[发明专利]基于镜面系统的旋转多普勒频移增强装置

说明书

本发明涉及一种基于镜面系统的旋转多普勒频移增强装置。其主要部件包括激光器、偏振片、透镜组、分光棱镜、空间光调制器、偏振分光棱镜、平凸透镜、光电探测器、1/4玻片、平面镜、微型示波器。首先，激光器产生基模光束，经偏振调制并扩束准直后照射加载有全息图的空间光调制器以制备叠加态涡旋光；其次，将涡旋光依次透过分光棱镜，偏振分光棱镜和1/4玻片后照射于旋转物体转轴中心，物体反射光经过1/4玻片、偏振分光棱镜及平面镜作用后再次照射在物体表面从而实现频移加倍；最后，二次散射的光束经分光棱镜2反射后汇聚于光电探测器，示波器采集电信号并进行傅里叶变换，可获得加倍的频移信息及转速。本装置结构简单，可对物体转速信息进行有效放大。

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，尤其是光场调控、拍频检测等技术领域。

技术背景

本发明的技术背景主要基于具有螺旋形相位的涡旋光及其多普勒效应。涡旋光是一种具有中空环状结构光强分布的光束，也称为面包圈光束，其中心暗核处存在相位奇点，其余部分相位呈螺旋状分布。Poynting矢量可用来描述电磁波的能流大小及方向，可用来表示，其中ε表示系数因子，表示电场强度，表示磁场强度。因为Poynting矢量可用电场与磁场的外积来表示，因此可看出Poynting矢量与电场及磁场方向垂直。

在涡旋光场中，电场与磁场方向在螺旋相位面内，Poynting矢量方向垂直于相位面，因此Poynting矢量方向与光束传播方向不再垂直，而是与光轴方向存在一夹角，能流随着光束传播会绕着光束旋转，因此使得涡旋光场中的每个光子携带了轨道角动量(OAM)，这一轨道角动量的大小为其中l为涡旋光的拓扑荷数，表示普朗克常量。

正是因为涡旋光具有螺旋相位且携带有OAM这一特殊性质，近些年来已被广泛应用于粒子操控、OAM通信、旋转目标探测以及螺旋谱成像等领域。随着技术手段的不断更新，涡旋光已经有了多种制备方式，从固定拓扑荷(螺旋相位板、Q板)数到任意拓扑荷数(空间光调制器)，从一般拓扑荷数(100)到大拓扑荷数(400)，从腔外产生到腔内生成(涡旋激光器)。尤其是近几年来，涡旋光在量子领域也展现出了意外的潜力。一束普通涡旋光场U可用下式来表示：

其中决定了涡旋光的螺旋相位，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，是涡旋光相位角，U₀是光场强度。

经典的涡旋光模式为拉盖尔-高斯模式(LG Mode)，在柱坐标下可由表示为：

其中z_R是瑞丽衍射距离，ω(z)是束腰半径，表示拉盖尔多项式，C表示与光强有关的常数。k代表波矢，其大小一般为2π/λ，p是拉盖尔多项式的阶数，决定了涡旋光的径向阶次。

对于一束线性极化的拉盖尔-高斯(LG)光束，坡印廷矢量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，r为光束中对应点的半径。

根据多普勒效应原理，当物体与波源之间有相对运动时，则物体接收到的波的频率与波源发出波的频率之间存在一差值。当物体靠近波源时，接收到的频率将增大；当物体远离波源时，接收到的频率将减小。这一频率变化Δf可表示为：

Δf＝f₀v/c (4)

式中c和f₀分别表示光速和光源在介质中的频率，v表示物体与波源之间的相对运动速度，对任意光束上述多普勒效应关系均成立。

发明内容