂的大小，如果Δf₁＞Δf₂，那么说明加上转速之后频移变小，物体为顺时针转动；如果Δf₁＜Δf₂，那么说明物体为逆时针转动。通过这样的测量方案，既可以同时测得物体的转速和方向。

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叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置，它包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜1(3)、空间光调制器(4)、凸透镜1(5)、空间光阑(6)、凸透镜2(7)、平面镜(8)、分光棱镜(9)、光电探测器(10)、频谱分析示波器(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置，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异号且非等值的叠加态涡旋光，经过由两面透镜和一个空间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导入示波器进行频谱分析，得到频移Δf₁；给空间光调制器上的全息图加载上一个顺时针旋转速度ω_a，再次测得频移信号Δf₂，通过比较两次频移信号的大小即可得到物体的转动方向信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于叠加态涡旋光的物体转动方向探测装置，其采用的涡旋光束具有拓扑荷数异号且的不等值的特征，核心在于给叠加态涡旋光整体加上一个旋转的速度ω_a，这样就导致涡旋光产生频移的大小发生变化从而体现出物体的转向信息；若采用其他类似方式，例如道威棱镜等光学器件给叠加态涡旋光加上一个额外的转速，则仍属于本专利的保护范畴。