一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置。它的主要部件包括激光器、偏振片、分光棱镜、螺旋相位板、凸透镜组、平面镜、光电探测器、微型示波器。首先，利用激光光源和螺旋相位板组合产生环状涡旋光束，经过透镜组对涡旋光进行扩束准直后照射于待测物体表面；其次，利用分光棱镜将物体表面散射回的光束与激光器分束而来的参考光束进行汇合拍频；最后，用光电探测器检测混合光束的光强信息并输入到示波器进行频谱分析。根据示波器显示的频移信号变化情况，可观测出旋转物体是否存在微小振动及其振动频率。本装置结构简单，特别是针对微小振动有较高的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置
本专利技术主要涉及光学、物理学、光电转换、信号检测领域，尤其是光束的相位调制、拍频检测等技术方法。技术背景本专利技术的技术背景主要基于光学多普勒效应。多普勒效应最早可追溯的1842年，自被发现以来如今已经在我们生活许多方面得到了运用。他的基本原理是当波源相对于接收装置做相向运动时，接收器接收到的波的频率将增大；当波源相对于接收装置做相反运动时，接收器接收到的频率将减小。这种相对运动速度越大则接收到的频率改变量也越大。多普勒效应普遍存在于各类波形中，在声波中表现为当声源靠近人耳时，听到的声音因为频率增加而变得尖锐；当声波远离人耳时，听到的声音因为频率降低而变得低沉。在电磁波领域也同样存在，如今高速公路上采用的电磁波测速雷达也即采用的这一原理。在可见光频率范围内这一现象依然存在，但由于光频率较高，一旦速度较大则频率改变难以实现测量。经典光学频段内的多普勒效可由下式表示：其中Δf表示物体接收到的频率与光源发出频率之间的频率差，f0表示光源的频率，v表示物体与光源之间的相对运动速度，c表示介质中的光速。当一束光具有螺旋形的横向相位分布时，其光束照射区域内就包含有轨道角动量(OAM)，这一概念最早由Allen等人于1992年提出。这种螺旋相位在柱坐标系下可由来表示，其中是角向坐标，l表示光束的拓扑荷数，可以理解为光束在一个波长的传播距离内相位由0到2π的跳变次数。这种光束的每个光子携带有的OAM，这种螺旋形相位结构的光可以统称为涡旋光。一束涡旋光的数学表达可以简写如下：其中E表示电场强度，A为振幅，f(r)可根据不同的光束特点来进行定义，例如拉盖尔-高斯函数或者贝塞尔函数等，涡旋光的光强分布如图3所示。从表达式中可以看出，exp(ilθ)项决定了涡旋光具有螺旋形的相位面分布。根据坡印廷矢量的含义，其表示电磁场中电场和磁场的外积，方向与光束的波阵面垂直。因此在涡旋光中，坡印廷矢量不与涡旋光束传播轴相平行，而是与其传播轴有一定的夹角。对于一束线性极化的拉盖尔-高斯光束，坡印廷矢量与光束传播轴之间的夹角α大小可以表示为sinα＝lλ/2πr，其中l表示拓扑荷数，λ表示光波长，π是圆周率，r为涡旋光束的半径。J·leach在研究中指出对于一般小拓扑荷数涡旋光，这一夹角的大小是毫弧度量级，因此sinα可以近似取α。由于涡旋光坡印廷矢量这一特殊分布结构，波印廷矢量便可以分解为沿着光束传播方向和垂直于光束传播方向的两个分量。那么根据多普勒效应原理，涡旋光就同时具备了探测沿光束传播方向和垂直于光束传播方向内运动的能力。单一旋转运动则恰好是在光束传播截面内的运动，尤其是当光束传播方向与物体转轴相重合时，则旋转目标仅有光束截面内的运动。这种情况下物体表面任意散射点的多普勒效应可表示为：式中c和f0分别表示电磁波在真空中的传播速度和频率。由于光波的频率过高而一般无法直接测量，因此通常采用拍频的方式来检验光束的频率变化。一种简单的方式便是采用拓扑荷数大小相同、方向相反的叠加态涡旋光束，这样所产生的实际测得频率便是式(3)计算值的两倍。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对机床转轴、发动机转子、涡轮叶片等高精度高速旋转物体而言，测量其微振动是目前存在的一个难题，本专利技术设计了基于涡旋光多普勒效应的物体微振动测量装置，可有效探测旋转目标微振动，尤其是对于恒定转速目标。通过观测目标旋转多普勒频移的峰值变化，获取旋转振动目标时频图，即可有效获取旋转目标振动信息。本装置结构简单，体积小，可以集成化，无需复杂光学器件，在高灵敏度测量转动物体微振动方面有着广阔的应用前景。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜(BS)1(3)、螺旋相位片(4)、凸透镜1(5)、凸透镜2(6)、BS2(7)、BS3(8)、光电探测器(9)、平面反射镜(10)、频谱分析示波器(11)。