[发明专利]基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置

说明书

本发明涉及一种基于涡旋光的旋转物体转轴倾斜角检测装置。它的主要部件包括He‑Ne激光器、偏振片、透镜组、偏振分光棱镜、空间光调制器、4f滤波系统、平凸透镜、光电探测器、微型示波器。首先，激光器产生高斯光束，经准直后照射加载有特定全息图的空间光调制器以制备叠加态涡旋光；其次，将涡旋光照射于旋转物体转轴中心，经物体散射后，利用凸透镜收集散射光；最后，利用光电探测检测散射光束的强度变化并将信号传给示波器，示波器进行傅里叶变换，根据频谱带宽信息就可以判断物体转轴相对与光束入射方向的倾斜角。本装置结构简单，在各种极端条件下仍可以有效工作。

技术领域

本发明主要涉及光学、物理学、光电转换、信号检测领域，尤其是光束的相位调制、拍频检测等技术方法。

技术背景

本发明的技术背景主要基于旋转多普勒效应。经典多普勒效应(LDE)由物体与波源之间线性相对速度引起，其技术成熟，应用领域广泛；而与之相对应的旋转多普勒效应(RDE)则是由探测波源与旋转物体之间的相对旋转速度引起，尚未得到实际应用。旋转多普勒效应的产生，需要能绕传播轴具有旋转速度的探测波源，这种波源在经典物理领域可以通过使拉盖尔-高斯光束透射旋转道威棱镜(Dove)或者1/4波片获得。

自1992年Allen发现光子轨道角动量(OAM)以来，携带OAM的涡旋光的特性逐渐被人们揭开。研究发现这种光束具有螺旋形波阵面，其坡印廷矢量与光束传播轴存在夹角α。此外，在高阶贝塞尔-高斯光束中，这一夹角的大小可表示为sinα＝lλ/2πr，其中l表示涡旋光的拓扑荷数，λ表示光波长，r表示光束上任意一点到光轴的距离。J·leach在研究中指出对于一般小拓扑荷数涡旋光，这一夹角的大小是毫弧度量级，因此sinα可以近似取α。

携带有这种轨道角动量的光叫做涡旋光，可以通过螺旋相位板、空间光调制器(SLM)、计算全息等方式制备，涡旋光有着圆环形的强度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用e^ilθ来描述，其中l是其拓扑荷数，表征的是涡旋光束在一个波长内相位由0到2π的跳变次数，θ是涡旋光相位角。因此一束涡旋光的光场分布可以表示为：

对于一束线性极化的拉盖尔-高斯(LG)光束，坡印廷矢量S在柱坐标系下可表示为：

其中C为常数，分别表示坡印廷矢量的三个柱坐标，从中可以得到坡印廷矢量与柱坐标z轴方向的夹角为α＝l/kr，k表示光波数，r为光束中对应点的半径。

坡印廷矢量的大小表示在光束中每一瞬时、任意一个小区域的能量的大小，而其方向则表示光波能流的方向，那么对于待测微小散射体来说，光子照射到每个小散射体时的方向也沿着此坡印廷矢量方向。坡印廷矢量与传播轴不平行，能流绕着传播轴呈螺旋状，这样就导致了光子周向速度的存在和轨道角动量的产生。

旋转多普勒效应与经典多普勒效应有着相似的机理，经典多普勒效应的基本原理如下，当物体沿着光传播方向与光源的相对运动速度为v时，光源的频率与物体接收到的光频率之间的差值为：

式中c和f₀分别表示光速和光源在介质中的频率。当涡旋光照射旋转物体时，其光子传播方向与物体表面散射体的运动方向如图2所示，此时考虑任一微小散射体，散射体的运动速度v_p与坡印廷矢量之间的夹角为由几何关系可知根据式(3)，此时的多普勒效应公式变为：

若采用叠加态涡旋光，那么产生的频移将是式(4)计算值的2倍。上式可以理解为将光子的线性运动速度投影到与转盘平面平行的光轴截面所得到的多普勒频移，相对速度是涡旋光“周向速度”与物体表面每点周向速度之间的相对运动速度。

发明内容