本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種渦旋光陀螺。首先根據(jù)渦旋光波函數(shù)利用相位調(diào)制的方法產(chǎn)生由波陣面螺旋方向相反且軌道角動量拓?fù)浜蓴?shù)分別為±l渦旋光組成的耦合態(tài)渦旋光；根據(jù)sagnac效應(yīng)可知耦合態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)與待測物體的同步轉(zhuǎn)動使得波陣面螺旋方向相反的兩束渦旋光產(chǎn)生與待測物體旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的光程差；渦旋光的特殊性使得光程差反映在角頻率移動中；調(diào)節(jié)渦旋光光路改變其傳播方向并經(jīng)過調(diào)制過濾后再接收并測量渦旋光的波形；通過波形解析得到疊加態(tài)渦旋光的角頻率移動并計(jì)算出待測物體的角速率信息。本發(fā)明專利技術(shù)屬于慣性技術(shù)中新概念陀螺領(lǐng)域，可應(yīng)用于未來超高靈敏度且小型化的導(dǎo)航定位等領(lǐng)域。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種渦旋光陀螺。技術(shù)背景慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比具有全天候、全時(shí)空、隱蔽性好、不易被干擾、無法被反利用和生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是作為一種推算式導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺儀誤差將導(dǎo)致其導(dǎo)航參數(shù)誤差隨時(shí)間迅速積累，即導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散，長期穩(wěn)定性差。因此，陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，是制約慣性導(dǎo)航精度的主要瓶頸。針對未來航天活動需求，由于飛行距離、飛行時(shí)間、飛行速度的不斷提高，對導(dǎo)航設(shè)備精度、靈敏度和體積提出了越來越高的要求。現(xiàn)有的待測物體角速率的高精度測量方法主要采用激光陀螺和光纖陀螺這兩類光學(xué)陀螺。激光陀螺的方法精度較高，但加工復(fù)雜且存在零點(diǎn)漂移和閉鎖問題，同時(shí)噪聲來源較多；光纖陀螺雖然加工簡單，精度高，但系統(tǒng)穩(wěn)定性差，體積大，成本較高,且抗沖擊性能較差，存在零點(diǎn)漂移問題，同時(shí)由于精度和體積的矛盾使得精度受到很大的限制。從技術(shù)水平上來說，我國光學(xué)陀螺技術(shù)起步較晚，雖然取得很多可喜的成就，但總體水平仍落后于西方國家，且由于工藝水平原因，使得實(shí)際應(yīng)用方面的差距更大。利用渦旋光測量旋轉(zhuǎn)物體角速率的方法在國際上出現(xiàn)不久，由于這種方法的優(yōu)越性且其精度巨大的提升空間受到國內(nèi)外廣發(fā)光注。1997年圣安德魯斯大學(xué)J.Courtial等人觀測到旋轉(zhuǎn)渦旋光束會產(chǎn)生頻移現(xiàn)象。2013年英國物理學(xué)家馬丁·拉弗瑞(Martin Lavery)和他的同事提出利用渦旋光測量旋轉(zhuǎn)金屬圓盤角速率的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前將基于疊加態(tài)渦旋光的慣性測量方法應(yīng)用到陀螺領(lǐng)域中在國際上尚屬首次公開提出。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有利用光學(xué)陀螺測量待測物體角速率方法所存在的不足提出了一種渦旋光陀螺，可以實(shí)現(xiàn)對飛行器角速率進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的測量。本方法結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，對工藝要求較低易于大規(guī)模應(yīng)用，且自身具備一定的噪聲消除功能，優(yōu)化算法簡單；同時(shí)本方法相較其他方法具有較大的精度提升潛力，由于理論上可以制備出具有無窮大軌道角動量的渦旋光，因此隨著所能制備的渦旋光的軌道角動量增大，本方法的精度將隨之提高；在
