CN105675903B - 一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量***。本发明提供的角速度测量***基于多普勒频移原理和涡旋光束的玻印亭矢量的方向特性,采用测量涡旋光束沿旋转轴垂直入射,其入射光与反射光共路,探测***的发射端与接收端共点,可快速准确的得到角速度测量结果。使用时只需将本发明提供的***发出的测量涡旋光束,沿着旋转体的旋转轴方向垂直照射旋转面,即可直接读出角速度测量结果。本发明的***结构简单,易于操作,相比现有技术具有较大进步。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域,尤其涉及一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量***。
背景技术
涡旋光束是一种新型的光束,它具有螺旋形波前结构,同时其每一个光子均携带有轨道角动量。涡旋光束的光束中心具有相位奇点,使得其横截面光强呈一环状中空分布。常见的涡旋光束有拉盖尔—高斯光束、贝塞尔光束等。
由于涡旋光束具有螺旋相位,其波印廷矢量方向不是与光轴平行的,而是呈一定的角度,因此其可以用来探测旋转体的转动情况。同时,涡旋光束在光通信***、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应用价值,因此受到国内外学者的持续关注。
现在旋转体转速测量一般基于多普勒频移原理,采用将一束激光与旋转体平面的法线方向呈一微小的夹角照射旋转体的旋转面,由于多普勒效应,反射光的频率相比于入射光会有一定的变化。通过测得反射激光的频率变化,可反推出照射点的线速度,进而计算出待测旋转体的角速度。
然而,在该方法中,若采用将激光垂直入射,因其没有平行于线速度方向的分量,无法实现旋转体转速的测量,故入射光束必须以一定的角度射入。然而,这会直接导致反射光与入射光不同路,进而导致探测***的发射端与接收端不共点。这在一定程度上会限制其实际的应用范围。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量***。其目的在于,解决旋转体探测***中,激光垂直入射时无法测量旋转体转速的问 题。
本发明提供的基于涡旋光束的旋转体角速度测量***,采用涡旋光束垂直照射旋转体的旋转平面,通过观察反射光的频率变化,结合入射涡旋光束的轨道角动量,根据多普勒频移的相关理论,反推出旋转体的角速度。使用时只需沿旋转体的旋转轴垂直照射,显示端即可直接得出旋转体的转速信息,简单方便。
本发明的一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量***,其具备:
光源模块,用于提供涡旋光束;
发射接收模块,用于涡旋光束的发射与接收;
信息处理模块,用于将接收到的光信号转化为电信号,同时计算频移量,通过频移量计算出待测旋转体的转速;
显示模块,用于输出转速测量结果。
本发明具有以下有益效果:
1)测量涡旋光束沿旋转轴垂直入射,入射光与反射光共路,探测***的发射端与接收端共点。
2)测量方法简单,可直接快速读出测量结果。
附图说明
图1(a)为高斯光束测量旋转体转速示意图。
图1(b)为涡旋光束测量旋转体转速示意图。
图2为本发明的实施方式构成图。
图3为本发明的角速度测量***中,光源模块的内部构成图,其中,301-单频激光器,302-分光棱镜,303-光隔离器,304-螺旋相位片。
图4为本发明的角速度测量***中,发射接收模块的内部构成图,其中,401-分光棱镜,402-保护玻璃,403-准直器。
图5为本发明的角速度测量***中,信息处理模块的内部构成图,其中,501-分光棱镜,502-拍频探测器,503-高速采集卡,504-主机。
