[发明专利]一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统

说明书

本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，包括激光光源、第一和第二偏振分束镜、分光棱镜、光电探测器和被测旋转物体，第一偏与第二偏振分束镜之间设置有螺旋相位片，第二偏振分束镜与待测旋转物体之间设置有四分之一波片；第一偏振分束镜反射的信号光经螺旋相位片转换为线偏振涡旋光，信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。本发明的光学系统，通过转动半波片可调节经第一偏振分束镜的反射光束与透射光束的光强比，使得照射于分光棱镜上的参考光与信号光的光强相等，使得干涉条纹衬比度最大，以准确反映待测旋转物体的转动角速度。

技术领域

本发明涉及一种测量旋转体角速度的光学系统，更具体的说，尤其涉及一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统。

背景技术

角速度可以反映旋转物体的运动特性，在诸多场合要求精确测量物体的旋转角速度，如电机轴转速、扫描反射镜转速、粒子自旋、精液中精子的类螺旋运动、天体的旋转及轨道运动等。常规测量角速度的方法，如陀螺仪、编码器等，在很多场合下应用受到限制。比如，液体中的粒子、空天运动目标及星空中天体角速度的测量，使用常规的测量手段很难实现。

涡旋是自然界最常见的现象之一，普遍存在于水、云和气旋等经典宏观系统。大量理论和实验证实，光波场中也存在涡旋。涡旋光是一种具有螺旋形波前结构的奇异光，其光束中心具有相位奇点，使其横截面光强呈环状中空分布。涡旋光作为波动的一种形式，具有由于螺旋形的相位结构而产生的轨道角动量。涡旋光的相位含有方位角项其中l为涡旋光的角量子数，为方位角。进入21世纪，人们对光学涡旋的认识达到了新的高度。与线性多普勒效应不同的是，当一束具有轨道角动量的涡旋光沿旋转轴垂直照射到粗糙的旋转体表面时，同样出现频移现象，称为旋转多普勒频移。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。利用涡旋光的横向多普勒效应测量角速度，具有精度高、响应时间快、非接触测量等显著优点。但是这种方法也有一定的缺陷。由于散射光的光强太弱，干涉光场的条纹衬比度不高，导致光电探测器获取的差分频移信号信噪比不高。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统。

本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，包括激光光源、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、分光棱镜、光电探测器和被测旋转物体，激光光源用于产生线偏振激光；激光光源与第一偏振分束镜之间设置有半波片，激光光源发出的激光经半波片旋转偏振方向后，照射于第一偏振分束镜上，第一偏振分束镜的反射光和透射光分别作为信号光和参考光；其特征在于：所述第一偏振分束镜与第二偏振分束镜之间设置有螺旋相位片，第二偏振分束镜与待测旋转物体之间设置有四分之一波片；第一偏振分束镜反射的信号光经螺旋相位片转换为线偏振涡旋光，涡旋光入射于第二偏振分束镜上；第二偏振分束镜实现对入射的涡旋光的全反射，第二偏振分束镜反射的涡旋信号光经四分之一波片后照射于待测旋转物体上，旋转物体反射的信号光再次经过四分之一波片后，偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转；

偏振方向发生90°旋转的信号光照射于第二偏振分束镜上发生透射，透射的信号光照射于分光棱镜上，第一偏振分束镜透射形成的参考光照射于分光棱镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。

本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，激光光源与半波片之间设置有扩束镜，激光光源发出的线偏振激光经扩束镜的扩束后照射于第一偏振分束镜上。

本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，第一偏振分束镜与分光棱镜之间设置有第一全反射镜，四分之一波片与待测旋转物体之间设置有第二全反射镜；第一偏振分束镜透射形成的参考光经第一全反射镜的反射后照射于分光棱镜上，四分之一波片透过的涡旋光和待测旋转物体反射的涡旋光均经第二全反射镜进行反射。