CN111458011B - 一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置 - Google Patents

一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置。它的主要部件包括激光器、偏振片、分光棱镜、螺旋相位板、凸透镜组、平面镜、光电探测器、微型示波器。首先，利用激光光源和螺旋相位板组合产生环状涡旋光束，经过透镜组对涡旋光进行扩束准直后照射于待测物体表面；其次，利用分光棱镜将物体表面散射回的光束与激光器分束而来的参考光束进行汇合拍频；最后，用光电探测器检测混合光束的光强信息并输入到示波器进行频谱分析。根据示波器显示的频移信号变化情况，可观测出旋转物体是否存在微小振动及其振动频率。本装置结构简单，特别是针对微小振动有较高的灵敏度。

Description

一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置
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、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光学多普勒效应。多普勒效应最早可追溯的1842年，自被发现以来如今已经在我们生活许多方面得到了运用。他的基本原理是当波源相对于接收装置做相向运动时，接收器接收到的波的频率将增大；当波源相对于接收装置做相反运动时，接收器接收到的频率将减小。这种相对运动速度越大则接收到的频率改变量也越大。
多普勒效应普遍存在于各类波形中，在声波中表现为当声源靠近人耳时，听到的声音因为频率增加而变得尖锐；当声波远离人耳时，听到的声音因为频率降低而变得低沉。在电磁波领域也同样存在，如今高速公路上采用的电磁波测速雷达也即采用的这一原理。在可见光频率范围内这一现象依然存在，但由于光频率较高，一旦速度较大则频率改变难以实现测量。经典光学频段内的多普勒效可由下式表示：
Figure GDA0003491029260000011
其中△f表示物体接收到的频率与光源发出频率之间的频率差，f0表示光源的频率，v表示物体与光源之间的相对运动速度，c表示介质中的光速。
当一束光具有螺旋形的横向相位分布时，其光束照射区域内就包含有轨道角动量(OAM)，这一概念最早由Allen等人于1992年提出。这种螺旋相位在柱坐标系下可由
Figure GDA0003491029260000021
来表示，其中
Figure GDA0003491029260000022
是角向坐标，l表示光束的拓扑荷数，可以理解为光束在一个波长的传播距离内相位由0到2π的跳变次数。这种光束的每个光子携带有
Figure GDA0003491029260000023
的OAM，这种螺旋形相位结构的光可以统称为涡旋光。一束涡旋光的数学表达可以简写如下：
Figure GDA0003491029260000024
其中E表示电场强度，A为振幅，f(r)可根据不同的光束特点来进行定义，例如拉盖尔-高斯函数或者贝塞尔函数等，涡旋光的光强分布如图3所示。
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特殊分布结构，波印廷矢量便可以分解为沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的两个分量。那么根据多普勒效应原理，涡旋光就同时具备了探测沿光束传播方向和垂直于光束传播方向内运动的能力。单一旋转运动则恰好是在光束传播截面内的运动，尤其是当光束传播方向与物体转轴相重合时，则旋转目标仅有光束截面内的运动。这种情况下物体表面任意散射点的多普勒效应可表示为：
Figure GDA0003491029260000025
式中c和f0分别表示电磁波在真空中的传播速度和频率。
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：针对机床转轴、发动机转子、涡轮叶片等高精度高速旋转物体而言，测量其轴向微振动是目前存在的一个难题，本发明设计了基于涡旋光多普勒效应的物体微振动测量装置，可有效探测旋转目标微振动，尤其是对于恒定转速目标。通过观测目标旋转多普勒频移的峰值变化，获取旋转振动目标时频图，即可有效获取旋转目标振动信息。本装置结构简单，体积小，可以集成化，无需复杂光学器件，在高灵敏度测量转动物体微振动方面有着广阔的应用前景。
本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜(BS)1(3)、螺旋相位片(4)、凸透镜1(5)、凸透镜2(6)、BS 2(7)、BS 3(8)、光电探测器(9)、平面反射镜(10)、频谱分析示波器(11)。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，接着分光棱镜(3)将激光分为两束，一束作为参考光射向平面反射镜(10)来调节方向以备用，另一束实验光束透过螺旋相位片(4)之后变为中空的涡旋光，其拓扑荷数大小可以由螺旋相位片来决定；接下来将涡旋光扩束准直之后透过分光棱镜2照射于待测旋转物体表面，从待测旋转物体表面散射回来的光束经分光棱镜2之后透过分光棱镜3与反射镜(10)过来的参考光束汇合，形成拍频信号；最后，利用光电探测器(9)收集散射光，并将电信号传递给频谱分析示波器进行频谱分析，通过示波器显示的时频信号便可以精确获取旋转目标的微振动信息。
本发明的原理是：
(1)复合运动的多普勒效应
普通平面光波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。对于涡旋光而言，其波线方向与光束传播方向之间有一定的夹角，在垂直光束传播方向上也具有分量，产生旋转多普勒频移；沿着其光束传播方向上产生线性多普勒频移，与经典线性多普勒频移大小相同。因此，一束涡旋光照射运动目标时，产生的频移量为线性多普勒频移和旋转多普勒频移的总和，可表示为：
Figure GDA0003491029260000041
式中f(θ)和
Figure GDA0003491029260000042
分别表示与角度有关的函数项。当涡旋光传播轴与物体转轴相重合时，
Figure GDA0003491029260000043
取1；当物体只有沿着涡旋光传播方向上的线性运动时，f(θ)取1。
若物体转动速度恒定，那么式(4)中的旋转多普勒频移项为一固定值，在频谱图中呈现唯一的一个峰值，在时频图中呈现为一亮度均匀的水平线，线性多普勒频移为零。此时，若物体存在沿着转轴方向的一个微小振动，那么就会引起线性多普勒频移，速度的往复会导致线性频移正负变化，从而使得频率信号左右移动，在时频图中表现为一个依据振动规律而变化的震荡信号，振动中心为旋转多普勒频移的大小。根据这一变化，从而可以实时获取旋转物体的振动信息。
由于探测光原频率和光速都为已知量，所以由物体振动引起的频率变化直接与物体的振动速度相关。在本发明中，物体振动引起的频移可表示为fz∝f(θ)vz·106，即在示波器为1Hz分辨率的条件下本方法的测量精度可达10-6m/s，从而实现了高灵敏度的振动测量。
(2)光束相干测量原理
从本专利装置图中可以看出，最终由光电探测器收集到的信号为未经物体调制的信号与原激光束混频叠加而来的信号，这种光信号在进入接收机之前接收端的本振光进行混频，产生一个等于本振光与信号光频率之差的信号的探测方式称作光束相干测量。其基本原理如下：
本振光和探测光的表达式为分别为
Figure GDA0003491029260000051
和
Figure GDA0003491029260000052
其中A0代表光强，w表示光波的角频率，t表示时间，
Figure GDA0003491029260000053
(k为波数，
Figure GDA0003491029260000054
为光束沿传播方向的距离，
Figure GDA0003491029260000055
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。实验光束经物体反射与探测光叠加后，在光电探测器处的光强可表示为：
Figure GDA0003491029260000056
激光的频率一般在1014量级，远远超出了光电探测器的响应频率，因此式(5)中的二倍频项将变为直流分量，而差频项根据其大小范围一般可落在光电探测器响应范围之内，故差频项的周期大小变化就体现在了光电探测器的信号中。
由于本振光和信号光原本就来自频率相同的一束光，只不过由于信号光经过与物体相互作用之后被调制而出现了频率变化，因此再次混合时出现了频差。这个频差往往与物体的运动情况直接相关，从而可以获取到物体的运动信息，这种利用光束相干，去掉共模部分、保留差模部分的探测方法在高频电侧波探测中广泛应用。
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。
(2)本装置在探测旋转物体振动时具有较高的灵敏度。根据设计原理可以看出，本装置利用涡旋光束的旋转与线性多普勒效应，通过相干测量可实现微米级的振动测量，具有很高的灵敏度。
(3)本装置适用于高速旋转等极端条件依然适用。本装置以光波作为探测介质，其传输距离远、测量速度快，不受温度、环境等因素的影响，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螺旋相位板结构示意图；
图3涡旋光光强截面分布、沿路径分布示意图；
图4包含有微振动的时频图；
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)产生波长为632.8nm的激光束，经过偏振片(2)后变为水平偏振光，随后被分光棱镜(3)分为两束，一束作为探测光投射螺旋相位板(4)，另外一束作为本振光照向平面反射镜(10)，螺旋相位板的基本结构如图2所示。
透过螺旋相位板(4)后的光束变为特定拓扑荷数的涡旋光，透镜组(5)和(6)对涡旋光束进行扩束准直，随后穿过分光棱镜(7)照射向待测旋转物体，经过微振动物体表面反射回来的光束被棱镜(7)反射后透过分光棱镜(8)，最后与本振光进行相干混合。
相干混频后的光束被光电探测器(9)所接收，随后将转换后的电信号传递给频谱分析示波器(11)。若物体稳定旋转无振动，那么在示波器(11)上出现的就是稳定的一个频率峰值f0，f0的大小为lω/2π，其中l为螺旋相位板的周期，π为圆周率，ω为当物体存在微振动时，那么示波器上的频率峰将会在(f0-△f1,f0+△f2)之间来回摆动，频率峰值摆动频率与物体微振动频率相对应。通过统计在一段时间内频率峰值摆动次数，便可以得知物体微振动的频率。
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)

