基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置

1.本发明主要涉及光学、物理学、激光器、光电转换领域，尤其是光束的光场调控、拍频检测等技术方法。
技术背景
2.激光的特点和表现会被回馈光严重的影响或调制。重新回到激光腔体内部的电场在反射条件下是高度相干的，然而如果是被散射面或者散射体散射回来的光束则只具有部分相干或者是很弱的相干性。自从激光发现以来，激光回馈现象已经成为了许多激光问题的来源，例如增加了激光器的噪声和不稳定性等。但另一方面而言，受控的激光回馈会具有较大的实际用途，例如，缩窄激光器线宽和提升频率稳定性等方面都发挥了重要的作用。
3.近年来，随着对激光回馈干涉原理的研究深入，基于激光回馈干涉的测量系统得以发明。激光稳定的强度受到外部物体回馈光的调制，与目标表面反射率、距离以及运动等参数密切相关。最早的一个激光回馈干涉距离以及速度测量方案是1963年由king和steward提出来的。在接下来的几年中，基于相位敏感的技术也被用来测量目标运动的方向、测量激光轴向模式数、测量速度、测量激光频率稳定性、以及计量学应用等。
4.在频率变换回馈中，微片激光器展现出了非常高的回馈灵敏度(10^6)。这一特性已经被广泛应用于各种物理学测量中，例如基于回馈激光器的多普勒测速仪，光学回馈测振仪，光学回馈断层扫描技术，以及光学回馈位移测量等。由于具有高敏感性，微片激光回馈测量在探测弱信号时具有独特的优势。根据速率方程模型，频率变换条件下的微片激光器回馈光强度可表示为，
[0005][0006]
其中，δi表示激光的强度调制信号，is是稳定状态下(没有回馈光和量子极限噪声影响)的激光器输出光强，is可以通过激光的速率方程求解得到；κ是由外谐振腔决定的光强回馈因子，φ是由外腔长度引起的外腔相位，φs是一个固定相位；g(x)是回馈光放大因子，这一回馈放大因子与频率相关，当回馈光频移2ω接近弛豫震荡频率ωr的时候这一回馈放大因子有最大值。对于微片激光器而言，这一放大倍数可达106。
[0007]
由于激光自回馈效应可有效检检测出外界弱回馈光的频移变化，因此在计量学中具有广泛的应用前景。多普勒效应是自然界中普遍存在的一种现象，根据爱因斯坦的相对性原理和光速不变原理，经典光学中的线性多普勒效应可用下式表示：
[0008][0009]
其中δf1表示光束照射在运动物体表面产生的频移，fc表示探测光束自身的频率，v表示物体与波源之间的相对运动速度，c表示光速。
[0010]
1992年，allen等人首次提出了具有螺旋相位因子的结构光束可能携带有轨道角动量(oam)的这一概念，这一发现掀起了人们对这种具有螺旋相位的结构光束研究的热
潮。具有这种螺旋形相位的光束被称为涡旋光，它具有环状的光强分布。涡旋光束的波前不再是一个平面，而是一个螺旋形的相位面，从而导致光束poynting矢量不再与光束传播方向平行，而是有一个夹角。因为这个夹角的存在，我们可以将这种涡旋光束的poynting矢量分解到沿光束传播和垂直于光束截面两个方向上，根据这一特性，当这种光束与运动物体相互作用时，将同时对沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的运动产生响应。
[0011]
2013年英国格拉斯哥大学padgett等人系统总结并提出了一种利用叠加态涡旋光探测旋转物体转速的方案，首次实现了利用涡旋光束对旋转物体转速的测量，揭示了涡旋光探测的巨大应用潜力，相关成果发表在《science》上。涡旋光poynting矢量与光轴之间的夹角可表示为sinβ＝lλ/2πr，其中l为涡旋光的拓扑荷数，λ表示光束的波长，r为光场中任意位置到光轴之间的距离。当一束涡旋光对准转轴探测一旋转物体时，对于每个微小散射体而言，相当于是与光束poynting矢量之间有了一个夹角，代入倾斜条件下的线性多普勒频移公式可得：
[0012][0013]
其中δf2表示涡旋光照射在旋转物体表面产生的旋转多普勒频移。


技术实现要素：

[0014]
本发明的技术解决问题是：
[0015]
