本发明涉及一种波粒涡旋陀螺的陀螺效应验证装置。本装置结构简单、便捷高效，可对波粒涡旋陀螺的陀螺效应进行定量与定性的验证分析。
技术背景
陀螺仪作为一种重要的惯性导航设备，在军用和民用领域都发挥着重要的作用。波粒涡旋陀螺仪，是通过激子极化激元涡旋叠加态的sagnac效应来敏感载体框架相对惯性空间角运动的仪器。波粒涡旋陀螺属于全新机理的新型陀螺，其具有超高精度、小体积、快启动的突出优势。
利用激子极化激元的sagnac干涉，可实现载体角速率敏感，激子极化激元bec类似静电陀螺仪中的高速转子，由于激子极化激元bec的超流特性，可实现与载体框架的完全隔离，圆环形光斑能够激发出稳定的激子极化激元涡旋叠加态，并且通过自发相干辐射输出与框架隔离的涡旋叠加态干涉图样，从而实现基准和框架相对运动的读出。
波粒涡旋陀螺属于国际首创，虽然理论上证明了波粒涡旋陀螺效应，但实验验证陀螺效应的装置还处于空白。因此科学、精确、高效的陀螺效应验证装置对推动波粒涡旋陀螺的研究发展具有重大意义，也是目前波粒涡旋陀螺应用性研究的前瞻性问题。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：针对波粒涡旋陀螺的陀螺效应实验验证的迫切需求，提出了一种波粒涡旋陀螺的陀螺效应验证装置，不仅能对陀螺效应进行定性的验证，而且能够对陀螺效应进行高精度的定量检测。本装置结构简单，光路易调，操作方便，是开展波粒涡旋陀螺灵敏度及其精度研究的基础，是量子陀螺从理论研究到实验验证实现应用的关键。
本发明的技术解决方案是：首先，激光器(1)产生的高斯光束经空间光调制器(2)调制为环状对称分布的泵浦光，然后经过分光棱镜1(3)后射入低温恒温器(4)的光学窗口，照射样品表面激发出稳定的激子极化激元涡旋叠加态，转动旋转台1(5)和旋转台2(9)，旋转样品和图像传感器2(8)；激子极化激元相干自发辐射输出涡旋叠加态花瓣状干涉图样透过分光棱镜1(3)，经分光棱镜2(7)分束后被图像传感器1(10)和图像传感器2(8)接收检测。其中，图像传感器1(10)检测涡旋叠加态干涉图样是否转动，用于定性验证波粒涡旋陀螺的陀螺效应，图像传感器2(8)随旋转台2(9)同步转动，检测干涉图样的旋转速率，解析出旋转台的角速率信息，用于定量验证波粒涡旋陀螺的陀螺效应。
本发明的原理是：
(1)定性检测的原理
激光器(1)产生的高斯光束经空间光调制器(2)调制为环状对称分布的泵浦光，然后经过分光棱镜1(3)后射入低温恒温器(4)的光学窗口，照射样品表面激发出稳定的激子极化激元涡旋叠加态，如图3所示；转动实验转台1(5)，旋转样品；激子极化激元相干自发辐射输出花瓣状干涉图样经分光棱镜1(3)后被图像传感器1(10)接收。
在微腔转动的时候，两个沿着相反方向转动的涡旋得到的sagnac相位差在微腔参考系中会使得花瓣状干涉图样向着微腔转动方向的相反方向转动；如果图像传感器1(10)相对地球不动，花瓣状干涉图样在微腔参考系中的转动与微腔本身的转动情况下处于静止。
(2)定量检测的原理
激光器(1)产生的高斯光束经空间光调制器(2)调制为环状对称分布的泵浦光，然后经过分光棱镜1(3)后射入低温恒温器(4)的光学窗口，照射样品表面激发出稳定的激子极化激元涡旋叠加态，转动旋转台1(5)和旋转台2(9)，旋转样品和图像传感器2(8)；激子极化激元相干自发辐射输出涡旋叠加态花瓣状干涉图样经分光棱镜1(3)与分光棱镜2(7)后被图像传感器2(8)接收检测。则涡旋叠加态sagnac相位差与载体框架的旋转速率有如下关系：
φω(t)＝2lωt(1)
其中φω(t)表示干涉图样sagnac相位差，ω表示被测载体转动角速率，l表示涡旋叠加态图样的花瓣数，t表示干涉时间。图像传感器2检测涡旋花瓣的数目以及在干涉时间t内所产生的相位差，根据方程解算出载体框架的旋转速率。
如图4所示，将图像传感器(2)检测到的花瓣状干涉图样沿θ＝2mπ/4l(m＝0，1，...4l-1)分成4l个区域γk(k＝1，2，...，4l。定义i1为2l个区域γk(k＝1，3，...，4l-1)的总光强，i2为2l个区域γk(k＝2，4，...，4l)的总光强。然后检测奇数空间的总光强减去偶数空间的总光强来作为判断整体涡旋叠加态花瓣状干涉图样改变的依据。
当系统发生旋转时，光强i1和i2满足
其中i0为总光强，δφω为涡旋叠加态花瓣状干涉图样sagnac相位差。在实验过程中i1和i2通过时间累加
和空间累加
得到。定义δ为通过空间相减得到的相对光强变化
可得相对光强差与干涉图样相位差之间的关系
根据公式(1)进一步得出载体框架旋转速率与相对光强差的关系
本发明的方案主要优点在于：
(1)结构简单，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备，在普通的光学平台上就可以实现。
(2)本装置实现了定性和定量验证叠加态波粒涡旋的陀螺效应一体化，能够同时进行定性和定量检测陀螺效应，具备高效率的突出优势。
附图说明
图1为波粒涡旋陀螺的陀螺效应验证实验装置示意图；
图2为波粒涡旋陀螺的陀螺效应验证实施方案示意图；
图3为激子极化激元涡旋叠加态干涉图；
图4为涡旋叠加态花瓣状干涉图样光强区域划分示意图；
具体实施方案
本发明实现陀螺效应验证的实验装置如图1所示，本发明的具体实施方案如图2所示，具体实施步骤如下：
定性检测：激光器(1)产生的高斯光束经空间光调制器(2)调制为环状对称分布的泵浦光，然后经过分光棱镜1(3)后射入低温恒温器(4)的光学窗口，照射样品表面激发出稳定的激子极化激元涡旋叠加态，如图3所示；转动实验转台1(5)，旋转样品；激子极化激元相干自发辐射输出花瓣状干涉图样经分光棱镜1(3)后被图像传感器1(10)接收。如果涡旋干涉图样处于静止，则证明激子极化激元涡旋叠加态具备陀螺效应。
定量检测：激光器(1)产生的高斯光束经空间光调制器(2)调制为环状对称分布的泵浦光，然后经过分光棱镜1(3)后射入低温恒温器(4)的光学窗口，照射样品表面激发出稳定的激子极化激元涡旋叠加态，转动旋转台1(5)和旋转台2(9)，旋转样品和图像传感器2(8)；激子极化激元相干自发辐射输出涡旋叠加态花瓣状干涉图样经分光棱镜1(3)与分光棱镜2(7)后被图像传感器2(8)接收检测。涡旋叠加态sagnac相位差与载体框架的旋转速率有如下关系：
φω(t)＝2lωt(9)
其中φω(t)表示干涉图样sagnac相位差，ω表示被测载体转动角速率，l表示涡旋叠加态图样的花瓣数，t表示干涉时间。图像传感器2检测涡旋花瓣的数目以及在干涉时间t内所产生的相位差，根据方程解算出载体框架的旋转速率。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。