[发明专利]可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统

说明书

本发明的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统，包括激光光源、第一分光棱镜、偏振分束镜、第二分光棱镜和光电探测器，第一分光棱镜反射和透射的激光分别作为信号光和参考光，信号光经第二半波片旋转偏振方向后，再经螺旋相位片产生线偏振涡旋光照射于偏振分束镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。本发明的角速度测量系统，利用第一半、第二半波片和偏振片对信号光、参考光的偏振方向和光强进行控制，以使信号光和参考光发生干涉时的光强相等或基本相等，即此时光的干涉最强，使得光电探测器获取的差频信号最强。

技术领域

本发明涉及一种角速度测量系统，更具体的说，尤其涉及一种利用了涡旋光横向多普勒频移效应和光外差探测法的可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统。

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。涡旋光的相位含有方位角项其中l为涡旋光的角量子数，为方位角。涡旋光螺旋形的等相位波面，使其坡印廷矢量方向与光轴成一夹角α，α的大小与角量子数l成正比。

早在1842年，奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(ChristianJohann Doppler)便提出多普勒效应这一概念。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)；在运动的波源后面时，波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。线性多普勒效应，要求物体的运动方向与波的传播方向不能垂直。

进入21世纪，人们对光学涡旋的认识达到了新的高度。与线性多普勒效应不同的是，当一束具有轨道角动量的涡旋光沿旋转轴垂直照射到粗糙的旋转体表面时，同样出现频移现象，称为旋转多普勒频移。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。

产生携带轨道角动量的涡旋光束，有很多种方法。在实验阶段，大多是利用空间光调制器(SLM)中的计算全息图反射，产生具有±l的两个纠缠态的涡旋光进行差分频移检测。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。另外，利用两个纠缠态的涡旋光不需要单独设置信号光和参考光干涉光路，而且由于散射比率相同，两束光干涉光强比接近于1，有利于差分信号的输出。但是SLM高昂的价格、复杂的控制系统及严格的光路共轴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，有利于光路搭建。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。螺旋相位片虽然不能灵活设置涡旋光束的角量子数，但对某一特定光源来说，固定的角量子数不影响其对某一旋转体角速度的测量。利用螺旋相位片测量旋转角速度，缺点也很明显，经旋转体散射的信号光与参考光不共路，两束光的光强相差较大，不利于差分信号的输出，甚至检测不到。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可以精细调整信号光与参考光光强比的角速度测量系统。