针对自然界中广泛存在的旋转运动，非合作、高精度、无接触的测量目标转速具有广阔的应用场景，而现有测量手段在测量表面无明显特征的旋转目标时难以实现高精度实时测量，此外，物体表面散射较弱时也难以实现旋转信号有效提取。本发明创新性的将结构光束的旋转多普勒效应与激光自回馈耦合探测技术结合起来，可实现对非合作、弱散射旋转物体的转速信息获取。本装置结构简单、体积小、易于集成化，可发展成为便携式转速测量设备。
[0016]
本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于自回馈旋转多普勒效应的目标转速探测装置，如图1所示，其主要部件包括：微片激光器(1)、凸透镜(2)、分光棱镜(3)、光电探测器(4)、声光移频器1(5)、声光移频器2(6)、偏振片1(7)、四分之一玻片(8)、涡旋玻片(9)、偏振片2(10)。首先，微片激光器(1)产生频率为f0的激光经过两个声光移频器共同作用后产生一个大小为δf0的频移，此时光束频率为f0+δf0。
[0017]
其次，经声光移频器移频后的光束再次透过阶数为m的涡旋玻片(9)后变为拓扑荷数为m的涡旋光。随后照射到转速大小为ω的旋转物体表面，由于旋转多普勒效应影响，物体表面散射光将发生大小为f
mod
的频移。
[0018]
接下来，散射光经过原光路返回，再次透过两个声光移频器后频率变为f0+2δf0+f
mod
并返回激光谐振腔，在激光谐振腔内经过放大作用后与频率为f0原光束形成拍频耦合。
[0019]
最后，从微片激光器出射的光束经过分光棱镜(3)反射后照射到光电探测器(4)可检测出大小为2δf0+f
mod
的回馈光频移，此时减去声光移频器引入的固定频移量，根据公式便可以计算得出旋转物体转速的大小。
[0020]
本发明的原理是：
[0021]
(1)激光自回馈效应
[0022]
自从激光发现以来，激光回馈现象已经成为了许多激光问题的来源，例如增加了激光器的噪声和不稳定性等。但另一方面而言，受控的激光回馈会具有较大的实际用途，例如，缩窄激光器线宽和提升频率稳定性等现象都可以观测到。潜在的应用的其中之一便是激光回馈干涉测量系统，激光稳定的强度受到外部表面回馈光的调制。这一回馈现象会收到目标表面反射率、距离以及运动的影像。最早的一个激光回馈干涉距离以及速度测量方案是1963年由king和steward提出来的。在接下来的几年中，基于相位敏感的技术也被用来测量目标运动的方向、测量激光轴向模式数、测量速度、测量激光频率稳定性、以及计量学中的应用。
[0023]
根据l-k速率公式以及激光自回馈效应可得，激光输出光子率可以表示为，
[0024][0025]
在弱光回馈条件下，dbr光纤激光的增益可以表示为，
[0026][0027]
其中η表示归一化的泵浦系数，取决于激光输出与激光阈值之比；ωr＝2πfr表示激光的驰宇震荡频率，《p
out
》和φs分别表示稳定激光输出光子率和固定的额外相位。此外，γc＝1/τc，γ1＝1/τ1表示空腔阻尼率和种群反转阻尼率。
[0028]
由上式可知，当2ω＝ωr时候，增益率g(2ω)具有最大值，此时将会导致一个非常大的自回馈调制增强效应。目标产生的多普勒频移角频率为ωd＝2πfd，频移器件(如声光移频器)产生的频移为ω＝2πf。因为回馈光进入激光腔的时候经历了两次移频器件，因此回馈激光的频移相对于腔内产生激光的变化量为ωd+2ω，既对回馈光与腔内激光干涉形成的拍频强度调制频率也为ωd+2ω。
[0029]
根据上一节中所示的装置图，从微片激光器出射的光束可表示为，
[0030][0031]
透过声光移频器(aom1和aom2)之后其光束频率变为，
[0032][0033]
其中δω1和δω2分别表示两个声光移频器的移频频率。这是激光发射出激光器的最终频率。在回馈光路的实现中，探测光束经过物体作用之后，还将在返回光路中再次通过声光移频器，此时反射光变为已经发生频移的光束。回馈通过声光移频器之后光束变为，
[0034][0035]
其中δf表示散射光与运动物体相互作用之后产生的频移量。
[0036]
