[发明专利]涡旋光陀螺

摘要

本发明涉及一种涡旋光陀螺。首先根据涡旋光波函数利用相位调制的方法产生由波阵面螺旋方向相反且轨道角动量拓扑荷数分别为±l涡旋光组成的耦合态涡旋光；根据sagnac效应可知耦合态涡旋光产生系统与待测物体的同步转动使得波阵面螺旋方向相反的两束涡旋光产生与待测物体旋转速度相关的光程差；涡旋光的特殊性使得光程差反映在角频率移动中；调节涡旋光光路改变其传播方向并经过调制过滤后再接收并测量涡旋光的波形；通过波形解析得到叠加态涡旋光的角频率移动并计算出待测物体的角速率信息。本发明属于惯性技术中新概念陀螺领域，可应用于未来超高灵敏度且小型化的导航定位等领域。

主权项

1.一种涡旋光陀螺,首先根据涡旋光波函数利用相位调制的方法产生由波阵面螺旋方向相反且轨道角动量拓扑荷数分别为涡旋光组成的耦合态涡旋光；根据sagnac效应可知耦合态涡旋光产生系统与待测物体的同步转动使得波阵面螺旋方向相反的两束涡旋光产生与待测物体旋转速度相关的光程差；涡旋光的特殊性使得光程差反映在角频率移动中；调节涡旋光光路改变其传播方向并经过调制过滤后再接收并测量涡旋光的波形；通过波形解析得到叠加态涡旋光的角频率移动并计算出待测物体的角速率信息,具体包括以下步骤：(1)根据Laguerre‑Gaussian光束波函数表达式，通过相位调制产生拓扑荷数为的Laguerre‑Gaussian光也叫叠加态涡旋光：式中，是拉盖尔‑高斯多项式，是表征轨道角动量大小的拓扑荷数，p表示各成分所占的比例，Z表示光的相位，为光束宽度，是拉盖尔多项式，r是激光腔的半径，Z_R＝kω²₀/2表示瑞利长度，k是波数，i是虚数单位，ω₀是当Z＝0时光束的宽度，是波前的半径，φ表示螺旋相位因子；(2)叠加态涡旋光与待测物体同步转动产生光程差并反映在角频率移动中将(1)中的叠加态涡旋光产生系统放在待测物体待测维度的旋转轴上，产生系统与待测物体做共轴旋转，由于叠加态涡旋光是由波阵面螺旋方向相反的两束涡旋光组成，因此根据sagnac效应可知由于叠加态涡旋光束中螺旋方向相反的两束涡旋光同步转动将会产生和转动频率相关的光程差，为了便于测量利用涡旋光的特殊性将光程差转换为角频率移动，值得注意的是由于光源转动引起的离心力和科氏力也会对涡旋光角频率产生影响，但光束旋转所产生的sagnac效应起主导作用；(3)接收并解析发生角频率移动的涡旋光将发生频移的叠加态涡旋光经过光路调节和调制过滤后利用CCD接收，得到光强随时间变化的波形曲线，既而得到产生频移后的涡旋光频率ν*，与初始频率ν相比较得到频率移动Δν＝ν*‑ν，换算得到角频率移动为：Δω＝2πΔν  (2)(4)根据角频率移动得到待测物体的姿态根据旋转多普勒效应结论并考虑到离心力和科氏力对频移的影响，且二者都是光源以角速率Ω旋转引起的，因此引入表示离心力和科氏力对频移影响的因子m后得到待测物体角速率Ω表达式：