[发明专利]一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置

说明书

本发明涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置。它的主要部件包括激光器、偏振片、分光棱镜、螺旋相位板、凸透镜组、平面镜、光电探测器、微型示波器。首先，利用激光光源和螺旋相位板组合产生环状涡旋光束，经过透镜组对涡旋光进行扩束准直后照射于待测物体表面；其次，利用分光棱镜将物体表面散射回的光束与激光器分束而来的参考光束进行汇合拍频；最后，用光电探测器检测混合光束的光强信息并输入到示波器进行频谱分析。根据示波器显示的频移信号变化情况，可观测出旋转物体是否存在微小振动及其振动频率。本装置结构简单，特别是针对微小振动有较高的灵敏度。

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光学多普勒效应。多普勒效应最早可追溯的1842年，自被发现以来如今已经在我们生活许多方面得到了运用。他的基本原理是当波源相对于接收装置做相向运动时，接收器接收到的波的频率将增大；当波源相对于接收装置做相反运动时，接收器接收到的频率将减小。这种相对运动速度越大则接收到的频率改变量也越大。

多普勒效应普遍存在于各类波形中，在声波中表现为当声源靠近人耳时，听到的声音因为频率增加而变得尖锐；当声波远离人耳时，听到的声音因为频率降低而变得低沉。在电磁波领域也同样存在，如今高速公路上采用的电磁波测速雷达也即采用的这一原理。在可见光频率范围内这一现象依然存在，但由于光频率较高，一旦速度较大则频率改变难以实现测量。经典光学频段内的多普勒效可由下式表示：

其中△f表示物体接收到的频率与光源发出频率之间的频率差，f₀表示光源的频率，v表示物体与光源之间的相对运动速度，c表示介质中的光速。

当一束光具有螺旋形的横向相位分布时，其光束照射区域内就包含有轨道角动量(OAM)，这一概念最早由Allen等人于1992年提出。这种螺旋相位在柱坐标系下可由来表示，其中是角向坐标，l表示光束的拓扑荷数，可以理解为光束在一个波长的传播距离内相位由0到2π的跳变次数。这种光束的每个光子携带有的OAM，这种螺旋形相位结构的光可以统称为涡旋光。一束涡旋光的数学表达可以简写如下：

其中E表示电场强度，A为振幅，f(r)可根据不同的光束特点来进行定义，例如拉盖尔-高斯函数或者贝塞尔函数等，涡旋光的光强分布如图3所示。

从表达式中可以看出，exp(ilθ)项决定了涡旋光具有螺旋形的相位面分布。根据坡印廷矢量的含义，其表示电磁场中电场和磁场的外积，方向与光束的波阵面垂直。因此在涡旋光中，坡印廷矢量不与涡旋光束传播轴相平行，而是与其传播轴有一定的夹角。对于一束线性极化的拉盖尔-高斯光束，坡印廷矢量与光束传播轴之间的夹角α大小可以表示为sinα＝lλ/2πr，其中l表示拓扑荷数，λ表示光波长，π是圆周率，r为涡旋光束的半径。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。

由于涡旋光坡印廷矢量这一特殊分布结构，波印廷矢量便可以分解为沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的两个分量。那么根据多普勒效应原理，涡旋光就同时具备了探测沿光束传播方向和垂直于光束传播方向内运动的能力。单一旋转运动则恰好是在光束传播截面内的运动，尤其是当光束传播方向与物体转轴相重合时，则旋转目标仅有光束截面内的运动。这种情况下物体表面任意散射点的多普勒效应可表示为：

式中c和f₀分别表示电磁波在真空中的传播速度和频率。

由于光波的频率过高而一般无法直接测量，因此通常采用拍频的方式来检验光束的频率变化。一种简单的方式便是采用拓扑荷数大小相同、方向相反的叠加态涡旋光束，这样所产生的实际测得频率便是式(3)计算值的两倍。

发明内容