CN110836979B - 可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜和光电探测器，第一分光棱镜反射和透射的激光分别作为信号光和参考光，信号光经第二半波片旋转偏振方向后，再经螺旋相位片产生线偏振涡旋光照射于偏振分束镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。本发明的角速度测量系统，利用第一半、第二半波片和偏振片对信号光、参考光的偏振方向和光强进行控制，以使信号光和参考光发生干涉时的光强相等或基本相等，即此时光的干涉最强，使得光电探测器获取的差频信号最强。
Description
技术领域
本发明涉及一种角速度测量系统，更具体的说，尤其涉及一种利用了涡旋光横向多普勒频移效应和光外差探测法的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统。
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。涡旋光的相位含有方位角项
其中l为涡旋光的角量子数，
为方位角。涡旋光螺旋形的等相位波面，使其坡印廷矢量方向与光轴成一夹角α，α的大小与角量子数l成正比。
早在1842年，奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(ChristianJohann Doppler)便提出多普勒效应这一概念。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)；在运动的波源后面时，波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。线性多普勒效应，要求物体的运动方向与波的传播方向不能垂直。
进入21世纪，人们对光学涡旋的认识达到了新的高度。与线性多普勒效应不同的是，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，同样出现频移现象，称为旋转多普勒频移。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。
产生携带轨道角动量的涡旋光束，有很多种方法。在实验阶段，大多是利用空间光调制器(SLM)中的计算全息图反射，产生具有±l的两个纠缠态的涡旋光进行差分频移检测。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。另外，利用两个纠缠态的涡旋光不需要单独设置信号光和参考光干涉光路，而且由于散射比率相同，两束光干涉光强比接近于1，有利于差分信号的输出。但是SLM高昂的价格、复杂的控制系统及严格的光路共轴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，有利于光路搭建。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。螺旋相位片虽然不能灵活设置涡旋光束的角量子数，但对某一特定光源来说，固定的角量子数不影响其对某一旋转体角速度的测量。利用螺旋相位片测量旋转角速度，缺点也很明显，经旋转体散射的信号光与参考光不共路，两束光的光强相差较大，不利于差分信号的输出，甚至检测不到。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统。
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜和光电探测器，激光光源与第一分光棱镜之间设置有第一半波片，第一分光棱镜与偏振分束镜之间依次设置有第二半波片和螺旋相位片，偏振分束镜与待测旋转物体之间设置有四分之一波片；第一分光棱镜与第二分光棱镜之间设置有偏振片；其特征在于：激光光源发出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，第一分光棱镜反射和透射的激光分别作为信号光和参考光，信号光经第二半波片旋转偏振方向后，再经螺旋相位片产生线偏振涡旋光照射于偏振分束镜上，偏振分束镜将照射于其上的涡旋光进行全反射；
经偏振分束镜反射的涡旋光经四分之一波片后照射于待测旋转物体上，经待测旋转物体反射的涡旋光再次经过四分之一波片后，光束的偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，发生90°旋转的涡旋光经偏振分束镜透射后照射于第二分光棱镜上；参考光经偏振片的旋转和光强调节后，光强被衰减且偏振方向与信号光相同，照射于第二分光棱镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号；
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，所述激光光源与第一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第一半波片上。
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，所述四分之一波片与待测旋转物体之间设置有第二全反射镜，透过四分之一波片的涡旋光经第二全反射镜的反射后照射于待测旋转物体上，待测旋转物体反射的涡旋光经第二全反射镜的反射后透过四分之一波片。
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，照射于第二分光棱镜上的参考光的透射光与照射于第二分光棱镜上的信号光的反射光经第一会聚透镜的会聚后照射于第一光电探测器上；照射于第二分光棱镜上的参考光的反射光与照射于第二分光棱镜上的信号光的透射光经第二会聚透镜的会聚后照射于第二光电探测器上。
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，所述第一半波片、第二半波片和偏振片均可进行转动调节，以改变激光的偏振方向。
本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，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：
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：本发明的角速度测量系统，激光光源发出的激光首先经第一半波片旋转偏振方向，然后经第一分光棱镜的反射光、透射光分别作为信号光和参考光，信号光依次经半波片、螺旋相位片后，形成涡旋光作为信号光，涡旋光经四分之一波片照射于待测旋转物体上，并且两次经过四分之一波片，偏振方向发生90度旋转，参考光经偏振片后其偏振方向与偏振片的透振方向一致，光强得到衰减；信号光与参考光经过第二分光棱镜的反射和透射后，发生干涉，由于待测旋转物体的旋转所导致的信号光的频移现象，会被光电探测器以差频信号的形式检测出来，根据获取的差频信号求出待测旋转物体的角速度。
本发明的角速度测量系统，利用涡旋光照射于旋转物体的表面时会出现频移现象的原理，利用第一半波片、第二半波片和偏振片对信号光、参考光的偏振方向和光强进行控制，以使信号光和参考光发生干涉时的光强相等或基本相等，即此时光的干涉最强，使得光电探测器获取的差频信号最强，以获得最为精确的待测旋转物体的角速度值。
附图说明
图1为本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统的结构示意图。
