CN110068699B - 一种基于涡旋光倍频变换的物体复合运动探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于涡旋光倍频变换的物体复合运动探测装置。它的主要部件包括激光器、偏振片、透镜组、分光棱镜、空间光调制器、平面镜、4f滤波系统、倍频晶体、平凸透镜、光电探测器、微型示波器。首先，利用激光光源和空间光调制器组合产生叠加态涡旋光，使用4f滤波系统筛选出一级衍射光；其次，分两次分别在有无倍频晶体的情况下使用涡旋光照射运动物体；最后，利用光电探测器检测两次物体表面散射光束的强度变化并将信号传给示波器进行分析。根据示波器显示的两次频率信号值，可分别计算出物体运动的线速度和角速度。本装置结构简单，在各种极端条件下仍可以有效工作。

Description

一种基于涡旋光倍频变换的物体复合运动探测装置

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、倍频变换、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涡旋光多普勒效应。自1992年Allen等人发现光子的轨道角动量以来，与轨道角动量相关的特性及其应用逐渐被人们所熟悉。光学领域最常见的携带轨道角动量的光束是涡旋光，这种光束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。涡旋光最典型的参数之一是其拓扑荷数l，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，从数学表达上看一束涡旋光在柱坐标系下可以写为：

其中E₀表示电场强度，r,θ,z分别是涡旋光在柱坐标系下的三个坐标，ω₀是束腰半径，ω(z)表示坐标为z处的光束半径。从表达式中可以看出，exp(ilθ)项决定了涡旋光具有螺旋形的相位面分布。根据坡印廷矢量的含义，其表示电磁场中电场和磁场的外积，方向与光束的波阵面垂直。因此在涡旋光中，坡印廷矢量不与涡旋光束传播轴相平行，而是与其传播轴有一定的夹角。对于一束线性极化的拉盖尔-高斯光束，坡印廷矢量与光束传播轴之间的夹角α大小可以表示为sinα＝lλ/2πr，其中l表示拓扑荷数，λ表示光波长，π是圆周率，r为涡旋光束的半径。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。

由于涡旋光坡印廷矢量这一独特的结构，对于涡旋光束上的任意一点，其对应的坡印廷矢量可以朝着光束传播方向和光束传播截面两个方向上分解。根据经典光束的波动性理论，其沿着光束传播方向的分量可以产生线性多普勒效应。经典线性多普勒效应的表达式为：

式中Δf表示入射光与运动物体散射光之间的频率差值，f₀和c分别表示原始光束的频率和光速，v表示物体与光源之间的相对运动速度。经典线性多普勒效应的含义是当光源与物体(观察者)之间存在相对运动时，那么光源发出的光和物体表面接收到的光束之间会存在一个频率差，这个频率差也叫做多普勒频移。

与线性多普勒频移类似，因为涡旋光束坡印廷矢量在垂直传播方向分量的存在，使其在光束截面内仍然存在多普勒效应，只不过这时候应当加上一个相对夹角。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：

式中Ω表示旋转物体的转速。

由于光波的频率过高而一般无法直接测量，因此通常采用拍频的方式来检验光束的频率变化。一种简单的方式便是采用拓扑荷数大小相同、方向相反的叠加态涡旋光束，这样所产生的实际测得频率便是式(3)计算值的两倍。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有空间非合作目标的运动往往是由线性运动和旋转运动复合而成，使得物体运动状态往往无法全方位有效测量的问题，设计了一种可以解耦测量物体复合运动信息的装置。本发明可以有效测得既有旋转运动又有线性运动的物体的运动速度，通过两次测量可以分别将二维运动信息解耦出来。本装置的结构简单，体积小，可以集成化，不需要额外的光学器件。本发明在高速非合作目标空间复合运动测量方面有着很大的应用前景。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于涡旋光倍频变换的物体复合运动探测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)、分光棱镜(5)、空间光调制器(6)、平面反射镜(7)、凸透镜1(8)、针孔光阑(9)、凸透镜2(10)、倍频晶体(11)、凸透镜3(12)、光电探测器(13)、频谱分析示波器(14)。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透过分光棱镜(5)之后照射在加载有特定全息图空间光调制器(SLM)上，加载的全息图示例及产生对应的涡旋光斑如图3所示。从SLM上的出射光经过反射镜(7)反射后穿过由两个凸透镜和一个空间光阑组成的4f滤波系统，筛选出一级衍射光。随后将光束照射在旋转加直线平移复合运动的物体表面，通过凸透镜(12)收集散射光束照射在光电探测器(13)上，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。此时我们可以得到一组由物体复合运动而引起的频移值Δf₁。随后，将倍频晶体(11)放入光路中，出射涡旋光的频率将会实现加倍，此时再利用上述方法对散射光信号进行采集分析，得出此时的频移值Δf₂。根据两次测得的频移量，依据公式v＝c(Δf₁-Δf₂)/f和Ω＝π(2Δf₂-Δf₁)/l便可分别计算出物体的直线运动速度和旋转运动速度，其中c和f表示光速和光源频率，π为圆周率，l是涡旋光拓扑荷数。

