[發明專利]一種基于計算攝像法檢測疊加態渦旋光Sagnac效應的裝置

有效

• 申請號: 201611243513.0
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106813681B
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 任元;王琛;謝璐;楊躍德;王剛;邵瓊玲
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍裝備學院
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發明涉及一種基于計算攝像法檢測疊加態渦旋光Sagnac效應的裝置。渦旋光Sagnac效應指由疊加態渦旋光螺旋波陣面形成的干涉環而產生的Sagnac效應。它包括激光器、衰減片、反射鏡、擴束鏡、空間光調制器(SLM)、凸透鏡、光闌、凸透鏡反射鏡、圖像傳感器(CCD)、實驗轉臺。首先，激光器產生高斯光束后，通過衰減片降低激光功率；而后經反射鏡組改變傳播方向，增大光斑；光束通過擴束鏡擴展激光束直徑、減小發散角；之后經SLM調制為疊加態渦旋光，將待測角頻率耦合到頻率變化中，敏感信息內容通過4f成像系統進入CCD待觀測。本裝置結構簡單，具有較高的靈敏度和精度。

技術領域

本發明涉及一種基于計算攝像法檢測疊加態渦旋光Sagnac效應的裝置，本文中渦旋光Sagnac效應指由疊加態渦旋光螺旋波振面形成的干涉環而產生的Sagnac效應。通過圖像傳感器(CCD)檢測到疊加態渦旋光在轉臺上的Sagnac效應。本裝置結構簡單，噪聲源少，具有較好的靈敏度和精度；未來隨著技術發展可以到達芯片級別；由于理論上拓撲荷數l可以取得無限大，因此隨著技術的發展本裝置的靈敏度和精度還可以進一步提升，可應用于未來先進檢測裝置的設計和研究。

技術背景

激光陀螺是利用運行于諧振腔內順逆方向激光的頻率差來感應陀螺的轉速，其輸出為：

其中△ν是逆時針運行的兩束激光的頻率差；ν₁、ν₂分別是諧振腔內順逆方向激光的頻率；A是激光環路所圍的面積；L是環路光程；λ是激光波長；Ω為激光陀螺轉動的角速度；稱為比例因子。

將(1)式對時間t求積分，可得時間t內由于正、反向行波頻率差所積累的脈沖數為：

其中，是t時間內環形腔對于慣性空間的總轉角。

(1)式和(2)式是激光陀螺作為角速度和角位移傳感器的原理公式。由這兩個原理，可以利用光學拍頻方法檢測出頻差Δμ和脈沖數N，進而求出每一瞬時的轉速Ω和轉動角度θ：

為比例因子的倒數，一般稱之為激光陀螺的標度因數。

在激光陀螺發展的同時，另一種光學陀螺——光纖陀螺也被提出。其檢測裝置原理如下：

在光纖陀螺中，兩束光是在N匝光纖環中傳播的，此時發生Sagnac效應的兩束光的相位差滿足：

其中，Ω為轉動角速度，S為閉合光路所包圍的面積，N為匝數。

干涉光強I與Sagnac相位差Δφ_R關系如下：

I＝I₀[1+cos(△φ_R)] (6)

又因為干涉光強I與光電探測器的測得的光功率P相對應，成正比關系：

P＝P₀[1+cos(△φ_R)] (7)

P＝kI，k為光電探測器光電轉換系數，故在互易相位調制后使用光電探測器檢測光功率P即為光纖陀螺的檢測原理。

對于光纖陀螺，其檢測裝置是通過光電探測器檢測光功率從而得到發生Sagnac效應的兩束光的相位差。光探測器測量的是光的平均光強，而光強度正比于光的振幅的平方，I＝A²，當觀測的時間τ遠大于光的周期時，平均光強為：

但是觀測到的平均值將為實驗結果帶來誤差。