[发明专利]基于轨道角动量光束的微小旋转角度测量系统

说明书

本发明公开了一种基于轨道角动量光束的微小旋转角度测量系统，包括：激光器，用于发射激光光束；扩束模块，位于所述激光器的激光输出口后，用于对激光器发射的激光进行扩束；空间光调制器，位于所述扩束模块的光束输出口后，用于将扩束模块扩束后的激光经相位调制后反射出共轭轨道角动量模式叠加态注入待测量旋转系统；光束分析仪，位于待测量旋转系统光束输出口后，用于收集待测量旋转系统旋转微小角度前和后出射的光斑，并根据收集的光斑提取待测量旋转系统旋转的微小角度。本发明测量精度更高。

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于轨道角动量光束的微小旋转角度测量系统。

背景技术

光学精密测量是物理学和光学的重要研究方向，一般利用激光干涉原理，将所需要测量的物理量转换为干涉相位进行超高精度测量。光学轨道角动量模式具有螺旋相位并且维度是无限的，对自身的旋转角度，其相位会有l倍的变化，因此在旋转测量领域具有天然的优势。通过搭建干涉仪，就可以测量轨道角动量光束的相位变化，并且测量精度可以提高l倍。然而，干涉仪的搭建不仅需要很多光学元件以及电子仪器，成本高昂，而且还容易受到空间低频噪声的干扰，影响测量精度。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种测量精度更高的基于轨道角动量光束的微小旋转角度测量系统。

技术方案：本发明所述的基于轨道角动量光束的微小旋转角度测量系统包括：

激光器，用于发射激光光束；

扩束模块，位于所述激光器的激光输出口后，用于对激光器发射的激光进行扩束；

空间光调制器，位于所述扩束模块的光束输出口后，用于将扩束模块扩束后的激光经相位调制后反射出共轭轨道角动量模式叠加态注入待测量旋转系统；

光束分析仪，位于待测量旋转系统光束输出口后，用于收集待测量旋转系统旋转微小角度前和后出射的光斑，并根据收集的光斑提取待测量旋转系统旋转的微小角度。

进一步的，所述扩束模块由位于光路上的两个透镜组成，位于光路后面的透镜是位于前面透镜的焦距的n倍，n为4到7之间的正整数。

进一步的，所述空间光调制器调制的共轭轨道角动量模式叠加态由拓扑荷数为+l和-l的两个轨道角动量模式叠加而成，具体为：

式中，为共轭轨道角动量模式叠加态，r为半径，为方位角，光斑能量最强的方向为0°方位角，为拓扑荷数为+l的轨道角动量模式的光场，为拓扑荷数为-l的轨道角动量模式的光场，l为任意整数，R_|l|(r)为光场的径向分布。

进一步的，所述光束分析仪提取待测量旋转系统旋转的微小角度的方法具体包括：

A、以待测量旋转系统旋转前出射的光斑中心为坐标系原点，以光斑能量最强的方向为初始方向，将光斑平均分为4l个扇形区域；

B、获取待测量旋转系统旋转后的出射光斑的光强分布

C、保持分割区域不变，根据光斑的光强分布计算待测量旋转系统旋转后出射光斑的第n个扇形区域的光强：

D、将相邻扇形区域的强度相减后累加，得到累加光强：

E、根据下列公式计算待测量旋转系统旋转的微小角度

式中，

进一步的，所述待测量旋转系统具体为道威棱镜。所述道威棱镜的纵轴、旋转架的中心轴以及光束的传播轨迹保持重合。