首先，激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，接着分光棱镜(3)将激光分为两束，一束作为参考光射向平面反射镜(10)来调节方向以备用，另一束实验光束透过螺旋相位片(4)之后变为中空的涡旋光，其拓扑荷数大小可以由螺旋相位片来决定；接下来将涡旋光扩束准直之后透过分光棱镜2照射于待测旋转物体表面，从待测旋转物体表面散射回来的光束经分光棱镜2之后透过分光棱镜3与反射镜(10)过来的参考光束汇合，形成拍频信号；最后，利用光电探测器(9)收集散射光，并将电信号传递给频谱分析示波器进行频谱分析，通过示波器显示的时频信号便可以精确获取旋转目标的微振动信息。本专利技术的原理是：(1)复合运动的多普勒效应普通平面光波具有经典多普勒效应，也称线性多普勒效应，当光源于物体之间存在相对运动的时候，光源发出的频率和物体之间接收到的频率之间会存在一定的差值，这一差值的大小与二者之间的相对运动速度成正相关，根据这一原理可以探测物体的线性运动速度。对于涡旋光而言，其波线方向与光束传播方向之间有一定的夹角，在垂直光束传播方向上也具有分量，产生旋转多普勒频移；沿着其光束传播方向上产生线性多普勒频移，与经典线性多普勒频移大小相同。因此，一束涡旋光照射运动目标时，产生的频移量为线性多普勒频移和旋转多普勒频移的总和，可表示为：式中f(θ)和分别表示与角度有关的函数项。当涡旋光传播轴与物体转轴相重合时，取1；当物体只有沿着涡旋光传播方向上的线性运动时，f(θ)取1。若物体转动速度恒定，那么式(4)中的旋转多普勒频移项为一固定值，在频谱图中呈现唯一的一个峰值，在时频图中呈现为一亮度均匀的水平线，线性多普勒频移为零。此时，若物体存在沿着转轴方向的一个微小振动，那么就会引起线性多普勒频移，速度的往复会导致线性频移正负变化，从而使得频率信号左右移动，在时频图中表现为一个依据振动规律而变化的震荡信号，振动中心为旋转多普勒频移的大小。根据这一变化，从而可以实时获取旋转物体的振动信息。由于探测光原频率和光速都为已知量，所以由物体振动引起的频率变化直接与物体的振动速度相关。在本专利技术中，物体振动引起的频移可表示为fz∝f(θ)vz·106，即在示波器为1Hz分辨率的条件下本方法的测量精度可达10-6m/s，从而实现了高灵敏度的振动测量。(2)光束相干测量原理从本专利装置图中可以看出，最终由光电探测器收集到的信号为未经物体调制的信号与原激光束混频叠加而来的信号，这种光信号在进入接收机之前接收端的本振光进行混频，产生一个等于本振光与信号光频率之差的信号的探测方式称作光束相干测量。其基本原理如下：本振光和探测光的表达式为分别为和其中A0代表光强，w表示光波的角频率，t表示时间，(k为波数，为光束沿传播方向的距离，为初始相位)表示初始相位和随这传播距离引起的相位变化。实验光束经物体反射与探测光叠加后，在光电探测器处的光强可表示为：...

【技术保护点】
1.本专利技术涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，它包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜(BS)1(3)、螺旋相位片(4)、凸透镜1(5)、凸透镜2(6)、BS 2(7)、BS 3(8)、光电探测器(9)、平面反射镜(10)、频谱分析示波器(11)。/n

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，它包括：激光器(1)、水平偏振片(2)、分光棱镜(BS)1(3)、螺旋相位片(4)、凸透镜1(5)、凸透镜2(6)、BS2(7)、BS3(8)、光电探测器(9)、平面反射镜(10)、频谱分析示波器(11)。


2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋光的恒定转速旋转物体微振动探测装置，其特征在于，将偏振调制后的激光分成两束，一束透过螺旋相位片产生环状涡旋光，并将涡旋光扩束准直后照射于待测旋转物体表面，另一束经过反射后与旋转物体表面散射回来的涡旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：任元，邱松，刘通，李晋川，王琛，李智猛，陈琳琳，陈晓岑，丁友，沙启蒙，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京;11