CN110836978A - 一种基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统 - Google Patents

一种基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明的基于马赫‑泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，包括激光光源、第一偏和第二偏振分束镜、分光棱镜、螺旋相位片、四分之一波片和光电探测器，信号光经螺旋相位片转化为涡旋光，涡旋光经四分之一波片后垂直照射于待测旋转体上，反射后相对于初始涡旋光发生90°旋转；第二偏振分束镜透射的参考光与其反射的信号光汇成一路光束，照射于偏振片上，信号光和参考光经偏振片后偏振方向同向，照射于分光棱镜上。本发明的旋转体角速度光学测量系统，可调节经信号光与参考光的光强比，以使发生干涉时的参考光与信号光的光强比相等，发生干涉时信号光与参考光的光强相等，使得光电探测器获得最大的差频信号，保证了旋转体转动角速度的测量精度。

Description

一种基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统
技术领域
本发明涉及一种旋转体角速度光学测量系统，更具体的说，尤其涉及一种基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统。
背景技术
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。当一束具有轨道角动量的涡旋光沿旋转轴垂直照射到粗糙的旋转体表面时，会出现频移现象，称为旋转多普勒频移。利用旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。
通常，用于多普勒频移的光波频率极高，在1014Hz左右，常见的光电探测器件不能直接响应这么高的频率。光学外差检测是一种通用的激光多普勒检测技术。当来自同一个相干光源的两束光波按一定的条件投射到光检测器表面时，通过光电转换的平方率效应能得到它们之间的频差。这个频差就是所需要的多普勒频移。
线性多普勒频移光学外差检测的光学布置有几种基本模式：参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。对于横向多普勒效应而言，一方面信号光和参考光至少有一路需要是涡旋光；另一方面，由于待测物体的旋转对称性，信号光要与待测物的旋转轴平行。所以，线性多普勒频移光学外差检测的这几种模式皆不适用于横向多普勒频移检测。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统。
本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，包括激光光源、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、分光棱镜、螺旋相位片、四分之一波片和光电探测器，激光光源用于产生线偏振激光，激光经半波片旋转偏振方向后照射于第一偏振分束镜上，激光经第一偏振分束镜后的透射光和反射光分别作为信号光和参考光；其特征在于：信号光经螺旋相位片转化为角量子数为l的线偏振涡旋光，涡旋光照射于第二偏振分束镜上，第二偏振分束镜实现对照射于其上涡旋光的完全透射，第二偏振分束镜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；照射于待测旋转体上的涡旋光被反射后再次经过四分之一波片，涡旋光的偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，旋转后的涡旋光照射于第二偏振分束镜上，第二偏振分束镜使得旋转方向后的涡旋光发生全反射；
第一偏振分束镜与第二偏振分束镜之间设置有旋光片，第二偏振分束镜与分光棱镜之间设置有偏振片；第一偏振分束镜反射形成的参考光经旋光片旋转偏振方向后照射于第二偏振分束镜上，第二偏振分束镜使照射于其上的参考光全部透射；第二偏振分束镜透射的参考光与其反射的信号光汇成一路光束，照射于偏振片上，信号光和参考光经偏振片后偏振方向同向，照射于分光棱镜上；偏振方向相同的信号光与参考光发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。
本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，激光光源与半波片之间设置有扩束镜，激光光源发出的激光经扩束镜的扩束后照射于半波片上；第一偏振分束镜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。
本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，分光棱镜反射的信号光与参考光的干涉光信号经第一会聚透镜的会聚后照射于第一光电探测器上，分光棱镜透射的干涉光信号经第二会聚透镜的会聚后照射于第二光电探测器上。
本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，所述半波片、旋光片和偏振片均可进行转动调节，旋光片使照射于其上的参考光的偏振方向发生90°旋转，偏振片使照射于其上的参考光和信号光的偏振方向相同。
本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，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：
Figure BDA0002294468970000031
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：本发明的旋转体角速度光学测量系统，激光光源产生的激光经半波片旋转偏振方向后照射于第一偏振分束镜上，产生的透射光和反射光分别作为信号光和参考光，信号光经直角棱镜两次全反射，以反向平行光的方式经螺旋相位片转化为涡旋光依次经第二偏振分束镜、四分之一波片照射于待测旋转体上，经待测旋转体反射的涡旋光再次经过四分之一波片后偏振方向发生90°旋转；参考光经旋光片改变偏振方向后与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偏振片使其偏振相同以发生光外差干涉，发生干涉的信号光与参考光的差频信号被光电探测器检测出来，进而实现对旋转体转动角速度的测量。
本发明的旋转体角速度光学测量系统，通过转动半波片，可调节经第一偏振分束镜透射和反射所形成的信号光与参考光的光强比，以使发生干涉时的参考光与信号光的光强比相等，通过转动旋光片可使参考光的偏振方向发生90°旋转，以使参考光完全透过第二偏振分束镜；发生干涉时信号光与参考光的光强相等，使得光电探测器获得最大的差频信号，保证了旋转体转动角速度的测量精度。
附图说明
图1为本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统的原理图。
图中：1激光光源，2全反射镜，3扩束镜，4半波片，5第一偏振分束镜，6直角棱镜，7螺旋相位片，8第二偏振分束镜，9四分之一波片，10待测旋转体，11旋光片，12偏振片，13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，给出了本发明的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统的原理图，其由激光光源1、全反射镜2、扩束镜4、第一偏振分束镜5、直角棱镜6、螺旋相位片7、第二偏振分束镜8、四分之一波片9、旋光片11、偏振片12、分光棱镜13、第一会聚透镜14、第二会聚透镜15、第一光电探测器16以及第二光电探测器17组成，激光光源1用于产生线偏振激光，所有同一方向上的光学元件共轴。激光光源1至第一偏振分束镜5之间依次设置有全反射镜2、扩束镜3和半波片4，激光光源1发出的激光经全反射镜2的反射后，再经扩束镜3进行扩束，扩束后的激光经半波片4旋转偏振方向后，照射于第一偏振分束镜5上，激光照射于第一偏振分束镜5上的透射光和反射光分别作为信号光和参考光。通过转动半波片4来调节激光的偏振方向，可对激光经第一偏振分束镜5所产生的信号光与参考光的光强比进行调节，以使最终发生干涉时的信号光与参考光的光强相等。
螺旋相位片7位于直角棱镜6与第二偏振分束镜8之间，四分之一波片9位于第二偏振分束镜8与待测旋转体10之间，激光经第一偏振分束镜5透射形成的信号光为P偏振光，信号光经直角棱镜6两次全反射后，以反向平行光的方式照射于螺旋相位片7上。螺旋相位片7将照射于其上的线偏振光转化为角量子数为l的涡旋光，涡旋光照射于第二偏振分束镜8上，第二偏振分束镜8的放置满足：将照射于其上的线偏振涡旋光完全透射。涡旋信号光完全透射第二偏振分束镜8后，再透过四分之一波片9垂直照射于待测旋转体10上，涡旋光经待测旋转体10反射再次通过四分之一波片9，涡旋光的偏振方向相对于初始涡旋光会发生90°旋转，即由P偏振光转化为S偏振光，S偏振涡旋光再次照射于第二偏振分束镜8上时，会发生全反射。
第一偏振分束镜5与第二偏振分束镜8之间设置有旋光片11，第二偏振分束镜8与分光棱镜13之间设置有偏振片12。激光经第一偏振分束镜5反射形成的参考光为S偏振光，S偏振光经旋光片11旋转90°，变为P偏振光，P偏振光照射于第二偏振分束镜9上时亦发生完全透射。
第二偏振分束镜8完全透射的参考光，与经其反射的涡旋信号光汇成一路光束，又由于汇成一路光束的参考光为P偏振光、信号光为S偏振光，偏振方向相互垂直的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偏振片12上，偏振片12使信号光与参考光的偏振方向变为一致，偏振方向一致的信号光与参考光发生干涉。为了使干涉条纹衬比度最佳，在第二偏振分束镜8透射的参考光与其反射的信号光的光强相等的条件下，偏振片12对信号光与参考光的偏振方向均进行45°旋转，使信号光与参考光的振动方向一致且光强相等，以获得最佳干涉效果。
信号光与参考光发生光外差干涉后，照射于分光棱镜13上，照射于分光棱镜13上的干涉光束的反射光经第一会聚透镜14的会聚后照射于第一光电探测器16上，透射光经第二会聚透镜15的会聚后照射于第二光电探测器17上，为了使第一光电探测器16和第二光电探测器17获得的干涉光信号完全相同，分光棱镜13的分束比为1:1。这样，第一光电探测器16和第二光电探测器17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：
Figure BDA0002294468970000051
由公式(1)可得：
Figure BDA0002294468970000052
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。

