CN110824187B - 一种用于角速度测量的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明的用于角速度测量的光学系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜、螺旋相位片和四分之一波片，经第一分光棱镜后的透射光和反射光分别形成信号光和参考光；螺旋相位片将信号光转化为涡旋光，偏振分束镜完全透射的参考光与偏振分束镜完全反射的涡旋信号光汇成一路光束，汇成一路光束的信号光与参考光经第二偏振片后偏振方向相同，并发生光外差干涉。本发明的用于角速度测量的光学系统，通过转动第一半波片，可对透过第二半波片之后的信号光与透过第一偏振片之后的参考光的光强比进行调节，以使汇成一束的涡旋信号光与参考光的光强比相等，此时干涉衬比度最大，光电探测器所检测到的差分电信号信噪比最高。

Description

一种用于角速度测量的光学系统

技术领域

本发明涉及一种用于角速度测量的光学系统，更具体的说，尤其涉及一种利用涡旋光照射于旋转物体上的频移现象来实现角速度测量的光学系统。

背景技术

涡旋是自然界最常见的现象之一，普遍存在于水、云和气旋等经典宏观系统。大量理论和实验证实，光波场中也存在涡旋。涡旋光是一种具有螺旋形波前结构的奇异光，其光束中心具有相位奇点，使其横截面光强呈环状中空分布。涡旋光作为波动的一种形式，具有由于螺旋形的相位结构而产生的轨道角动量。1992年，英国物理学家Allen教授最早证实涡旋光的轨道角动量具有量子特性，每一个光子携带lh的角动量。

如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动时也具有多普勒效应。光的传播方向与待测物体的速度方向不能垂直，因此也称为线性多普勒效应。2013年，英国学者Martin P.J.Lavery和西班牙学者Camelo Rosales-Guzman几乎在同一时间首次分别从实验上证实涡旋光的旋转多普勒效应，并将之用于测量角速度。两个研究小组都利用空间光调制器(SLM)产生涡旋光进行旋转多普勒测速。国内北京理工大学、西安交通大学等研究小组亦采用相似的方法产生涡旋光。

利用SLM法只需通过计算机控制显示在SLM上的全息图，就能够控制产生光学涡旋的位置、大小以及角量子数，具有较高的灵活性。但是SLM高昂的价格、复杂的控制系统及反射式工作方式等不利因素限制其进一步的推广应用。另外一种常见方法是利用螺旋相位板产生涡旋光束。螺旋相位板采用透射式工作方式，转换效率高，透射光传播方向不发生偏折。与SLM相比，体积更小，结构更简单，通过设计有望进一步缩小整个测量系统所占空间。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种用于角速度测量的光学系统。

本发明的用于角速度测量的光学系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜、螺旋相位片和四分之一波片，激光光源与第一分光棱镜之间设置有第一半波片，激光光源用于产生线偏振激光，激光光源产生的激光经第一半波片旋转偏振方向后照射于第一分光棱镜上，经第一分光棱镜后的透射光和反射光分别形成信号光和参考光；其特征在于：第一分光棱镜与螺旋相位片之间设置有第二半波片，第一分光棱镜与偏振分束镜之间设置有第一偏振片，偏振分束镜与第二分光棱镜之间设置有第二偏振片；第一分光棱镜透射的信号光经第二半波片旋转偏振方向后照射于螺旋相位片上，螺旋相位片将信号光转化为角量子数为l的涡旋光；螺旋相位片转化的涡旋光照射于偏振分束镜上，偏振分束镜使照射于其上的涡旋光完全透射，完全透射的涡旋光经四分之一波片后垂直照射于待测旋转体上，涡旋光经待测旋转体反射再次经过四分之一波片，其偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，旋转后的涡旋光照射于偏振分束镜被全反射；

第一分光棱镜反射形成的参考光经第一偏振片改变偏振方向，并被调整光强后，照射于偏振分束镜上，照射于偏振分束镜上的参考光发生完全透射；偏振分束镜完全透射的参考光与偏振分束镜完全反射的涡旋信号光汇成一路光束，汇成一路光束的信号光与参考光经第二偏振片后偏振方向相同，并发生光外差干涉，发生干涉的光束照射于第二分光棱镜上，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。

本发明的用于角速度测量的光学系统，所述激光光源至第一半波片之间依次设置有全反射镜和扩束镜，激光光源发出的线偏振激光经全反射镜反射后照射于扩束镜上，扩束镜实现对激光的扩束；第二半波片与螺旋相位片之间设置有直角棱镜，从直角棱镜入射和出射的信号光，传播方向相反，且严格平行。

本发明的用于角速度测量的光学系统，所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，信号光与参考光经第二偏振片转化为相同的偏振方向并发生干涉，发生干涉的光束照射于第二分光棱镜上的透射光，经第一会聚透镜的会聚后照射于第一光电探测器上，第二分光棱镜的反射光经第二会聚透镜的会聚后照射于第二光电探测器上。