方面，利用疊加態(tài)渦旋光sagnac效應(yīng)測量角速率屬于新興技術(shù)前沿，且將這一技術(shù)應(yīng)用到待測物體角速率測量方面尚屬首次公開提出。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：本專利技術(shù)涉及一種渦旋光陀螺。根據(jù)疊加態(tài)渦旋光sagnac效應(yīng)原理，將疊加態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)和測量系統(tǒng)放置于待測物體旋轉(zhuǎn)軸上；首先根據(jù)疊加態(tài)渦旋光波函數(shù)利用相位調(diào)制的方法產(chǎn)生軌道角 動量拓?fù)浜蓴?shù)為±l的疊加態(tài)渦旋光；疊加態(tài)渦旋光的兩條螺旋方向相反的子光束與待測物體的同步轉(zhuǎn)動誘發(fā)sagnac效應(yīng)，使得疊加態(tài)渦旋光攜帶待測物體運(yùn)動信息；調(diào)節(jié)疊加態(tài)渦旋光光路改變其轉(zhuǎn)播方向并經(jīng)過調(diào)制過濾后再接收并測量疊加態(tài)渦旋光的波形；通過波形解析將疊加態(tài)渦旋光攜帶的待測物體運(yùn)動信息提取出來并利用疊加態(tài)渦旋光sagnac效應(yīng)結(jié)論得到待測物體的角速率信息。具體包括以下步驟：本專利技術(shù)涉及一種渦旋光陀螺。首先根據(jù)渦旋光波函數(shù)利用相位調(diào)制的方法產(chǎn)生由波陣面螺旋方向相反且軌道角動量拓?fù)浜蓴?shù)分別為±l渦旋光組成的耦合態(tài)渦旋光；根據(jù)sagnac效應(yīng)可知耦合態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)與待測物體的同步轉(zhuǎn)動使得波陣面螺旋方向相反的兩束渦旋光產(chǎn)生與待測物體旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的光程差；渦旋光的特殊性使得光程差反映在角頻率移動中；調(diào)節(jié)渦旋光光路改變其傳播方向并經(jīng)過調(diào)制過濾后再接收并測量渦旋光的波形；通過波形解析得到疊加態(tài)渦旋光的角頻率移動并計(jì)算出待測物體的角速率信息。具體包括以下步驟：(1)根據(jù)Laguerre-Gaussian光束(簡稱LG光束)波函數(shù)表達(dá)式通過相位調(diào)制產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)為±l的LG光也叫疊加態(tài)渦旋光：式中，是拉蓋爾-高斯多項(xiàng)式，l是表征軌道角動量大小的拓?fù)浜蓴?shù)，p表示各成分所占的比例，Z表示光的相位，為光束寬度， 是拉蓋爾多項(xiàng)式，r是激光腔的半徑，zR＝kω20/2表示瑞利長度，k是波數(shù)，i是虛數(shù)單位，ω0是當(dāng)z＝0時(shí)光束的寬度，是波前的半徑，φ表示螺旋相位因子；(2)疊加態(tài)渦旋光與待測物體同步轉(zhuǎn)動產(chǎn)生光程差并反映在角頻率移動中將(1)的中疊加態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)放在待測物體待測維度的旋轉(zhuǎn)軸上，產(chǎn)生系統(tǒng)與待測物體做共軸旋轉(zhuǎn)，由于疊加態(tài)渦旋光是由波陣面螺旋方向相反的兩束渦