一種基于渦旋光束的旋轉(zhuǎn)體角速度測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于渦旋光束的旋轉(zhuǎn)體角速度測(cè)量系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦旋光束是一種新型的光束，它具有螺旋形波前結(jié)構(gòu)，同時(shí)其每一個(gè)光子均攜帶 有軌道角動(dòng)量。禍旋光束的光束中心具有相位奇點(diǎn)，使得其橫截面光強(qiáng)呈一環(huán)狀中空分布。 常見(jiàn)的渦旋光束有拉蓋爾一高斯光束、貝塞爾光束等。
[0003] 由于渦旋光束具有螺旋相位，其波印廷矢量方向不是與光軸平行的，而是呈一定 的角度，因此其可以用來(lái)探測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。同時(shí)，渦旋光束在光通信系統(tǒng)、量子通信、 矢量光束生成等其他研究方向也具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān) 注。
[0004] 現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速測(cè)量一般基于多普勒頻移原理，采用將一束激光與旋轉(zhuǎn)體平面的 法線方向呈一微小的夾角照射旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)面，由于多普勒效應(yīng)，反射光的頻率相比于入 射光會(huì)有一定的變化。通過(guò)測(cè)得反射激光的頻率變化，可反推出照射點(diǎn)的線速度，進(jìn)而計(jì)算 出待測(cè)旋轉(zhuǎn)體的角速度。
[0005] 然而，在該方法中，若采用將激光垂直入射，因其沒(méi)有平行于線速度方向的分量， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速的測(cè)量，故入射光束必須以一定的角度射入。然而，這會(huì)直接導(dǎo)致反射 光與入射光不同路，進(jìn)而導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端不共點(diǎn)。這在一定程度上會(huì)限制 其實(shí)際的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于渦旋光束的旋轉(zhuǎn)體角速度測(cè)量系統(tǒng)。其目的在 于，解決旋轉(zhuǎn)體探測(cè)系統(tǒng)中，激光垂直入射時(shí)無(wú)法測(cè)量旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速的問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明提供的基于渦旋光束的旋轉(zhuǎn)體角速度測(cè)量系統(tǒng)，采用渦旋光束垂直照射旋 轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)平面，通過(guò)觀察反射光的頻率變化，結(jié)合入射渦旋光束的軌道角動(dòng)量，根據(jù)多普 勒頻移的相關(guān)理論，反推出旋轉(zhuǎn)體的角速度。使用時(shí)只需沿旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)軸垂直照射，顯示 端即可直接得出旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速信息，簡(jiǎn)單方便。
[0008] 本發(fā)明的一種基于渦旋光束的旋轉(zhuǎn)體角速度測(cè)量系統(tǒng)，其具備：
[0009] 光源模塊，用于提供渦旋光束；
[0010]發(fā)射接收模塊，用于渦旋光束的發(fā)射與接收；
[0011]信息處理模塊，用于將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)計(jì)算頻移量，通過(guò)頻移 量計(jì)算出待測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速；
[0012] 顯示模塊，用于輸出轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果。
[0013] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] 1)測(cè)量渦旋光束沿旋轉(zhuǎn)軸垂直入射，入射光與反射光共路，探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射端與 接收端共點(diǎn)。
[0015] 2)測(cè)量方法簡(jiǎn)單，可直接快速讀出測(cè)量結(jié)果。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1(a)為高斯光束測(cè)量旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速示意圖。
[0017] 圖1(b)為渦旋光束測(cè)量旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明的實(shí)施方式構(gòu)成圖。
[0019]圖3為本發(fā)明的角速度測(cè)量系統(tǒng)中，光源模塊的內(nèi)部構(gòu)成圖，其中，301-單頻激光 器，302-分光棱鏡，303-光隔離器，304-螺旋相位片。
[0020] 圖4為本發(fā)明的角速度測(cè)量系統(tǒng)中，發(fā)射接收模塊的內(nèi)部構(gòu)成圖，其中，401-分光 棱鏡，402-保護(hù)玻璃，403-準(zhǔn)直器。
[0021] 圖5為本發(fā)明的角速度測(cè)量系統(tǒng)中，信息處理模塊的內(nèi)部構(gòu)成圖，其中，501-分光 棱鏡，502-拍頻探測(cè)器，503-高速采集卡，504-主機(jī)。
[0022]圖6為本發(fā)明的角速度測(cè)量系統(tǒng)中，顯示模塊的內(nèi)部構(gòu)成圖，其中，601-顯示器驅(qū) 動(dòng)電路，602-顯示器。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做一詳細(xì)的描述。
[0024] 本發(fā)明主要用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的角速度，其基本原理為多普勒頻移。多普勒頻移是 指，光波長(zhǎng)會(huì)由于光源和觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化而變化。當(dāng)待測(cè)物體向光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，波長(zhǎng) 變短，頻率變高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為藍(lán)移；當(dāng)待測(cè)物體背向光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長(zhǎng) 變長(zhǎng)，頻率變低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為紅移。相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越高，所產(chǎn)生的頻移效應(yīng)越大。根據(jù)接收 到的光波的頻率變化情況，可以計(jì)算出被測(cè)物體的速度。
[0025] 對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，設(shè)光速為c，光頻率為fo，物體的運(yùn)動(dòng)速度為v，則當(dāng)這一束光沿著 物體的運(yùn)動(dòng)方向照射到物體上后，光的頻率變化量A f可以表示為：
[0026] Δ f = f〇v/c
[0027] 當(dāng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，若采用高斯光束照射旋轉(zhuǎn)面測(cè)量，則入射光束需以 一定的角度入射，只有這樣才能具有與旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)線速度方向平行的速度分量。若垂直入 射，則不會(huì)有水平速度分量，轉(zhuǎn)速測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)，如圖1(a)所示。由于入射角α很小，因此sin α ? α，此時(shí)，光的頻率變化量Δ f可以表示為：
[0028] Δ f = af〇v/c
[0029] 若采用渦旋光束入射，即使在光束垂直入射時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)量，如圖 1(b)所示。這是由于渦旋光束具有螺旋形波前同時(shí)攜帶有軌道角動(dòng)量，使得其傳播時(shí)的波 印廷矢量方向與其光軸方向不平行，而是呈一定的夾角a，其可表示為：
[0030]
[0031] 其中，1為渦旋光束的角量子數(shù)，λ為渦旋光束光波長(zhǎng)，r為渦旋光束的考察點(diǎn)距光 軸的距離。因此，當(dāng)渦旋光束沿旋轉(zhuǎn)軸方向垂直照射旋轉(zhuǎn)面且光束中心與旋轉(zhuǎn)軸重合時(shí)（圖 1 (b))，其反射光的頻率變化可以表示為：
[0032]
[0033] 其中，Ω為待測(cè)旋轉(zhuǎn)體的角速度。若測(cè)出頻率變化Af，即可反推出旋轉(zhuǎn)體角速度 的大小Ω。
[0034]本發(fā)明的探測(cè)系統(tǒng)中采用兩路角量子數(shù)相反的渦旋光束合束入射，則測(cè)得頻率變 化與旋轉(zhuǎn)體角速度的大小關(guān)系為：
[0035]
[0036] 下面結(jié)合圖2,簡(jiǎn)要介紹本發(fā)明的具體實(shí)施構(gòu)成。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】構(gòu)成包括