图6为本发明的角速度测量***中,显示模块的内部构成图,其中,601-显示器驱动电路,602-显示器。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明做一详细的描述。
本发明主要用于测量旋转体的角速度,其基本原理为多普勒频移。多普勒频移是指,光波长会由于光源和观测者的相对运动的变化而变化。当待测物体向光源运动时,波长变短,频率变高,这种现象称为蓝移;当待测物体背向光源运动时,会产生相反的效应,波长变长,频率变低,这种现象称为红移。相对运动速度越高,所产生的频移效应越大。根据接收到的光波的频率变化情况,可以计算出被测物体的速度。
对于光波来说,设光速为c,光频率为f0,物体的运动速度为v,则当这一束光沿着物体的运动方向照射到物体上后,光的频率变化量Δf可以表示为:
Δf=f0v/c
当测量旋转体的转动速度时,若采用高斯光束照射旋转面测量,则入射光束需以一定的角度入射,只有这样才能具有与旋转体旋转线速度方向平行的速度分量。若垂直入射,则不会有水平速度分量,转速测量无法实现,如图1(a)所示。由于入射角α很小,因此sinα≈α,此时,光的频率变化量Δf可以表示为:
Δf=αf0v/c
若采用涡旋光束入射,即使在光束垂直入射时,也可实现旋转角速度的测量,如图1(b)所示。这是由于涡旋光束具有螺旋形波前同时携带有轨道角动量,使得其传播时的波印廷矢量方向与其光轴方向不平行,而是呈一定的夹角α,其可表示为:
其中,l为涡旋光束的角量子数,λ为涡旋光束光波长,r为涡旋光束的考察点距光轴的距离。因此,当涡旋光束沿旋转轴方向垂直照射旋转面且光束中心与旋转轴重合时(图1(b)),其反射光的频率变化可以表示为:
其中,Ω为待测旋转体的角速度。若测出频率变化Δf,即可反推出旋转体角速度的大小Ω。
本发明的探测***中采用两路角量子数相反的涡旋光束合束入射,则测得频率变化与旋转体角速度的大小关系为:
下面结合图2,简要介绍本发明的具体实施构成。本发明的具体实施方式构成包括光源模块,发射接收模块,信息处理模块和显示模块。
光源模块用于生成探测所用的涡旋光束。如图3所示,包括单频激光器,分光棱镜,光隔离器和螺旋相位片。其中:
所述单频激光器用于生成单频基模高斯激光;
所述分光棱镜置于单频激光器后方的光路中,用于将激光分成两路,一路用于照射待探测旋转体,另一路传导至信息处理模块来与接收到的反射光束拍 频,测得频率变化信息;
所述光隔离器置于分光棱镜输出的用于照射待探测旋转体的光路中,用于保证激光在光路中的单向传播,防止旋转体反射光射回激光器中;
所述螺旋相位片置于光隔离器后方的光路中,用于将基模高斯光束转化为携带有轨道角动量的合束涡旋光束,生成的合束涡旋光束的阶次与螺旋相位片的阶次相同。
发射接收模块用于探测涡旋光束的发射与接收。如图4所示,包括分光棱镜,保护镜片和准直器。其中:
所述分光棱镜置于光源模块螺旋相位片(304)后方的激光光路中,其作用在于,可实现探测涡旋光束的同点发射与接收,对于光束发射,螺旋相位片的输出光束经分光棱镜后直接透射,对于光束接收,原路返回的涡旋光束经分光棱镜反射后与原有发射的涡旋光束分离,虽有部分接收到的光束会透射回光源模块,但由于光源模块的光隔离器(303)的作用,不会影响到激光器等其他器件;
所述保护镜片置于分光棱镜(401)发射光束的透射光路中,其为连接外部与***内部的窗口,表面镀单频激光的波段的增透膜,起到保护***内元器件的作用;
所述准直器置于分光棱镜(401)接收光的反射光路中,用于将接收到的涡旋光束准直。
信息处理模块,用于将接收到的光信号转化为电信号,同时计算频移变化量,通过频移变化量计算出待测旋转体的转速。如图5所示,包括,分光棱镜,拍频探测器,高速采集卡和主机。其中,
所述分光棱镜,用于将所述光源模块分光棱镜(302)输出的原始探测高 斯光束,与发射接收模块准直器(403)输出的接收涡旋光束合束;