为了使回馈光产生的频移在微片激光器的弛豫震荡频率附近，通常两个声光移频器的移频方向应为互相相反。因此最终通过这一回馈干涉系统探测到的信号频率为，
[0037]
δfs＝2(δω1+δω2)+δf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0038]
其中，δω1和δω2为实验系统中设置的已知量，因此经过回馈放大之后，由于运动目标引起的光束频移δf可以被探测出来。
[0039]
(2)基于矢量涡旋光的旋转多普勒效应原理
[0040]
极坐标系下涡旋玻片的液晶主轴在其横截面上的分布规律可表示为：
[0041][0042]
其中m为涡旋玻片的级次，取值为0.5的整数倍。α0为时的初始主轴方向。
[0043]
涡旋玻片的琼斯矩阵可以表示为，
[0044][0045]
其中，α由式(10)决定。任何一束光的偏振态可由入射光的琼斯矢量和光学元件的琼斯矩阵相乘积来得到。
[0046]
从微片激光器(nd-yvo)出射的波长为1064nm的激光的电场分布及其偏振态(以竖直偏振为例)在柱坐标系下可表示为，
[0047][0048]
其中是角坐标，k是平面波的波矢。投射斜45
°
放置的qwp之后，上述线偏振光将会变成左旋圆偏振光。式(12)投射qwp之后变为，
[0049][0050]
若将上述光束透射拓扑荷数为m的涡旋玻片，则会产生相反偏振态的m阶右旋涡旋光束。这一过程可以表示为，
[0051][0052]
可见在上述过程中，光束的偏振态发生了反向。
[0053]
到这里完成了自回馈干涉系统中，平面波到涡旋波的转换，接下来考虑光束照射物体相互作用部分。
[0054]
根据螺旋谱分解理论，任何目标的表面相位也可以用一系列螺旋谱来表示，若考虑一纯相位物体，以角速度ω进行旋转，其表面相位可表示为，
[0055][0056]
在本实验中，我们采用空间光调制器模拟旋转纯相位物体，而空间光调制器仅对水平偏振光会产生响应，因此在照射slm之前，再次通过qwp对出射圆偏振涡旋光进行调偏，变为水平偏振涡旋光。将式(14)圆偏振涡旋光透过qwp后共轴照射在旋转物体表面上，散射
光的光场可以由入射光与散射光的相位乘积来表示，既，
[0057][0058]
其中n表示slm上添加的纯相位旋转目标的螺旋谱阶次，这一阶次通常未知，但这一螺旋谱的阶次可由散射光与入射光的拓扑荷数之差来决定。在已知接收散射光的阶次之后，物体表面螺旋谱的阶次可以表示为n＝l
s-m。此时可以看出，当仅接收散射光的基膜(l＝0)阶成分时，散射光产生的频移δf由入射光的拓扑荷数大小来决定，既δf＝-mω。
[0059]
由于slm上添加闪耀光栅的缘故，模拟物体反射回来的光束将不再沿着原光路返回，而是与回路有一定夹角。为了尽可能验证涡旋光自回馈测量的效果，通过反射镜，将上述光束调整至原光路。此时散射光束仍为水平线偏振光束，反向透射过qwp后，变为右旋圆偏振光束。再次逆向通过涡旋玻片，反向观察涡旋玻片其液晶主轴与式(10)所示的相位角恰好成手性对称。结合式(10)，此时，透射光可表示为，
[0060][0061]
其中，光束相位φ＝kz-ωt+α0，α0表示涡旋玻片主轴起始方位角，当α取零的时这一相位项与出射光相位相同。回馈光再次经过竖直偏振片筛选后将会进入回馈内腔与本振光发生干涉拍频。
[0062]
回馈光相对于出射光，明显区别在于其螺旋相位因子。两次穿过涡旋玻片，加上被旋转目标表面调制后的相位因子变为以及旋转频移项inωt，其大小取决于转速以及旋转相位型物体的拓扑荷数。由于回馈进入激光谐振腔内的光束之后基膜才能与本振光发生谐振拍频，因此最终探测到的频率仅为式(17)中基膜成分发生的频移，而上式中基膜光成分的条件为2m+n＝0，既物体表面螺旋谱阶数为探测涡旋光二倍的成分才能被检测到。此时，产生的频移大小为，
[0063]
δf＝2mω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0064]
值得注意的是，与传统旋转多普勒效应表达式不同，这里虽然采用单一态的涡旋光作为探测光，但是其产生的旋转多普勒频移为普通单一态涡旋光探测产生频移的2倍。