1.一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜1(3)、螺旋相位片(4)、凸透镜1(5)、凸透镜2(6)、分光棱镜2(7)、分光棱镜3(8)、光电探测器(9)、平面反射镜(10)、频谱分析示波器(11)；
所述水平偏振片(2)置于激光器(1)后方，用于生成水平偏振光，以保证后续光路中的光束具有良好的相干性；
所述分光棱镜1(3)置于偏振片(2)后方，将激光分成两束，透射光束作为探测光，反射光束作为参考光；
所述螺旋相位片(4)置于分光棱镜后方的透射光路上，将探测光调制成为具有螺旋相位的环状涡旋光；
所述凸透镜1(5)、凸透镜2(6)依次放置于螺旋相位片(4)后方，对产生的涡旋光束进行扩束准直，并照射于振动旋转物体表面；
所述分光棱镜2(7)置于凸透镜2(6)的后方，用于将物体表面同轴散射回来的光束进行反射，准备与参考光进行汇合；
所述平面反射镜(10)置于分光棱镜1(3 )的反射光路上，用于改变参考光的传播方向以实现与物体表面回光的干涉；
所述分光棱镜3(8)置于分光棱镜2(7)的反射光路与平面反射镜(10)反射光路方向的交汇处，用于实现参考光和探测光之间汇合；
所述光电探测器(9)置于分光棱镜3 (8)的后方，用于收集光信号，并将其转换为电信号，通过数据线传递给频谱分析示波器(11)进行信号显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，其特征在于，旋转物体的轴向微振动可引起涡旋光的线性多普勒频移Δf，物体旋转运动会引起涡旋光的旋转多普勒频移f1，物体存在微小振动时，频谱分析示波器可观测到一个在f1±Δf范围内波动的信号，从而可以将振动速度放大106倍再显现出来，通过示波器计数便可以精确获知物体振动频率，实现对物体微振动情况的观测，同时还可以直接获取物体转速信息。
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