所述拍频探测器,置于分光棱镜(501)合束后的后方光路中,用于探测所述分光棱镜出射的合束光束的拍频信息;
所述高速采集卡,用于采集拍频探测器的探测结果,并将采集到的信息传输至主机;
所述主机,用于分析拍频信号,计算得到频移信息,并通过该频移信息和光源模块的螺旋相位片的阶次,根据公式
计算出待测旋转体的角速度。
显示模块,用于输出转速测量结果。如图6所示,包括显示器及其驱动电路。其中:
显示器用于显示主机输出的计算结果;
驱动电路用于驱动显示器。
综上,本发明可快速准确的测出旋转体的角速度。本发明采用测量涡旋光束沿旋转轴垂直入射,入射光与反射光共路,探测***的发射端与接收端共点,测量方法简单,可直接快速读出测量结果,相比现有技术具有较大进步。
以上内容虽然详细地描述了本发明,但本领域技术人员应知本发明不限于上述的描述。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量***,其特征在于,具备光源模块,发射接收模块,信息处理模块和显示模块,其中:
光源模块,包括单频激光器,分光棱镜,光隔离器和螺旋相位片,用于产生两路角量子数相反的涡旋光束合束,其中:
所述单频激光器用于生成单频基模高斯激光;
所述分光棱镜置于单频激光器后方的光路中,用于将激光分成两路,一路用于照射待探测旋转体,另一路传导至信息处理模块来与接收到的反射光束拍频,测得频率变化信息;
所述光隔离器置于分光棱镜输出的用于照射待探测旋转体的光路中,用于保证激光在光路中的单向传播,防止旋转体反射光射回激光器中;
所述螺旋相位片置于光隔离器后方的光路中,用于将基模高斯光束转化为携带有轨道角动量的合束涡旋光束,生成的合束涡旋光束的阶次与螺旋相位片的阶次相同;
发射接收模块,包括分光棱镜,保护镜片和准直器,用于涡旋光束的发射与接收,其中:
所述分光棱镜置于光源模块螺旋相位片后方的激光光路中,其作用在于,可实现探测涡旋光束的同点发射与接收,对于光束发射,螺旋相位片的输出光束经分光棱镜后直接透射,对于光束接收,原路返回的涡旋光束经分光棱镜反射后与原有发射的涡旋光束分离,虽有部分接收到的光束会透射回光源模块,但由于光源模块的光隔离器的作用,不会影响到激光器等其他器件;
所述保护镜片置于分光棱镜发射光束的透射光路中,其为连接外部与***内部的窗口,表面镀单频激光的波段的增透膜,起到保护***内元器件的作用;
所述准直器置于分光棱镜接收光的反射光路中,用于将接收到的涡旋光束准直;
信息处理模块,包括分光棱镜,拍频探测器,高速采集卡和主机,用于测量光频率变化量,同时结合测量涡旋光束的角量子数来计算旋转体角速度,其中:
所述分光棱镜,用于将所述光源模块分光棱镜输出的原始探测高斯光束,与发射接收模块准直器输出的接收涡旋光束合束;
所述拍频探测器,置于分光棱镜合束后的后方光路中,用于探测所述分光棱镜出射的合束光束的拍频信息;
所述高速采集卡,用于采集拍频探测器的探测结果,并将采集到的信息传输至主机;
所述主机,用于分析拍频信号,计算得到频移信息,并通过该频移信息和光源模块的螺旋相位片的阶次,计算出待测旋转体的角速度;
显示模块,包括显示器及其驱动电路,用于输出转速测量结果。
2.根据权利要求1所述的***,其中,测量涡旋光束沿旋转轴垂直入射,入射光与反射光共路,探测***的发射端与接收端共点。
3.一种利用权利要求1所述的基于涡旋光束的旋转体角速度测量***测量旋转体角速度的方法,其特征在于,采用两路角量子数相反的涡旋光束合束沿旋转轴方向垂直照射旋转面,通过测量频率变化量Δf,来计算旋转体角速度Ω,若设入射涡旋光束合束的两路中的任意一路涡旋光束的角量子数为l,则频率变化量Δf与旋转体角速度Ω的关系可表示为:
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |