[发明专利]一种基于共轭叠加态涡旋光的物体旋转中心定位方法

说明书

本发明涉及一种基于共轭叠加态涡旋光的物体旋转中心定位方法。共轭叠加态涡旋光是包含两种共轭模式的涡旋光，可由激光器结合空间光调制器制得，光束的拓扑荷数、半径可灵活调节。一束准直发射的共轭叠加态拉盖尔‑高斯光束垂直照射到旋转物体表面，分析反射光发生的频移可解算物体旋转中心偏移光束中心的距离，调节光束的半径和拓扑荷数可以控制解算精度；调整光束在不同位置解算该距离可以确定旋转中心在物体表面的位置；调整光束的位置使频谱出现单一信号时，物体旋转中心与光束中心重合，可实现物体旋转中心的标定。该方法操作简便，调整灵活，定位精度高，应用范围广，可用于物体的旋转中心定位。

技术领域

本发明涉及一种基于共轭叠加态涡旋光的物体旋转中心定位方法，通过多次测量共轭叠加态涡旋光的光束中心与物体旋转中心的距离，可确定物体旋转中心的位置，也可通过调整光束照射到物体表面的位置，实现对物体旋转中心的标定。本方法可用于物体旋转中心的定位，在机械加工、光学测量的领域具有重要应用价值。

技术背景

涡旋光是一种携带轨道角动量(OAM)的空间结构光束，带有螺旋相位因子其中l为轨道角动量拓扑荷数，也称为模式数，为方位角。光束中的每个光子携带的轨道角动量，为约化普朗克常数，该相位因子说明涡旋光在传播过程中，若光束传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2πl。螺旋相位因子的中心是一个相位奇点，奇点处的相位不确定，且光强为零，因此光束中心为中空暗核，光束具有环状的强度分布。涡旋光有不同种类，如拉盖尔-高斯光束、贝塞尔-高斯光束、圆艾利-高斯光束等。共轭叠加态涡旋光是同时包含两种共轭模式(符号相反的两种拓扑荷数)的涡旋光，拓扑荷数为|-l+|+l，在拉盖尔-高斯(LG)模式下，其强度分布为花瓣状，花瓣数量为2l，均匀分布在以光束中心为圆心的圆上。

涡旋光可由多种方法制备，常用的方法包括模式转换法、计算全息法、空间光调制器法、Q板法和矩阵螺旋相位板法。在实验室条件下，空间光调制器法较为常用，可根据需求灵活调节光束的拓扑荷数、径向节数和半径。相位型空间光调制器通过控制电场引起液晶显示器空间相位的变化，从而将新的信息写入光波中，实现对光波的调制。如通过复振幅调控技术制备LG光束的全息图样并加载到空间光调制器，用一束线偏振高斯光照射空间光调制器的液晶显示屏，出射光包含多个衍射级次的LG光束。通过空间滤波，可选出质量和强度均较高的一级衍射光。

涡旋光具有特殊的中空结构，光束半径与诸多因素有关。例如，一束共轭叠加态拉盖尔-高斯光束的拓扑荷数为(|-l+|+l)，包含比例相等的两种共轭模式(+l和-l)，其具有花瓣状的强度分布，光束中心的强度为零。光束的半径不仅与其复振幅中的高斯函数有关，还受到拓扑荷数、径向节数等参数的影响，也受到扩束、准直等实验操作的影响。在光束的横截面内，每个花瓣的强度分布关于光束中心成旋转对称，且均服从高斯分布，一束共轭叠加态LG光束的半径定义为：在光束的径向上，场振幅减小到最外面一个极大值的1/e的点至光束中心的距离。

当涡旋光照射到旋转物体表面时，光束携带的OAM与旋转物体发生相互作用，反射光会发生频移，这一现象被称为旋转多普勒效应。收集反射光进行光电转换，对转换后的电压信号进行采样及傅里叶变换，可以得到旋转多普勒频移谱，该频移谱通常由若干离散的峰值信号组成并受到诸多参数的共同影响，如：光束的拓扑荷数、光束的半径、物体的旋转频率、光束照射的位置等。当其他参数确定时，光束照射在物体表面的位置不同，得到的旋转多普勒频移谱也不同，因此可以从频移谱的组成解算旋转物体相对于光束的位置，并确定物体旋转中心的位置。同时，旋转多普勒效应也可用于测量物体的自旋频率和自旋加速度等，对于旋转运动参数的测量具有重要意义。

发明内容