本发明的用于角速度测量的光学系统，所述第一半波片、第二半波片、第一偏振片和第二偏振片均可转动调节。

本发明的用于角速度测量的光学系统，设螺旋相位片的角量子数为l，通过第一光电探测器和第二光电探测器滤除随机噪声后获得的差频信号为Δf,则满足：

由公式(1)可得：

其中，l为螺旋相位片的角量子数，Δf为探测器测得的差频信号频率。

本发明的有益效果是：本发明的用于角速度测量的光学系统，激光光源产生的线偏振激光经第一半波片旋转偏振方向后，再经第一分光棱镜分束为信号光和参考光，信号光经第二半波片旋转偏振方向，再经螺旋相位片转化为涡旋光，涡旋光经四分之一波片照射于待测旋转体上，涡旋光反射后再次经过四分之一波片使得涡旋光的偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，旋转后的涡旋光经偏振分束镜全反射后与参考光汇成一路光束，汇成一路光束的信号光与参考光经第二偏振片旋转至相同的偏振方向，进而发生干涉，光电探测器通过检测信号光与参考光的差频信号来实现对旋转体角速度的测量。

本发明的用于角速度测量的光学系统，在第一分光棱镜分束比一定的情况下，通过转动第一半波片，可对透过第二半波片之后的信号光与透过第一偏振片之后的参考光的光强比进行调节，以使汇成一束的涡旋信号光与参考光的光强比相等，亦使最终发生干涉的信号光与参考光的光强比为1:1，参考光与信号光偏振方向相同、光强相等，此时干涉衬比度最大，光电探测器所检测到的差分电信号信噪比最高。

附图说明

图1为本发明的用于角速度测量的光学系统的原理图。

图中：1激光光源，2全反射镜，3扩束镜，4第一半波片，5第一分光棱镜，6第二半波片，7直角棱镜，8螺旋相位片，9偏振分束镜，10四分之一波片，11待测旋转体，12第一偏振片，13第二偏振片，14第二分光棱镜，15第一会聚透镜，16第二会聚透镜，17第一光电探测器，18第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的用于角速度测量的光学系统的原理图，其由激光光源1、全反射镜2、扩束镜3、第一半波片4、第一分光棱镜5、第二半波片6、直角棱镜7、螺旋相位片8、偏振分束镜9、四分之一波片10、第一偏振片12、第二偏振片13、第二分光棱镜14、第一会聚透镜15、第二会聚透镜16、第一光电探测器17以及第二光电探测器18组成，所有同一方向上的光学元件中心共轴。全反射镜2、扩束镜3和第一半波片4依次设置于激光光源1至第一分光棱镜5之间，激光光源1发出线偏振激光，激光光源1发出的线偏振激光经全反射镜2的反射后，再经扩束镜3的扩束，然后照射于第一半波片4上，第一半波片4旋转激光的偏振方向，旋转偏振方向后的激光照射于第一分光棱镜5上，激光经第一分光棱镜5的透射光和反射光分别作为信号光和参考光，第一分光棱镜5的分束比可选为1：1。

第二半波片6位于第一分光棱镜5与直角棱镜7之间，螺旋相位片8位于直角棱镜7与偏振分束镜9之间，四分之一波片10位于偏振分束镜9与待测旋转体11之间。第一分光棱镜5透射的信号光首先经第二半波片6旋转偏振方向，激光变为图中所示的P偏振光，P偏振信号光经过直角棱镜7的两次全反射，以反向平行光的方式照射于螺旋相位片8上，螺旋相位片8将线偏振信号光转化为角量子数为l的涡旋光，涡旋光照射于偏振分束镜9上。偏振分束镜9的放置方式满足将照射于其上的涡旋光全透射，全透射的涡旋光经四分之一波片5垂直照射于待测旋转体11上，待测旋转体11的转动会使涡旋光发生频移，涡旋光经待测旋转体11反射再次通过四分之一波片10后，会使涡旋光的偏振方向相对于初始涡旋光旋转后90°，即P偏振光转化为S偏振光，S偏振方向的涡旋光再次照射于偏振分束镜9上后，会发生全反射。

第一偏振片12设置于第一分光棱镜5与偏振分束镜9之间，第一分光棱镜5反射的参考光照射于第一偏振片12上，第一偏振片12使参考光的偏振方向发生旋转，使其转化为P偏振光，同时还使参考光的光强发生衰减。P偏振方向的参考光照射于偏振分束镜9上发生全透射，全透射的参考光与偏振分束镜9全反射的信号光汇成一路光束，此时，由于汇成一路光束的信号光与参考光的偏振方向垂直，信号光与参考光不会发生干涉。

信号光与参考光汇成一路光束后照射于第二偏振片13上，第二偏振片13使信号光与参考光的偏振方向转化为一致，信号光与参考光偏振方向转化为一致后，即可发生干涉。在汇成一路光束的信号光与参考光的光强相等的情况下，又由于其偏振方向相互垂直，此时第二偏振片13的透振方向处于与参考光和信号光的偏振方向夹角均为45°的位置，则通过第二偏振片13后的信号光与参考光不仅偏振方向相同，而且光强相等，此时信号光与参考光的衬比度最佳，干涉最明显，光电探测器所检测到的差分交流电信号振幅最强。

通过第二偏振片13后，信号光与参考光发生干涉并照射于第二分光棱镜14上，经第二分光棱镜14的反射光束，经第二会聚透镜16的会聚照射于第二光电探测器18上，经第二分光棱镜14的透射光束，经第一会聚透镜15的会聚照射于第一光电探测器17上。第二分光棱镜14的分束比为1:1，这样，第一光电探测器17和第二光电探测器18所检测的差频信号是等幅同相的，利用反相相减法可以滤除信号中的随机噪声，以获取精准的差频信号。

设螺旋相位片的角量子数为l，通过第一光电探测器16和第二光电探测器17滤除随机噪声后获得的差频信号为Δf,则满足：

由公式(1)可得：

其中，l为螺旋相位片的角量子数，Δf为探测器测得的差频信号频率。

在第一分光棱镜5的分束比为1：1的条件下，由于通过第二半波片6后的信号光为P偏振光，通过第一偏振片12后的参考光也为P偏振光，所以第一偏振片12的透振方向是确定的。由于涡旋光照射于待测旋转体11上并被散射回来，涡旋光存在一定的光强损失，因此，在第一分光棱镜5的分束比为1：1的情况下，如果不利用第一偏振片12对参考光进行衰减，参考光的光强会远大于信号光的光强；此时，应通过旋转第一半波片4来改变第一分光棱镜5所反射的参考光的偏振方向，来调节第一偏振片12对参考光的衰减，通过旋转半波片6增强信号光的光强，最终使发生干涉时信号光与参考光的光强相等。

Claims (5)

1.一种用于角速度测量的光学系统，包括激光光源(1)、第一分光棱镜(5)、偏振分束镜(9)、第二分光棱镜(14)、螺旋相位片(8)和四分之一波片(10)，激光光源与第一分光棱镜之间设置有第一半波片(4)，激光光源用于产生线偏振激光，激光光源产生的激光经第一半波片旋转偏振方向后照射于第一分光棱镜上，经第一分光棱镜后的透射光和反射光分别形成信号光和参考光；其特征在于：第一分光棱镜与螺旋相位片之间设置有第二半波片(6)，第一分光棱镜与偏振分束镜之间设置有第一偏振片(12)，偏振分束镜与第二分光棱镜之间设置有第二偏振片(13)；第一分光棱镜透射的信号光经第二半波片旋转偏振方向后照射于螺旋相位片(8)上，螺旋相位片将信号光转化为角量子数为l的涡旋光；螺旋相位片转化的涡旋光照射于偏振分束镜(9)上，偏振分束镜使照射于其上的涡旋光完全透射，完全透射的涡旋光经四分之一波片后垂直照射于待测旋转体(11)上，涡旋光经待测旋转体反射再次经过四分之一波片，其偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，旋转后的涡旋光照射于偏振分束镜(9)被全反射；

第一分光棱镜(5)反射形成的参考光经第一偏振片(12)改变偏振方向，并被调整光强后，照射于偏振分束镜(9)上，照射于偏振分束镜上的参考光被透射；偏振分束镜完全透射的参考光与偏振分束镜完全反射的涡旋信号光汇成一路光束，汇成一路光束的信号光与参考光经第二偏振片(13)后偏振方向相同，并发生光外差干涉，发生干涉的光束照射于第二分光棱镜上，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。

2.根据权利要求1所述的用于角速度测量的光学系统，其特征在于：所述激光光源(1)至第一半波片(4)之间依次设置有全反射镜(2)和扩束镜(3)，激光光源发出的线偏振激光经全反射镜反射后照射于扩束镜(3)上，扩束镜实现对激光的扩束；第二半波片(6)与螺旋相位片(8)之间设置有直角棱镜(7)，从直角棱镜入射和出射的信号光，传播方向相反，且严格平行。

3.根据权利要求1或2所述的用于角速度测量的光学系统，其特征在于：所述光电探测器包括第一光电探测器(17)和第二光电探测器(18)，信号光与参考光经第二偏振片(13)转化为相同的偏振方向并发生干涉，发生干涉的光束照射于第二分光棱镜(14)上的透射光，经第一会聚透镜(15)的会聚后照射于第一光电探测器(17)上，第二分光棱镜的反射光经第二会聚透镜(16)的会聚后照射于第二光电探测器(18)上。

4.根据权利要求1或2所述的用于角速度测量的光学系统，其特征在于：所述第一半波片(4)、第二半波片(6)、第一偏振片(12)和第二偏振片(13)均可转动调节。

5.根据权利要求3所述的用于角速度测量的光学系统，其特征在于：设螺旋相位片的角量子数为l，通过第一光电探测器(17)和第二光电探测器(18)滤除随机噪声后获得的差频信号为Δf,则满足：

由公式(1)可得：

其中，l为螺旋相位片的角量子数，Δf为探测器测得的差频信号频率。

Images