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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111965378A(43)申请公布日2020.11.20(21)申请号202010710083.9(22)申请日2020.07.22(71)申请人中国人民解放军战略支援部队航天工程大学地址101416北京市怀柔区八一路一号(72)发明人丁友任元刘通沙启蒙邱松陈琳琳吴昊(74)专利代理机构北京中政联科专利代理事务所(普通合伙)11489代理人张春慧(51)Int.Cl.G01P3/36(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法(57)摘要本发明涉及一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法。涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场,旋转多普勒效应是旋转物体引起的光学频移。首先,使用空间光调制器制备叠加态涡旋光;其次,通过光束准直与滤波系统将叠加态涡旋光照射到旋转平板物体上的任意位置;最后,用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析。根据示波器显示的频移信号,可得出平板物体的旋转速度。本方法光路简洁,灵活性强,具备较高的精度,可在任意入射条件下测量物体的旋转速度。CN111965378ACN111965378A权利要求书1/1页1.一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法,其特征在于:涡旋光是一种具有螺旋波阵面的特殊光场,旋转多普勒效应是旋转物体引起的光学频移;首先,使用空间光调制器法制备拓扑荷数为±l的叠加态涡旋光;其次,通过光束准直与滤波系统将叠加态涡旋光照射到旋转平板物体上的任意位置;最后,用光电探测器检测反射光的光强信息并输入到示波器进行频谱分析,根据示波器显示的频移信号变化情况,可得出物体的旋转速度。2.根据权利要求1所述的基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法,其特征在于:叠加态涡旋光可照射到旋转物体上的任意位置,即叠加态涡旋光的光轴可与平板物体转轴存在夹角γ,光斑中心可与物体旋转中心存在横向位移d。3.根据权利要求1和权利要求2所述的基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法,其特征在于:当物体转轴与涡旋光传播轴共面时,物体的旋转角速度为Ω,物体表面上与椭圆光斑短轴夹角为θ处的旋转多普勒频移为:提取出特征频率:可得物体旋转速度:2CN111965378A说明书1/5页一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法技术领域[0001]本发明涉及一种基于涡旋光的任意入射条件下物体转速测量方法,通过测量旋转物体引起的涡旋光频移信号,可得出物体的旋转角速度。本方法可在涡旋光任意入射条件下测量物体的旋转速度,属于涡旋光探测领域,可应用于物体旋转运动的测量。技术背景[0002]涡旋光是一种具有螺旋波阵面和特殊光强分布的光场,拉盖尔高斯光是一种典型的涡旋光。近年来因涡旋光在光学操控、光通信、光学微测量等领域中具有广泛应用价值而饱受关注。光场中的涡旋现象最初由Boivin、Dow和Wolf于1967年在透镜组的焦平面附近发现。1973年,Bryngdahl首次开展了对制备涡旋光实验方法的探索。1979年Vaughan和Willets使用连续激光成功制备了涡旋光。1990年Yu、BazgenovV首次使用光栅法完成了涡旋光的制备。[0003]涡旋光的相位中含有角相位因子其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数,为方位角;每个光子携带的轨道角动量,为普朗克常数,该角相位因子说明涡旋光在传播过程中,若绕光轴传播一个周期,则波阵面正好绕光轴旋转一周,相位也相应改变2πl;螺旋形相位的中心是一个相位奇点,该处的相位不确定,并且光场振幅为零,因此在光场中心处形成了中空暗核。目前,涡旋光在光学微操控、高维量子态、利用旋转多普勒效应对物体的角速度进行遥感等领域的应用非常广泛。[0004]多普勒效应普遍存在于各类波中,在声波中表现为当声源靠近人耳时,听到的声音因为频率增加而变得尖锐;当声波远离人耳时,听到的声音因为频率降低而变得低沉。在电磁波领域,多普勒效应与声波类似,如高速公路上采用的电磁波测速雷达也采用这一原理。在可见光频率范围内,这一现象依然存在。经典光学频段内的多普勒效应可由下式表示:[0005][0006]式中,Δf表示探测器接收到的频率与光源之间的频率差,f0表示光源的频率,v表示物体与光源之间的相对运动速度,c表示介质中的光速。[0007]拉盖尔高斯光束是一种典型的涡旋光,是柱坐标系下近轴波动方程的一组解,在柱坐标系下涡旋光可以表示为:[0008]E(r,θ,t)=Af(r)exp[i(ωt-lθ)](2)[0009]式中,E表示电场强度,r表示柱坐标中的极径,θ表示柱坐标中的极角,t为光波传播时间,A表示振幅,f(r)为拉盖尔高斯函数,i是虚数单位,ω表示角波数,l为涡