[发明专利]一种用于角速度测量的光学系统

说明书

本发明的用于角速度测量的光学系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜、螺旋相位片和四分之一波片，经第一分光棱镜后的透射光和反射光分别形成信号光和参考光；螺旋相位片将信号光转化为涡旋光，偏振分束镜完全透射的参考光与偏振分束镜完全反射的涡旋信号光汇成一路光束，汇成一路光束的信号光与参考光经第二偏振片后偏振方向相同，并发生光外差干涉。本发明的用于角速度测量的光学系统，通过转动第一半波片，可对透过第二半波片之后的信号光与透过第一偏振片之后的参考光的光强比进行调节，以使汇成一束的涡旋信号光与参考光的光强比相等，此时干涉衬比度最大，光电探测器所检测到的差分电信号信噪比最高。

技术领域

本发明涉及一种用于角速度测量的光学系统，更具体的说，尤其涉及一种利用涡旋光照射于旋转物体上的频移现象来实现角速度测量的光学系统。

背景技术

涡旋是自然界最常见的现象之一，普遍存在于水、云和气旋等经典宏观系统。大量理论和实验证实，光波场中也存在涡旋。涡旋光是一种具有螺旋形波前结构的奇异光，其光束中心具有相位奇点，使其横截面光强呈环状中空分布。涡旋光作为波动的一种形式，具有由于螺旋形的相位结构而产生的轨道角动量。1992年，英国物理学家Allen教授最早证实涡旋光的轨道角动量具有量子特性，每一个光子携带lh的角动量。

如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动时也具有多普勒效应。光的传播方向与待测物体的速度方向不能垂直，因此也称为线性多普勒效应。2013年，英国学者Martin P.J.Lavery和西班牙学者Camelo Rosales-Guzman几乎在同一时间首次分别从实验上证实涡旋光的旋转多普勒效应，并将之用于测量角速度。两个研究小组都利用空间光调制器(SLM)产生涡旋光进行旋转多普勒测速。国内北京理工大学、西安交通大学等研究小组亦采用相似的方法产生涡旋光。

利用SLM法只需通过计算机控制显示在SLM上的全息图，就能够控制产生光学涡旋的位置、大小以及角量子数，具有较高的灵活性。但是SLM高昂的价格、复杂的控制系统及反射式工作方式等不利因素限制其进一步的推广应用。另外一种常见方法是利用螺旋相位板产生涡旋光束。螺旋相位板采用透射式工作方式，转换效率高，透射光传播方向不发生偏折。与SLM相比，体积更小，结构更简单，通过设计有望进一步缩小整个测量系统所占空间。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种用于角速度测量的光学系统。

本发明的用于角速度测量的光学系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜、螺旋相位片和四分之一波片，激光光源与第一分光棱镜之间设置有第一半波片，激光光源用于产生线偏振激光，激光光源产生的激光经第一半波片旋转偏振方向后照射于第一分光棱镜上，经第一分光棱镜后的透射光和反射光分别形成信号光和参考光；其特征在于：第一分光棱镜与螺旋相位片之间设置有第二半波片，第一分光棱镜与偏振分束镜之间设置有第一偏振片，偏振分束镜与第二分光棱镜之间设置有第二偏振片；第一分光棱镜透射的信号光经第二半波片旋转偏振方向后照射于螺旋相位片上，螺旋相位片将信号光转化为角量子数为l的涡旋光；螺旋相位片转化的涡旋光照射于偏振分束镜上，偏振分束镜使照射于其上的涡旋光完全透射，完全透射的涡旋光经四分之一波片后垂直照射于待测旋转体上，涡旋光经待测旋转体反射再次经过四分之一波片，其偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转，旋转后的涡旋光照射于偏振分束镜被全反射；

第一分光棱镜反射形成的参考光经第一偏振片改变偏振方向，并被调整光强后，照射于偏振分束镜上，照射于偏振分束镜上的参考光发生完全透射；偏振分束镜完全透射的参考光与偏振分束镜完全反射的涡旋信号光汇成一路光束，汇成一路光束的信号光与参考光经第二偏振片后偏振方向相同，并发生光外差干涉，发生干涉的光束照射于第二分光棱镜上，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。