阅读说明：本技术 一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置 (Object angular velocity measuring device based on rotary Doppler effect ) 是由 陈越洋 李劲松 张浩然 徐阳 于 2020-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置,包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴,其中:激光器发出高斯光束,光束经准直扩束透镜扩束准直后照射在相位型空间光调制器上,将计算全息图通过计算机传输到相位型空间光调制器中生成涡旋光束并透射部分高斯光束；两种光束叠加后经分光棱镜透射后沿光轴入射到与旋转轴同步旋转的二次反射直角棱镜上；在其内部经历两次反射后叠加光束经分光棱镜反射后通过聚焦透镜会聚在CCD图像传感器上产生干涉；通过计算机计算干涉图样中暗斑的转动角度得出旋转物体角速度。本发明的装置结构简单,易于操作。(The invention relates to an object angular velocity measuring device based on a rotary Doppler effect, which comprises a laser, a collimation and beam expansion lens, a phase type spatial light modulator, a computer, a beam splitter prism, a secondary reflection right-angle prism, a focusing lens, a CCD (charge coupled device) image sensor and a rotating shaft, wherein the laser emits Gaussian beams, the beams are expanded and collimated by the collimation and beam expansion lens and then irradiate on the phase type spatial light modulator, and a calculation hologram is transmitted to the phase type spatial light modulator through the computer to generate vortex beams and transmit part of the Gaussian beams; after being superposed, the two light beams are transmitted by the beam splitter prism and then are incident on a secondary reflection right-angle prism which rotates synchronously with the rotating shaft along the optical axis; after two reflections in the CCD image sensor, the superposed light beams are reflected by the beam splitter prism and then are converged on the CCD image sensor through the focusing lens to generate interference; and calculating the rotation angle of the dark spot in the interference pattern by a computer to obtain the angular speed of the rotating object. The device of the invention has simple structure and easy operation.)

一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置。

背景技术

光子携带角动量早在1909年Poynting就提出了这一概念，并和光的偏振态相联系，1936年光子的自旋角动量被Beth等利用力学实验成功验证出来，测定了左、右旋圆偏振光的自旋角动量。1992年Allen通过研究表明，光子还携带有另外一种形式的动量，叫做轨道角动量。携带有这种轨道角动量的光叫做涡旋光，可以通过螺旋相位板、空间光调制器、计算全息等方式制备，涡旋光有着圆环形的强度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用e^ilθ来描述，其中l是其拓扑荷数，表征的是涡旋光束在一个波长内相位由0到2π的跳变次数，θ是涡旋光相位角。因此一束涡旋光的光场分布可以表示为：

线性多普勒效应广为人们熟知，指的是如果波源与观察者之间存在相对速度，那么观察者接收到波的频率会和波源存在一定的频率差。线性多普勒效应已经被广泛应用于测量物体移动速度、加速度等领域。多普勒效应不光存在于机械波，电磁波领域也同样存在。与线性多普勒不同的是，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应。

目前利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转物体角速度的方法在国际上出现不久，1997年圣安德鲁斯大学J.Courtial等人观测到旋转涡旋光束会产生多普勒频移现象。2013年英国物理学家马丁·拉弗瑞(Martin Lavery)和他的同事提出利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转金属圆盘角速度的方法，并进行了实验验证。

发明内容

为了克服已有技术所存在的缺陷，本发明目的在于：针对现有利用光学陀螺测量旋转物体角速度装置所存在的不足提出了一种基于旋转多普勒效应测量物体角速度的新装置。本装置结构简单，所用设备较少，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备；随着技术的发展能适用的环境和条件较广，尤其是在高速旋转的飞机发动机、高速旋转的电机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都有着可观的应用前景。

本发明所采用的技术方案为：一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴。所述准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜、二次反射直角棱镜、旋转轴共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上，其中：所述二次反射直角棱镜固定在旋转轴上，固定位置为二次反射直角棱镜下反射面二分之一处；所述聚焦透镜位于前述二次反射直角棱镜上方；CCD图像传感器位于前述聚焦透镜上方；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连。

工作时，激光器发出基模高斯光束入射到准直扩束透镜；基模高斯光束经准直扩束后经过相位型空间光调制器；将计算全息图通过计算机传输到相位型空间光调制器中生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并透射部分基模高斯光束；生成的带涡旋的基模拉盖尔高斯光束和透射的基模高斯光束同轴叠加后的叠加光束经过分光棱镜后部分透射；透射的叠加光束入射到与旋转轴同步旋转的二次反射直角棱镜中诱发旋转多普勒效应，使得叠加光束携带旋转物体运动信息；叠加光束在旋转的二次反射直角棱镜内经历两次内部反射后以相反的方向离开二次反射直角棱镜并入射到分光棱镜中；叠加光束在分光棱镜中反射后经过聚焦透镜会聚后产生干涉并由CCD图像传感器记录下干涉图样，旋转多普勒效应在干涉图样中表现为暗斑的转动；在计算机上记录干涉图样中暗斑从静止到转动的时间并计算干涉图样中暗斑的转动角度；从而提取出叠加光束携带的旋转物体的运动信息；最后利用涡旋光旋转多普勒效应结论得到旋转物体的角速度信息。

所述相位型空间光调制器置于前述准直扩束透镜的后方光路中且与计算机相连，用于加载计算全息图，生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束和部分透射基模高斯光束；

