一种基于涡旋光束的旋转体角速度测量系统的制作方法
【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。祸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一高斯光束、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；
[0010]发射接收模块，用于涡旋光束的发射与接收；
[0011]信息处理模块，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；
[0012] 显示模块，用于输出转速测量结果。
[0013] 本发明具有以下有益效果：
[0014] 1)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。
[0015] 2)测量方法简单，可直接快速读出测量结果。
【附图说明】
[0016] 图1(a)为高斯光束测量旋转体转速示意图。
[0017] 图1(b)为涡旋光束测量旋转体转速示意图。
[0018] 图2为本发明的实施方式构成图。
[0019]图3为本发明的角速度测量系统中，光源模块的内部构成图，其中，301-单频激光 器，302-分光棱镜，303-光隔离器，304-螺旋相位片。
[0020] 图4为本发明的角速度测量系统中，发射接收模块的内部构成图，其中，401-分光 棱镜，402-保护玻璃，403-准直器。
[0021] 图5为本发明的角速度测量系统中，信息处理模块的内部构成图，其中，501-分光 棱镜，502-拍频探测器，503-高速采集卡，504-主机。
[0022]图6为本发明的角速度测量系统中，显示模块的内部构成图，其中，601-显示器驱 动电路，602-显示器。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图，对本发明做一详细的描述。
[0024] 本发明主要用于测量旋转体的角速度，其基本原理为多普勒频移。多普勒频移是 指，光波长会由于光源和观测者的相对运动的变化而变化。当待测物体向光源运动时，波长 变短，频率变高，这种现象称为蓝移；当待测物体背向光源运动时，会产生相反的效应，波长 变长，频率变低，这种现象称为红移。相对运动速度越高，所产生的频移效应越大。根据接收 到的光波的频率变化情况，可以计算出被测物体的速度。
[0025] 对于光波来说，设光速为c，光频率为fo，物体的运动速度为v，则当这一束光沿着 物体的运动方向照射到物体上后，光的频率变化量A f可以表示为：
[0026] Δ f = f〇v/c
[0027] 当测量旋转体的转动速度时，若采用高斯光束照射旋转面测量，则入射光束需以 一定的角度入射，只有这样才能具有与旋转体旋转线速度方向平行的速度分量。若垂直入 射，则不会有水平速度分量，转速测量无法实现，如图1(a)所示。由于入射角α很小，因此sin α ? α，此时，光的频率变化量Δ f可以表示为：
[0028] Δ f = af〇v/c
[0029] 若采用涡旋光束入射，即使在光束垂直入射时，也可实现旋转角速度的测量，如图 1(b)所示。这是由于涡旋光束具有螺旋形波前同时携带有轨道角动量，使得其传播时的波 印廷矢量方向与其光轴方向不平行，而是呈一定的夹角a，其可表示为：
[0030]
[0031] 其中，1为涡旋光束的角量子数，λ为涡旋光束光波长，r为涡旋光束的考察点距光 轴的距离。因此，当涡旋光束沿旋转轴方向垂直照射旋转面且光束中心与旋转轴重合时（图 1 (b))，其反射光的频率变化可以表示为：
[0032]
[0033] 其中，Ω为待测旋转体的角速度。若测出频率变化Af，即可反推出旋转体角速度 的大小Ω。
[0034]本发明的探测系统中采用两路角量子数相反的涡旋光束合束入射，则测得频率变 化与旋转体角速度的大小关系为：
[0035]
[0036] 下面结合图2,简要介绍本发明的具体实施构成。本发明的【具体实施方式】构成包括