[发明专利]一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置

说明书

本发明公开了一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置。本发明采用具有相反角量子数的双模复用贝塞尔高斯光束作为探测光束，当其沿着旋转轴照射到旋转体上时，散射光被强度调制。通过探测该强度调制频率，即可反推出旋转体的转速。另外，由于贝塞尔高斯光束的无衍射特性，可在一定程度上消除光路中障碍物的影响。实验表明，无论探测光路中有无障碍物，本发明均可十分准确的测出旋转体的转速。本发明系统结构稳定，利于操作，可实现旋转体角速度的实时探测，同时可一定程度上消除光路中障碍物的影响，相比现有技术具有较大的进步。

技术领域

本发明设计光电技术领域，尤其涉及一种可消除障碍物影响的旋转体角速度探测方法与装置

背景技术

贝塞尔光束是柱坐标系下亥姆霍兹方程的特征解，具有无限延展的横模分布，同时也具有无衍射特性并可“自我修复”。然而，理想的贝塞尔光束在实际中是不存在的。实际中，一般选择贝塞尔高斯光束作为贝塞尔光束的近似。与贝塞尔光束类似，贝塞尔高斯光束在一定距离内也具有无衍射特性及自我修复性，它的光场分布可表示为：

其中，为极坐标，J_l为l阶第一类贝塞尔函数，l为拓扑电荷数，ω₀为定义贝塞尔高斯光束的基模腰斑半径。可以看出，贝塞尔高斯光束的光场表达式中含有涡旋相位项，表明其具有螺旋形波前，并且它的每一个光子均携带有轨道角动量(orbital angularmomentum,OAM)(为约化普朗克常量)。

多普勒效应是一个非常著名的物理现象，可以理解为：如果波源与观察者间存在相对运动，则波的频率会发生变化。多普勒频移既存在于机械波中，也存在于电磁波中。对于光波来说，光源与观察者间的相对运动会引起光波的频率变化，这个频率变化可以表示为：Δf＝f₀v/c。其中，f₀为初始光频，v为相对运动速度，c为光速。多普勒频移在交通测速、流体探测等领域都具有十分重要的应用。然而，对于旋转速度的探测，只能通过先测得线速度再推算角速度。前述的多普勒频移一般称为线性多普勒频移，而在旋转运动中，也存在一种多普勒频移，即旋转多普勒效应。当一束携带有角动量的光沿着旋转轴照射到旋转体上时，光的频率会发生改变，可以观测到旋转多普勒效应。通过旋转多普勒效应，可以很方便的实现旋转体速度的测量。

目前，科研人员已经利用具有涡旋相位的拉盖尔高斯光束实现了旋转体转速的测量，然而，当波源与待探测物体间存在阻碍时，衍射效应会使拉盖尔高斯光束的轨道角动量谱展宽，进而影响探测精度。因此，需要开发一种可消除障碍物影响的旋转体探测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法与装置。本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量方法，采用具有相反角量子数的两路复用贝塞尔高斯光束沿着旋转轴照射旋转体。由于贝塞尔高斯光束具有螺旋形波前并携带有轨道角动量，根据旋转多普勒效应和光拍频原理，其散射光会存在一强度调制，该强度调制的频率仅与旋转体的转速以及入射光角量子数的绝对值有关。通过探测器测得强度调制信号，经过傅里叶变换后即可得到强度调制频率，根据该强度调制频率可反推出旋转体的转速。特别的，由于采用双模复用贝塞尔高斯光束作为探测激光束，其无衍射特性可在一定程度上消除光路中阻碍的影响。

本发明的一种可消除障碍物影响的旋转体角速度测量装置，包括贝塞尔高斯光束生成部分和旋转体探测部分。其中贝塞尔高斯光束生成部分包括激光光源、偏振分光棱镜、全反镜、液晶空间光调制器、两个焦距为f的透镜和小孔光阑。其中：

所述偏振分光棱镜置于激光光源的后方光路中，用于生成水平线偏振基模高斯光束；

所述全反镜置于前述偏振分光棱镜的后方光路中，用于改变基模高斯光束的传输方向；

所述液晶空间光调制器置于全反镜的后方光路中，用于加载全息光栅，生成贝塞尔高斯光束；