一种基于多模涡旋光束的目标复合运动探测装置
阅读说明：本技术 一种基于多模涡旋光束的目标复合运动探测装置 (Target compound motion detection device based on multimode vortex light beam ) 是由 邱松 任元 刘通 李智猛 王琛 刘政良 陈琳琳 沙启蒙 丁友� 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于多模涡旋光束的目标复合运动探测装置。其主要部件包括激光器、分光棱镜、偏振分光棱镜、反射镜、螺旋相位板、透镜、光电探测器。首先,将激光器产生的正交偏振光束透过分光棱镜分为两束,一束作为参考光,另一束透过偏振分光棱镜分成偏振方向不同的两束；其次,将偏振态不同的两束光分别透过拓扑荷数不同的两块螺旋相位板产生涡旋光束,再用偏振分光棱镜将其汇合为一束作为多模探测光束照射目标；最后,收集物体表面散射光并将其与参考光束进行汇合,用光电探测器进行信号采集,对光电探测器采集到的时域光强信号加以分析,便可以分别得出目标的线速度和转速。本装置结构简单,具有较高灵敏度。(The invention relates to a target compound motion detection device based on multimode vortex beams. The main components of the device comprise a laser, a beam splitter prism, a polarization beam splitter prism, a reflector, a spiral phase plate, a lens and a photoelectric detector. Firstly, dividing an orthogonal polarized light beam generated by a laser into two beams through a beam splitter prism, wherein one beam is used as reference light, and the other beam is divided into two beams with different polarization directions through the polarization beam splitter prism; secondly, two beams of light with different polarization states respectively penetrate through two spiral phase plates with different topological charge numbers to generate vortex light beams, and then the vortex light beams are converged into one beam by a polarization beam splitter prism to serve as a multimode detection light beam to irradiate a target; and finally, collecting the scattered light on the surface of the object, converging the scattered light with the reference beam, carrying out signal acquisition by using a photoelectric detector, and analyzing a time domain light intensity signal acquired by the photoelectric detector so as to respectively obtain the linear speed and the rotating speed of the target. The device has simple structure and high sensitivity.)
技术领域
本发明主要涉及光学、物理学、光电转换、信号提取领域，尤其是光束的光场调控、拍频检测等技术方法。
技术背景
本发明的技术背景主要多普勒效应测速原理。多普勒效应起源于奥地利物理学家多普勒对声音的观察，随着后续研究的深入，人们发现这一效应广泛存在与所有类型的波之中。多普勒效应的基本原理是当波源相对于接收者做相向运动时，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。波源与接收器之间相对运动速度越大则接收到的频率改变量也越大，据此便可以得出二者之间的相对速度。
经典光学中的线性多普勒效应可用下式表示：
其中Δf1表示探测光束与散射回波光束之间的频率差，c表示真空中的光速，f0是探测光的频率，v表示接收器相对于激光光源的运动速度。我们生活中常见的高速公路测速仪以及医院采用的B超等都是基于这一原理。当接收者的运动速度不沿着波束传播方向时，只有沿着波束传播方向的速度分量才会引起多普勒频移，因此速度与波束传播方向不共线时需要加上夹角因子cosα，此时的多普勒频移可表示为Δf＝2f0vcosα/c。
根据以上原理可知，经典线性多普勒效应只具备探测沿着波束传播方向上具有线性运动或分量的物体。当物体仅在光束传播垂直平面内有运动时，经典多普勒效应则无能为力。
1992年，Allen等人首次提出了具有螺旋相位因子的结构光束可能携带有轨道角动量(OAM)的这一概念，这一发现掀起了人们对这种具有螺旋相位的结构光束研究的热潮。具有这种螺旋形相位的光束被称为涡旋光，它具有环状的光强分布。涡旋光束的波前不再是一个平面，而是一个螺旋形的相位面，从而导致光束Poynting矢量不再与光束传播方向平行，而是有一个夹角。因为这个夹角的存在，我们可以将这种涡旋光束的Poynting矢量分解到沿光束传播和垂直于光束截面两个方向上，根据这一特性，当这种光束与运动物体相互作用时，将同时对沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的运动产生响应。
2013年英国格拉斯哥大学Padgett等人系统总结并提出了一种利用叠加态涡旋光探测旋转物体转速的方案，首次实现了利用涡旋光束对旋转物体转速的测量，揭示了涡旋光探测的巨大应用潜力，相关成果发表在《Science》上。涡旋光Poynting矢量与光轴之间的夹角可表示为sinβ＝lλ/2πr，其中l为涡旋光的拓扑荷数，λ表示光束的波长，r为光场中任意位置到光轴之间的距离。当一束涡旋光对准转轴探测一旋转物体时，对于每个微小散射体而言，相当于是与光束Poynting矢量之间有了一个夹角，代入倾斜条件下的线性多普勒频移公式可得：
其中Δf2表示旋转多普勒频移。
上式便是涡旋光测量旋转物体转速的基本原理，根据光束拓扑荷数再结合散射光产生的频移便可以解算出待测物体的转速。值得注意的是，除了旋转物体能引起涡旋光的频移之外，经典的线性运动同样可以使涡旋光产生频移，即涡旋光同时具备线性多普勒效应和旋转多普勒频移。根据Poynting矢量的分解关系可知，当涡旋光探测同时具有线性和旋转运动物体时，所产生的总频移为fmod＝Δf1+Δf2，其中Δf1和Δf2分别表示旋转多普勒频移。
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。常见的是光束产生拍频的方法有叠加态光束拍频法和外差探测法。采用叠加态涡旋光束时，由于两束光的拓扑荷数大小相同、方向相反，因此产生的旋转多普勒频移是式(2)所示值的2倍；采用外差法时，产生的频移为线性多普勒频移与旋转多普勒频移之和，改变实验光束的拓扑荷数之后，旋转多普勒频移会发生改变，而相应的线性多普勒频移则不发生变化。
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