所述分光棱镜置于前述相位型空间光调制器后方光路中用于实现将入射的叠加光束部分透射以及反射从下述二次反射直角棱镜中出射的出射光束；

所述二次反射直角棱镜固定在旋转轴上且随着旋转轴同步旋转，棱镜上下两反射面的夹角为90°，入射光束与出射光束的夹角为180°；

所述旋转轴与入射光束光轴共轴且在前述二次反射直角棱镜下反射面的二分之一处与其相连，带动二次反射直角棱镜同步旋转；

所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连，分别用于制备计算全息图并将计算全息图加载至前述空间光调制器和记录干涉图样中暗斑的转动时间以及计算干涉图样中暗斑的转动角度。

由于采用了上述的技术方案，本发明所取得的有益效果是：

本装置检测精度高且具有较大提升空间，直观方便；另一方面，由于结构简单，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备，因此误差来源大大减少，较以往方案有着较大的优势。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明结构示意图；

图2为干涉图样中暗斑的转动角度示意图；

附图标记说明：1-激光器；2-准直扩束透镜；3-相位型空间光调制器；4-计算机；5-分光棱镜；6-二次反射直角棱镜；7-旋转轴；8-聚焦透镜；9-CCD图像传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下结合附图对本发明的实施例进行说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明提供了一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，如图1为一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置结构示意图，其中包括了激光器1；准直扩束透镜2；相位型空间光调制器3；计算机4；分光棱镜5；二次反射直角棱镜6；旋转轴7；聚焦透镜8；CCD图像传感器9。

准直扩束透镜2、相位型空间光调制器3、分光棱镜5、二次反射直角棱镜6、旋转轴7共轴且顺次放置在激光器1所发出光束的出射光路上，其中：准直扩束透镜2用于准直扩束；相位型空间光调制器3用于生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并部分透射基模高斯光束；分光棱镜5用于实现将入射的叠加光束部分透射且反射从下述二次反射直角棱镜6中射出的出射光束；二次反射直角棱镜6固定在旋转轴7上且两反射面的夹角为90°，入射光束与出射光束的夹角为180°，其固定位置为二次反射直角棱镜6下反射面的二分之一处且二次反射直角棱镜6随着旋转轴7同步旋转；聚焦透镜8位于前述二次反射直角棱镜6上方；CCD图像传感器9位于聚焦透镜8上方；计算机4分别与相位型空间光调制器3、CCD图像传感器9相连。

本系统在工作时，由激光器1所发出的基模高斯光束首先入射到准直扩束透镜2；经准直扩束后的入射光束经过相位型空间光调制器3，此时计算机4将制备好的计算全息图加载至空间光调制器3中产生带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并部分透射基模高斯光束；基模拉盖尔高斯光束和基模高斯光束同轴叠加后产生的叠加光束经过分光棱镜5，叠加光束在分光棱镜5中部分透射；透射的叠加光束入射到固定在旋转轴7上的二次反射直角棱镜6中诱发旋转多普勒效应，二次反射直角棱镜6随着旋转轴7同步旋转使得叠加光束携带旋转物体的运动信息；携带旋转物体运动信息的叠加光束在旋转的二次反射直角棱镜6内经历两次内部反射，每一次反射都会使叠加光束的拓扑电荷的符号反转，因此反射的叠加光束与入射的叠加光束具有相同的符号；叠加光束以相反的方向离开二次反射直角棱镜6后入射到分光棱镜5中；叠加光束在分光棱镜5中反射到聚焦透镜8上，叠加光束经聚焦透镜8会聚后产生干涉并由CCD图像传感器9记录下干涉图样，旋转多普勒效应在干涉图样中表现为暗斑的转动；在计算机4上记录暗斑的转动时间并计算干涉图样中暗斑的转动角度，从而提取出叠加光束携带的旋转物体的运动信息；最后利用涡旋光旋转多普勒效应结论得到旋转物体的角速度信息。

为方便理解，本发明对理论部分进行补充说明：

Laguerre-Gaussian光束简称LG光束，将基模高斯光束同轴相干叠加到轴向带电的拓扑电荷数为l的模中，经过旋转的二次反射直角棱镜后诱发旋转多普勒效应产生频移，然后让模实现δ的相移，从而使总场达到下式：

式(1)中w是腰围参数，E_G为基模高斯光束的振幅，E_LG为

模的振幅。因此，离轴光学涡旋逆时针转动一个角。对于相反的光学涡旋符号，相同的相移将导致光学涡旋朝相反的方向移动。因此，在

模和基模高斯光束之间的任何相移都可以被视为暗斑的转折。

当同轴叠加的光束开始旋转时，光学涡旋的角频率将发生偏移ω→ω+Δω。这将导致光束内的暗斑以角速度-Δω旋转。旋转光束截面上的光强分布为：

式(2)表明，光强度的局部值将随频率而变化，模和基模高斯光束之间的合成相位差为两倍关系；因此频拍表明旋转多普勒效应类似于在双光束测量方案中的旋转多普勒频移。

离轴光学涡旋旋转可以从纯粹的几何角度来解释，具有复振幅分布的傍轴光束都可以表示为：

现在让式(3)的每个分量得到相移lθ。整个式子转化为很明显，光束通过角θ转动，即光束的转角θ引起指数为l的式(3)的相移lθ。以角速度Ω₀连续旋转意味着这些分量的频率偏移为lΩ₀，而

若光束相对于固定的二次反射直角棱镜旋转，在基模情况下即l＝0,l′＝0时，信号将包含角频率Δω_l,l′＝(l-l′)Ω₀＝Ω₀。在基模高斯光束和基模拉盖尔高斯光束简单叠加的情况下，频谱并不复杂，直接显示了单个光学涡旋的旋转多普勒位移。由于本发明的装置提供了两倍的相位关系，因此ω_1，0＝2Ω，

可得出旋转物体的角速度为：

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。