[0065]
(3)光束相干测量
[0066]
从本专利装置图中可以看出，最终由光电探测器收集到的信号是从激光器中出射的混频激光信号。频移的产生是由于激光外腔的物体表面产生的散射光回射入激光器中，经过谐振腔的放大与腔内激光进行相干拍频而得到，其基本原理如下：
[0067]
回馈光和本振激光光的表达式可分别写为和其中a0代表光强，w表示光波的角频率，t表示时间，(k为波数，为光束沿传播方向的距离，为初始相位)表示初始相位和随这传播距离引起的相位变化。实验光束经物体反射与探测光叠加后，在光电探测器处的光强可表示为：
[0068][0069]
激光的频率一般在10
14
量级，远远超出了光电探测器的响应频率，因此式(19)中的二倍频项将变为直流分量，而差频项根据其大小范围一般可落在光电探测器响应范围之内，故差频项的周期大小变化就体现在了光电探测器的信号中。
[0070]
在本专利中，激光光源产生的是一束频率相同的线偏振光束，经过在腔外与物体作用并进行偏振调制之后，依旧是保持线偏振不变的状态进入激光谐振腔，从而可实现与腔内激光拍频干涉。外腔回馈光的频移往往与物体的运动情况直接相关，从而可以获取到物体的运动信息，这种利用光束相干，去掉共模部分、保留差模部分的探测方法在高频电侧波探测中广泛应用。
[0071]
本发明的主要优点：
[0072]
(1)本装置技术新颖，操作简单，使用方便，易于控制。
[0073]
(2)本装置在探测表面散射光较弱的目标时具有较高的灵敏度。根据设计原理可以看出，本装置激光自回馈放大效应，通过腔内谐振可实现微小光强的放大，具有很高的灵敏度。
[0074]
(3)本装置具有很高的探测精度。由于外界物体运动本质上会发生位移的变化，而通过激光干涉测量位移具有激光波长级的探测精度，可实现纳米级的探测精度。
[0075]
(4)本装置以光波作为探测介质，其传输距离远、测量速度快，不受温度、环境等因素的影响，响应迅速，有着广阔的应用前景。
附图说明
[0076]
图1为探测装置示意图；
[0077]
图2单一态左/右旋偏振的涡旋光束；
[0078]
图3叠加态线偏振的矢量涡旋光束；
[0079]
图4转速分别为1700deg/s和1600deg/s时的探测结果；
[0080]
图5方向辨识探测结果
具体实施方案
[0081]
本发明以基于激光自回馈效应以及矢量涡旋光调控技术进行探测，具体实施步骤如下：
[0082]
首先，如图1所示基本装置原理图，微片激光器(1)产生频率为f0的激光，经过两个声光移频器(5)和(6)共同作用后产生一个大小为δf0的频移，此时光束频率为f0+δf0。
[0083]
其次，经声光移频器移频后的光束再次透过阶数为m的涡旋玻片(9)后变为拓扑荷数为m的涡旋光。根据装置中1/4玻片(8)和线偏振片(10)的不同摆放角度，出射涡旋光可分别呈现左旋圆偏振、右旋圆偏振(如图2所示)，径向矢量偏振和线偏振(如图3所示)几种状态。随后照射到转速大小为ω的旋转物体表面，由于旋转多普勒效应影响，物体表面散射光将发生大小为f
mod
的频移。
[0084]
接下来，散射光经过原光路返回，再次透过偏振片(10)、涡旋玻片(9)、1/4玻片
(8)、两个声光移频器(5)和(6)之后后频率变为f0+2δf0+f
mod
并返回激光谐振腔(1)，在激光谐振腔内经过放大作用后与频率为f0原光束形成拍频耦合。
[0085]
最后，从微片激光器(1)出射的光束经过分光棱镜(3)反射后照射到光电探测器(4)可检测出大小为2δf0+f
mod
的回馈光频移，此时减去声光移频器引入的固定频移量，根据公式便可以计算得出旋转物体转速的大小。以目标设定转速为5rps为例，光束调制为叠加态涡旋光的条件下产生的回馈光频移如图4所示；若改变涡旋光的偏振态，将探测涡旋光束调制为单一态涡旋光，那么在目标顺/逆时针不同方向下，所产生的频移将分布在参考信号光不同一侧，相应探测结果如图5所示。
[0086]
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。