[發明專利]基于渦旋光的旋轉物體轉軸傾斜角檢測裝置

有效

• 申請號: 201910060397.6
• 申請日: 2019-01-22
• 公開（公告）號: CN109724541B
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 任元;邱松;劉通;李智猛;王琛;邵瓊玲;陳曉岑
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26;G01P3/36
• 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渦旋光的旋轉物體轉軸傾斜角檢測裝置。它的主要部件包括He?Ne激光器、偏振片、透鏡組、偏振分光棱鏡、空間光調制器、4f濾波系統、平凸透鏡、光電探測器、微型示波器。首先，激光器產生高斯光束，經準直后照射加載有特定全息圖的空間光調制器以制備疊加態渦旋光；其次，將渦旋光照射于旋轉物體轉軸中心，經物體散射后，利用凸透鏡收集散射光；最后，利用光電探測檢測散射光束的強度變化并將信號傳給示波器，示波器進行傅里葉變換，根據頻譜帶寬信息就可以判斷物體轉軸相對與光束入射方向的傾斜角。本裝置結構簡單，在各種極端條件下仍可以有效工作。

技術領域

本發明主要涉及光學、物理學、光電轉換、信號檢測領域，尤其是光束的相位調制、拍頻檢測等技術方法。

技術背景

本發明的技術背景主要基于旋轉多普勒效應。經典多普勒效應(LDE)由物體與波源之間線性相對速度引起，其技術成熟，應用領域廣泛；而與之相對應的旋轉多普勒效應(RDE)則是由探測波源與旋轉物體之間的相對旋轉速度引起，尚未得到實際應用。旋轉多普勒效應的產生，需要能繞傳播軸具有旋轉速度的探測波源，這種波源在經典物理領域可以通過使拉蓋爾-高斯光束透射旋轉道威棱鏡(Dove)或者1/4波片獲得。

自1992年Allen發現光子軌道角動量(OAM)以來，攜帶OAM的渦旋光的特性逐漸被人們揭開。研究發現這種光束具有螺旋形波陣面，其坡印廷矢量與光束傳播軸存在夾角α。此外，在高階貝塞爾-高斯光束中，這一夾角的大小可表示為sinα＝lλ/2πr，其中l表示渦旋光的拓撲荷數，λ表示光波長，r表示光束上任意一點到光軸的距離。J·leach在研究中指出對于一般小拓撲荷數渦旋光，這一夾角的大小是毫弧度量級，因此sinα可以近似取α。

攜帶有這種軌道角動量的光叫做渦旋光，可以通過螺旋相位板、空間光調制器(SLM)、計算全息等方式制備，渦旋光有著圓環形的強度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用e^ilθ來描述，其中l是其拓撲荷數，表征的是渦旋光束在一個波長內相位由0到2π的跳變次數，θ是渦旋光相位角。因此一束渦旋光的光場分布可以表示為：

對于一束線性極化的拉蓋爾-高斯(LG)光束，坡印廷矢量S在柱坐標系下可表示為：

其中C為常數，分別表示坡印廷矢量的三個柱坐標，從中可以得到坡印廷矢量與柱坐標z軸方向的夾角為α＝l/kr，k表示光波數，r為光束中對應點的半徑。

坡印廷矢量的大小表示在光束中每一瞬時、任意一個小區域的能量的大小，而其方向則表示光波能流的方向，那么對于待測微小散射體來說，光子照射到每個小散射體時的方向也沿著此坡印廷矢量方向。坡印廷矢量與傳播軸不平行，能流繞著傳播軸呈螺旋狀，這樣就導致了光子周向速度的存在和軌道角動量的產生。

旋轉多普勒效應與經典多普勒效應有著相似的機理，經典多普勒效應的基本原理如下，當物體沿著光傳播方向與光源的相對運動速度為v時，光源的頻率與物體接收到的光頻率之間的差值為：

式中c和f₀分別表示光速和光源在介質中的頻率。當渦旋光照射旋轉物體時，其光子傳播方向與物體表面散射體的運動方向如圖2所示，此時考慮任一微小散射體，散射體的運動速度v_p與坡印廷矢量之間的夾角為由幾何關系可知根據式(3)，此時的多普勒效應公式變為：

若采用疊加態渦旋光，那么產生的頻移將是式(4)計算值的2倍。上式可以理解為將光子的線性運動速度投影到與轉盤平面平行的光軸截面所得到的多普勒頻移，相對速度是渦旋光“周向速度”與物體表面每點周向速度之間的相對運動速度。

發明內容