旋光組成，因此根據(jù)sagnac效應(yīng)可知由于疊加態(tài)渦旋光束中螺旋方向相反的兩束渦旋光同步轉(zhuǎn)動將會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動頻率相關(guān)的光程差，為了便于測量利用渦旋光的特殊性將光程差轉(zhuǎn)換為角頻率移動，值得注意的是由于光源轉(zhuǎn)動引起的離心力和科氏力也會對渦旋光角頻率產(chǎn)生影響，但光束旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的sagnac效應(yīng)起主導(dǎo)作用；(3)接收并解析發(fā)生角頻率移動的渦旋光將發(fā)生頻移的疊加態(tài)渦旋光經(jīng)過光路調(diào)節(jié)和調(diào)制過濾后利用CCD接收，得到光強(qiáng)隨時(shí)間變化的波形曲線，既而得到產(chǎn)生頻移后的渦旋光頻率ν*，與初始頻率ν相比較得到頻率移動Δν＝ν*-ν，換算得到角頻率移動為：Δω＝2πΔν (5)(4)根據(jù)角頻率移動得到待測物體的姿態(tài)根據(jù)旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)結(jié)論并考慮到離心力和科氏力對頻移的影響，且二者都是光源以角速率Ω旋轉(zhuǎn)引起的，因此引入表示離心力和科氏力對頻移影響的因子m后得到待測物體角速率Ω表達(dá)式：Ω＝ω/(2l+m) (6)本專利技術(shù)的原理是：Laguerre-Gaussian光束(簡稱LG光束)也叫渦旋光，它的波函數(shù)是：式中，是拉蓋爾-高斯多項(xiàng)式，l是表征軌道角動量大小的拓?fù)浜蓴?shù)，p表示各成分所占的比例，Z表示光的相位，為光束寬度， 是拉蓋爾多項(xiàng)式，r是激光腔的半徑，zR＝kω20/2表示瑞利長度，k是波數(shù)，i是虛數(shù)單位，ω0是當(dāng)z＝0時(shí)光束的寬度，是波前的半徑，φ表示螺旋相位因子；在本方法中利用空間光調(diào)制器SLM(圖2)和制備高階軌道角動量光束的LabVIEW算法如圖3所示，N表示放大倍數(shù)。制備具有高階軌道角動量的疊加態(tài)渦旋光束。空間光調(diào)制器是一種像素化的液晶顯示器,每個(gè)像素都能獨(dú)立調(diào)控反射或者透射光波的相位或振幅.它還可以通過與計(jì)算機(jī)交互使用,實(shí)時(shí)而便捷地產(chǎn)生各種圖樣的計(jì)算機(jī)全息光柵,具有響應(yīng)速度快、頻 譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。LabVIEW算法是從一束標(biāo)準(zhǔn)拉蓋爾-高斯光束中分別提取強(qiáng)度信息和相位信息經(jīng)過變換后讓環(huán)形的強(qiáng)度分布恰好充滿空間光調(diào)制器的液晶窗口,對相位矩陣則乘以整數(shù)N,從而將原來相位螺旋度提高N倍,這樣修正后的拉蓋爾-高斯光束攜帶的軌道角動量將高達(dá)Nl。疊加態(tài)渦旋光的波陣面是由兩條螺旋方向相反的子波陣面構(gòu)成，并且每個(gè)光子都具有的軌道角動量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將一束拓?fù)浜蓴?shù)為±l的疊加態(tài)渦旋光入射到以角頻率Ω旋轉(zhuǎn)的金屬圓盤上，渦旋光將會產(chǎn)生與光程差成正比的頻移ω，且有ω＝2lΩ；具體推導(dǎo)過程如下：光纖陀螺的Sagnac效應(yīng)公式：Δφ＝4πRL/(λc) (8)其中Δφ為相位差，R為為環(huán)形光纖的半徑，L為光纖的總長度，λ為波長。設(shè)想將光纖陀螺中分別向相反方向傳播的光束分別用耦合態(tài)中的+l和-l的渦旋光代替，根據(jù)相位和角頻率關(guān)系有Δφ＝Δωt (9)Δω為角頻率位移；L＝υcircle.t (10)υcircle為坡印廷矢量的垂直于軸向的分量；光纖長度對著著疊加態(tài)渦本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
