一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统.pdf

(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CN105675903A(43)申请公布日2016.06.15(21)申请号201610035730.4(22)申请日2016.01.19(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学(72)发明人高春清付时尧张世坤(51)Int.Cl.G01P3/36(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图4页(54)发明名称一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统(57)摘要本发明公开了一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统。本发明提供的角速度测量系统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，探测系统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系统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。本发明的系统结构简单，易于操作，相比现有技术具有较大进步。CN105675903ACN105675903A权利要求书1/1页1.一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统，其特征在于，具备：光源模块，用于产生涡旋光束；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；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，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所述的系统，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，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的系统，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，探测系统的发射端与接收端共点。4.一种基于权利要求1所述的系统的涡旋光束测量旋转体转速的方法，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：2CN105675903A说明书1/4页一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统技术领域[0001]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系统。背景技术[0002]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。[0003]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，涡旋光束在光通信系统、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。[0004]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。[0005]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，进而导致探测系统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[0006]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系统。其目的在于，解决旋转体探测系统中，激光垂直入射时无法测量旋转体转速的问题。[0007]本发明提供的基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统，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。[0008]本发明的一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统，其具备：[0009]光源模块，用于提供涡旋光束；[001