一種基于渦旋光束的旋轉體角速度測量系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種基于渦旋光束的旋轉體角速度測量系 統。
【背景技術】
[0002] 渦旋光束是一種新型的光束，它具有螺旋形波前結構，同時其每一個光子均攜帶 有軌道角動量。禍旋光束的光束中心具有相位奇點，使得其橫截面光強呈一環狀中空分布。 常見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，因此其可以用來探測旋轉體的轉動情況。同時，渦旋光束在光通信系統、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用價值，因此受到國內外學者的持續關 注。
[0004] 現在旋轉體轉速測量一般基于多普勒頻移原理，采用將一束激光與旋轉體平面的 法線方向呈一微小的夾角照射旋轉體的旋轉面，由于多普勒效應，反射光的頻率相比于入 射光會有一定的變化。通過測得反射激光的頻率變化，可反推出照射點的線速度，進而計算 出待測旋轉體的角速度。
[0005] 然而，在該方法中，若采用將激光垂直入射，因其沒有平行于線速度方向的分量， 無法實現旋轉體轉速的測量，故入射光束必須以一定的角度射入。然而，這會直接導致反射 光與入射光不同路，進而導致探測系統的發射端與接收端不共點。這在一定程度上會限制 其實際的應用范圍。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明提供了一種基于渦旋光束的旋轉體角速度測量系統。其目的在 于，解決旋轉體探測系統中，激光垂直入射時無法測量旋轉體轉速的問題。
[0007] 本發明提供的基于渦旋光束的旋轉體角速度測量系統，采用渦旋光束垂直照射旋 轉體的旋轉平面，通過觀察反射光的頻率變化，結合入射渦旋光束的軌道角動量，根據多普 勒頻移的相關理論，反推出旋轉體的角速度。使用時只需沿旋轉體的旋轉軸垂直照射，顯示 端即可直接得出旋轉體的轉速信息，簡單方便。
[0008] 本發明的一種基于渦旋光束的旋轉體角速度測量系統，其具備：
[0009] 光源模塊，用于提供渦旋光束；
[0010]發射接收模塊，用于渦旋光束的發射與接收；
[0011]信息處理模塊，用于將接收到的光信號轉化為電信號，同時計算頻移量，通過頻移 量計算出待測旋轉體的轉速；
[0012] 顯示模塊，用于輸出轉速測量結果。
[0013] 本發明具有以下有益效果：
[0014] 1)測量渦旋光束沿旋轉軸垂直入射，入射光與反射光共路，探測系統的發射端與 接收端共點。
[0015] 2)測量方法簡單，可直接快速讀出測量結果。
【附圖說明】
[0016] 圖1(a)為高斯光束測量旋轉體轉速示意圖。
[0017] 圖1(b)為渦旋光束測量旋轉體轉速示意圖。
[0018] 圖2為本發明的實施方式構成圖。
[0019]圖3為本發明的角速度測量系統中，光源模塊的內部構成圖，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為本發明的角速度測量系統中，發射接收模塊的內部構成圖，其中，401-分光 棱鏡，402-保護玻璃，403-準直器。
[0021] 圖5為本發明的角速度測量系統中，信息處理模塊的內部構成圖，其中，501-分光 棱鏡，502-拍頻探測器，503-高速采集卡，504-主機。
[0022]圖6為本發明的角速度測量系統中，顯示模塊的內部構成圖，其中，601-顯示器驅 動電路，602-顯示器。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖，對本發明做一詳細的描述。
[0024] 本發明主要用于測量旋轉體的角速度，其基本原理為多普勒頻移。多普勒頻移是 指，光波長會由于光源和觀測者的相對運動的變化而變化。當待測物體向光源運動時，波長 變短，頻率變高，這種現象稱為藍移；當待測物體背向光源運動時，會產生相反的效應，波長 變長，頻率變低，這種現象稱為紅移。相對運動速度越高，所產生的頻移效應越大。根據接收 到的光波的頻率變化情況，可以計算出被測物體的速度。
[0025] 對于光波來說，設光速為c，光頻率為fo，物體的運動速度為v，則當這一束光沿著 物體的運動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] 當測量旋轉體的轉動速度時，若采用高斯光束照射旋轉面測量，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體旋轉線速度方向平行的速度分量。若垂直入 射，則不會有水平速度分量，轉速測量無法實現，如圖1(a)所示。由于入射角α很小，因此sin α ? α，此時，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，也可實現旋轉角速度的測量，如圖 1(b)所示。這是由于渦旋光束具有螺旋形波前同時攜帶有軌道角動量，使得其傳播時的波 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，λ為渦旋光束光波長，r為渦旋光束的考察點距光 軸的距離。因此，當渦旋光束沿旋轉軸方向垂直照射旋轉面且光束中心與旋轉軸重合時（圖 1 (b))，其反射光的頻率變化可以表示為：
[0032]
[0033] 其中，Ω為待測旋轉體的角速度。若測出頻率變化Af，即可反推出旋轉體角速度 的大小Ω。
[0034]本發明的探測系統中采用兩路角量子數相反的渦旋光束合束入射，則測得頻率變 化與旋轉體角速度的大小關系為：
[0035]
[0036] 下面結合圖2,簡要介紹本發明的具體實施構成。本發明的【具體實施方式】構成包括