Claims (5)

1.一种基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，包括激光光源(1)、第一偏振分束镜(5)、第二偏振分束镜(8)、分光棱镜(13)、螺旋相位片(7)、四分之一波片(9)和光电探测器，激光光源用于产生线偏振激光，激光经半波片旋转偏振方向后照射于第一偏振分束镜上，激光经第一偏振分束镜后的透射光和反射光分别作为信号光和参考光；其特征在于：信号光经螺旋相位片(7)转化为角量子数为l的线偏振涡旋光，涡旋光照射于第二偏振分束镜(8)上，第二偏振分束镜实现对照射于其上涡旋光的完全透射，第二偏振分束镜透射的涡旋光经四分之一波片(9)后垂直照射于待测旋转体(10)上；照射于待测旋转体上的涡旋光被反射后再次经过四分之一波片，涡旋光的偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，旋转后的涡旋光照射于第二偏振分束镜(8)上，第二偏振分束镜使得旋转方向后的涡旋光发生全反射；
第一偏振分束镜与第二偏振分束镜之间设置有旋光片(11)，第二偏振分束镜与分光棱镜(13)之间设置有偏振片(12)；第一偏振分束镜反射形成的参考光经旋光片(11)旋转偏振方向后照射于第二偏振分束镜上，第二偏振分束镜使照射于其上的参考光全部透射；第二偏振分束镜透射的参考光与其反射的信号光汇成一路光束，照射于偏振片(12)上，信号光和参考光经偏振片后偏振方向同向，照射于分光棱镜(13)上；偏振方向相同的信号光与参考光发生光外差干涉，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所述的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，其特征在于：激光光源(1)与半波片(4)之间设置有扩束镜(3)，激光光源发出的激光经扩束镜的扩束后照射于半波片上；第一偏振分束镜(5)与螺旋相位片(7)之间设置有直角棱镜(6)，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所述的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，其特征在于：光电探测器包括第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)，分光棱镜(13)反射的信号光与参考光的干涉光信号经第一会聚透镜(14)的会聚后照射于第一光电探测器(16)上，分光棱镜透射的干涉光信号经第二会聚透镜的会聚后照射于第二光电探测器(17)上。
4.根据权利要求1或2所述的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，其特征在于：所述半波片(4)、旋光片(11)和偏振片(12)均可进行转动调节，旋光片使照射于其上的参考光的偏振方向发生90°旋转，偏振片使照射于其上的参考光和信号光的偏振方向相同。
5.根据权利要求3所述的基于马赫-泽德干涉的旋转体角速度光学测量系统，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(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：
Figure FDA0002294468960000021
由公式(1)可得：
Figure FDA0002294468960000022
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。
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