图中：1激光光源，2扩束镜，3第一半波片，4第一分光棱镜，5第一全反射镜，6偏振片，7第二半波片，8螺旋相位片，9偏振分束镜，10四分之一波片，11第二全反射镜，12待测旋转物体，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，给出了本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统的结构示意图，其由激光光源1、扩束镜2、第一半波片3、第一分光棱镜4、第二半波片7、螺旋相位片8、偏振分束镜9、四分之一波片10、第二全反射镜11、待测旋转物体12、第二分光棱镜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，所有同一方向上的光学元件中心共轴。激光光源1用于产生线偏振光，产生的线偏振光首先经扩束镜2扩束后，再经第一半波片3旋转偏振方向，旋转偏振方向后的激光经第一分光棱镜4进行分光，透射光作为参考光，反射光作为信号光；第一分光棱镜4的透射与反射比可选为1:1，即透射光与反射光的光强比为1:1。
第一分光棱镜4反射形成的信号光首先经第二半波片7旋转偏振方向(图中所示为S偏振光)，然后再经螺旋相位片8转换为涡旋光，涡旋光的角量子数为l，入射到偏振分束镜9上后，S偏振光被全反射；偏振分束镜9对涡旋光发生全反射的条件，可以通过转动第二半波片7来实现，通过转动第二半波片7，使透过第二半波片7的线偏振光的偏振态为S偏振。
涡旋光经偏振分束镜9反射后，第一次通过四分之一波片10后照射于第二全反射镜11上，经第二全反射镜11的全反射后照射于待测旋转物体12上，涡旋光照射于旋转体表面时，会出现频移现象，会使涡旋光的频率发生细微的变化。待测旋转物体12反射的涡旋光经第二全反射镜11的反射后，再次通过四分之一波片10后偏振方向会发生90°的旋转，成为P偏振光，P偏振光照射于偏振分束镜9上时，被透射到第二分光棱镜13上。
经第一分光棱镜4透射的参考光经第一全反射镜5反射，第一光电探测器16和第二光电探测器17分别对第一会聚透镜14和第二会聚透镜15会聚的光束信号进行检测。参考光经偏振片6后成为S偏振，使得参考光的偏振方向与经偏振分束镜9透射的涡旋光的偏振方向一致，这样，偏振分束镜9透射的信号光经第二分光棱镜13的反射光，与参考光经第二分光棱镜13的透射光发生干涉并经第一会聚透镜14会聚，干涉产生的差频信号被第一光电探测器16检测到。偏振分束镜9透射的信号光经第二分光棱镜13透射的光，与参考光经第二分光棱镜13反射的光发生干涉，并经第二会聚透镜15会聚，干涉产生的差频信号被第二光电探测器17检测到。在第二分光棱镜13的分束比为1：1的条件下，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。
为了使参考光与信号光干涉产生的差频信号最强，除了要求相干光的偏振方向一致外，还要使信号光与参考光的光强相近，提高干涉衬比度。由于待测旋转物体12表面为一定粗糙度表面时，光的散射也会使涡旋光发生损失，这样，即使第一分光棱镜4的透射光与反射光的光强比为1:1，而经第二分光棱镜13后参考光与涡旋信号光的光强比也不会是1:1，信号光的光强要小于参考光。因此，为了使参考光与涡旋信号光的光强相等或接近相等，需要对信号光与参考光的光强进行调节；第一半波片3、第二半波片7和偏振片6均可进行旋转调节，通过第二半波片7控制信号光的光强，通过偏振片6控制参考光的光强，偏振片6调整光束偏振方向的同时，与第一半波片3和第二半波片7配合，协同控制信号光和参考光的光强比，提高干涉条纹衬比度。
设螺旋相位片8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。
Claims (5)
1.一种可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，包括激光光源(1)、第一分光棱镜(4)、偏振分束镜(9)、第二分光棱镜(13)和光电探测器，激光光源与第一分光棱镜之间设置有第一半波片(3)，第一分光棱镜与偏振分束镜之间依次设置有第二半波片(7)和螺旋相位片(8)，偏振分束镜与待测旋转物体之间设置有四分之一波片(10)；第一分光棱镜(4)与第二分光棱镜(13)之间设置有偏振片(6)；其特征在于：激光光源发出的激光经第一半波片(3)旋转偏振方向后照射于第一分光棱镜(4)上，第一分光棱镜反射和透射的激光分别作为信号光和参考光，信号光经第二半波片(7)旋转偏振方向后，再经螺旋相位片(8)产生线偏振涡旋光照射于偏振分束镜(9)上，偏振分束镜将照射于其上的涡旋光进行全反射；
经偏振分束镜(9)反射的涡旋光经四分之一波片(10)后照射于待测旋转物体(12)上，经待测旋转物体反射的涡旋光再次经过四分之一波片(10)后，光束的偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，发生90°旋转的涡旋光经偏振分束镜(9)透射后照射于第二分光棱镜(13)上；参考光经偏振片(6)的旋转和光强调节后，光强被衰减且偏振方向与信号光相同，照射于第二分光棱镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号；所述第一半波片(3)、第二半波片(7)和偏振片(6)均可进行转动调节，以改变激光的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，其特征在于：所述激光光源(1)与第一半波片(3)之间设置有扩束镜(2)，激光光源发出的激光经扩束镜的扩束后照射于第一半波片(3)上。
3.根据权利要求1或2所述的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，其特征在于：所述四分之一波片(10)与待测旋转物体(12)之间设置有第二全反射镜(11)，透过四分之一波片的涡旋光经第二全反射镜的反射后照射于待测旋转物体(12)上，待测旋转物体反射的涡旋光经第二全反射镜的反射后透过四分之一波片。
4.根据权利要求1或2所述的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，其特征在于：所述光电探测器包括第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)，照射于第二分光棱镜(13)上的参考光的透射光与照射于第二分光棱镜(13)上的信号光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；照射于第二分光棱镜(13)上的参考光的反射光与照射于第二分光棱镜(13)上的信号光的透射光经第二会聚透镜(14)的会聚后照射于第二光电探测器(17)上。
5.根据权利要求4所述的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，其特征在于：设螺旋相位片(8)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，Ω为待测旋转物体的角速度。
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| CN110836979A (zh) | 2020-02-25 |
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