本发明的原理是：

(1)复合运动的多普勒效应

普通光束具有经典多普勒效应，也称线性多普勒效应，当光源于物体之间存在相对运动的时候，光源发出的频率和物体之间接收到的频率之间会存在一定的差值，这一差值的大小与二者之间的相对运动速度成正相关，根据这一原理可以探测物体的线性运动速度。而特殊的结构光束(例如涡旋光)近些年来被证明还具有旋转多普勒效应，具备探测物体旋转运动的能力。而当一个运动物体同时具备线性运动和旋转运动的时候，利用结构光束照射将同时产生线性多普勒频移和旋转多普勒频移。光束产生的总频移Δf是二者的线性叠加，可表示为：

上式中Δf_⊥表示垂直于光束传播方向的截面内旋转运动产生的频移，Δf_||表示平行于光束传播方向的线性运动产生的频移，c和f分别表示探测光束的速度和频率，v₀表示物体的线性运动速度，l是涡旋光拓扑荷数，Ω表示物体转速，π是圆周率。

实际测量中，由于光波的频率过高而无法直接测量，一般都采用拍频检测法来测量光束的频率改变量Δf。正因如此，物体的线性运动频移和旋转运动频移糅杂在一起而十分难以区分。

倍频晶体是一种特殊的非线性晶体，光束在透过该晶体之后，频率会发生加倍而波长减半。根据这一作用，实际测量中分别在有无倍频晶体的情况下进行两侧物体运动的测量，由线性运动产生的频移将会发生改变，而旋转运动产生的频移则不受影响。当采用叠加态涡旋光在分别有无倍频晶体情况下照射运动物体时，两次测量分别产生的频移可以表示为：

式中f₁和f₂分别表示加装倍频晶体前后光束的频率，增加倍频晶体后会使光束的频率增加一倍而波长减半，故f₁和f₂之间的关系为f₁＝2f₂＝f。

根据式(5)，实际中测得两次频移值之后，即可得到物体的线性运动速度为v₀＝c(Δf₁-Δf₂)/f，旋转运动速度为Ω＝π(2Δf₂-Δf₁)/l。由此，便分别得到了物体线性运动速度和旋转运动速度，实现了复合运动速度的解耦。

(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＞ (6)

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，t表示时间，

(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，无需过多的学元器件。

(2)本装置可同时探测物体的线性运动和旋转运动。根据设计原理可以看出，本装置充分利用不同频率涡旋光对旋转运动和线性运动响应的差异性，实现了对复合运动的解耦，同时适用于线性运动、旋转运动和线性旋转复合运动物体的运动状态测量。

(3)本装置适用于高速旋转等极端条件依然适用，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，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为空间光调制器加载的全息图及产生的光强分布；

图4为拓扑荷数为18时的信号结果图；

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，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透过分光棱镜(5)之后照射在加载有特定全息图的空间光调制器(6)上，加载的全息图示例及产生对应的涡旋光斑如图3所示。

随后，从空间光调制器上的出射光经过反射镜(7)反射后穿过由两个凸透镜和一个空间光阑组成的4f滤波系统，筛选出一级衍射光。随后将光束照射在旋转加直线平移复合运动的物体表面，通过凸透镜(12)收集散射光束照射在光电探测器(13)上，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。

此时我们可以得到一组由物体复合运动而引起的频移值Δf₁。最后，将倍频晶体(11)放入光路中，出射涡旋光的频率将会实现加倍，此时再利用上述方法对散射光信号进行采集分析，得出此时的频移值Δf₂。

根据两次测得的频移量，依据公式v＝c(Δf₁-Δf₂)/f和Ω＝π(2Δf₂-Δf₁)/l便可分别计算出物体的直线运动速度v和旋转运动速度Ω，其中c和f表示光速和光源频率，π为圆周率，l是涡旋光拓扑荷数，Δf₁和Δf₂分别是两次测得的调制频率。

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 (2)

1.一种基于涡旋光倍频变换的物体复合运动探测装置，可实现线性与自旋复合运动物体的线速度与角速度探测，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)、分光棱镜(5)、空间光调制器(6)、平面反射镜(7)、凸透镜1(8)、针孔光阑(9)、凸透镜2(10)、倍频晶体(11)、凸透镜3(12)、光电探测器(13)、频谱分析示波器(14)；其特征在于，经平凸透镜1(3)、平凸透镜2(4)组成的透镜组对激光进行扩束准直后照射空间光调制器产生叠加态涡旋光，再利用由针孔光阑(9)和凸透镜1(8)、凸透镜2(10)组成的4f滤波系统筛选出一级衍射光，将其透射倍频晶体(11)实现光束倍频，再将倍频光束照在物体表面，通过分析物体表面散射光强度变化信息，得到光束调制频率Δf₁；去掉倍频晶体重复测量得到调制频率Δf₂，根据两次频率值及多普勒频移线性叠加原理，得到物体线速度为v＝c(Δf₁-Δf₂)/f，旋转速度为Ω＝π(2Δf₂-Δf₁)/l，其中c和f表示光速和光源频率，π为圆周率，l是涡旋光拓扑荷数。

2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光倍频变换的物体复合运动探测装置，其特征在于改变涡旋光频率测出两组不同的多普勒频移信号，从而可以分别得出物体线速度和角速度；装置中所用到的倍频晶体是可以将探测光频率加倍的非线性光学材料，这种非线性光学材料能改变探测光频率进而实现线性与旋转运动的解耦测量。

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