[实用新型]一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置

说明书

本实用新型涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴，其中:激光器发出高斯光束，光束经准直扩束透镜扩束准直后照射在相位型空间光调制器上，将计算全息图通过计算机传输到相位型空间光调制器中生成涡旋光束并透射部分高斯光束；两种光束叠加后经分光棱镜透射后沿光轴入射到与旋转轴同步旋转的二次反射直角棱镜上；在其内部经历两次反射后叠加光束经分光棱镜反射后通过聚焦透镜会聚在CCD图像传感器上产生干涉；通过计算机计算干涉图样中暗斑的转动角度得出旋转物体角速度。本实用新型的装置结构简单，易于操作。

技术领域

本实用新型涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置。

背景技术

光子携带角动量早在1909年Poynting就提出了这一概念，并和光的偏振态相联系，1936年光子的自旋角动量被Beth等利用力学实验成功验证出来，测定了左、右旋圆偏振光的自旋角动量。1992年Allen通过研究表明，光子还携带有另外一种形式的动量，叫做轨道角动量。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、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：

线性多普勒效应广为人们熟知，指的是如果波源与观察者之间存在相对速度，那么观察者接收到波的频率会和波源存在一定的频率差。线性多普勒效应已经被广泛应用于测量物体移动速度、加速度等领域。多普勒效应不光存在于机械波，电磁波领域也同样存在。与线性多普勒不同的是，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应。

目前利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转物体角速度的方法在国际上出现不久，1997年圣安德鲁斯大学J.Courtial等人观测到旋转涡旋光束会产生多普勒频移现象。2013年英国物理学家马丁·拉弗瑞(Martin Lavery)和他的同事提出利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转金属圆盘角速度的方法，并进行了实验验证。

实用新型内容

为了克服已有技术所存在的缺陷，本实用新型目的在于：针对现有利用光学陀螺测量旋转物体角速度装置所存在的不足提出了一种基于旋转多普勒效应测量物体角速度的新装置。本装置结构简单，所用设备较少，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备；随着技术的发展能适用的环境和条件较广，尤其是在高速旋转的飞机发动机、高速旋转的电机、空间非合作目标卫星，甚至天文学中都有着可观的应用前景。

本实用新型所采用的技术方案为：一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴。所述准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜、二次反射直角棱镜、旋转轴共轴且顺次放置在激光器所发出光束的出射光路上，其中：所述二次反射直角棱镜固定在旋转轴上，固定位置为二次反射直角棱镜下反射面二分之一处；所述聚焦透镜位于前述二次反射直角棱镜上方；CCD图像传感器位于前述聚焦透镜上方；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连。