本專利技術(shù)涉及一種渦旋光陀螺，首先根據(jù)渦旋光波函數(shù)利用相位調(diào)制的方法產(chǎn)生由波陣面螺旋方向相反且軌道角動量拓?fù)浜蓴?shù)分別為±l渦旋光組成的耦合態(tài)渦旋光；根據(jù)sagnac效應(yīng)可知耦合態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)與待測物體的同步轉(zhuǎn)動使得波陣面螺旋方向相反的兩束渦旋光產(chǎn)生與待測物體旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的光程差；渦旋光的特殊性使得光程差反映在角頻率移動中；調(diào)節(jié)渦旋光光路改變其傳播方向并經(jīng)過調(diào)制過濾后再接收并測量渦旋光的波形；通過波形解析得到疊加態(tài)渦旋光的角頻率移動并計(jì)算出待測物體的角速率信息。具體包括以下步驟：(1)根據(jù)Laguerre?Gaussian光束(簡稱LG光束)波函數(shù)表達(dá)式通過相位調(diào)制產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)為±l的LG光也叫疊加態(tài)渦旋光：式中，是拉蓋爾?高斯多項(xiàng)式，l是表征軌道角動量大小的拓?fù)浜蓴?shù)，p表示各成分所占的比例，Z表示光的相位，為光束寬度，是拉蓋爾多項(xiàng)式，r是激光腔的半徑，zR＝kω20/2表示瑞利長度，k是波數(shù)，i是虛數(shù)單位，ω0是當(dāng)z＝0時(shí)光束的寬度，是波前的半徑，φ表示螺旋相位因子；(2)疊加態(tài)渦旋光與待測物體同步轉(zhuǎn)動產(chǎn)生光程差并反映在角頻率移動中將(1)的中疊加態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)放在待測物體待測維度的旋轉(zhuǎn)軸上，產(chǎn)生系統(tǒng)與待測物體做共軸旋轉(zhuǎn)，由于疊加態(tài)渦旋光是由波陣面螺旋方向相反的兩束渦旋光組成，因此根據(jù)sagnac效應(yīng)可知由于疊加態(tài)渦旋光束中螺旋方向相反的兩束渦旋光同步轉(zhuǎn)動將會產(chǎn)生和轉(zhuǎn)動頻率相關(guān)的光程差，為了便于測量利用渦旋光的特殊性將光程差轉(zhuǎn)換為角頻率移動，值得注意的是由于光源轉(zhuǎn)動引起的離心力和科氏力也會對渦旋光角頻率產(chǎn)生影響，但光束旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的sagnac效應(yīng)起主導(dǎo)作用；(3)接收并解析發(fā)生角頻率移動的渦旋光將發(fā)生頻移的疊加態(tài)渦旋光經(jīng)過光路調(diào)節(jié)和調(diào)制過濾后利用CCD接收，得到光強(qiáng)隨時(shí)間變化的波形曲線，既而得到產(chǎn)生頻移后的渦旋光頻率ν*，與初始頻率ν相比較得到頻率移動Δν＝ν*?ν，換算得到角頻率移動為：Δω＝2πΔν????(2)(4)根據(jù)角頻率移動得到待測物體的姿態(tài)根據(jù)旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)結(jié)論并考慮到離心力和科氏力對頻移的影響，且二者都是光源以角速率Ω旋轉(zhuǎn)引起的，因此引入表示離心力和科氏力對頻移影響的因子m后得到待測物體角速率Ω表達(dá)式：Ω＝ω/(2l+m)????(3)?。...
【技術(shù)特征摘要】
1.本發(fā)明涉及一種渦旋光陀螺，首先根據(jù)渦旋光波函數(shù)利用相位調(diào)制的方法產(chǎn)生由波陣面螺旋方向相反且軌道角動量拓?fù)浜蓴?shù)分別為±l渦旋光組成的耦合態(tài)渦旋光；根據(jù)sagnac效應(yīng)可知耦合態(tài)渦旋光產(chǎn)生系統(tǒng)與待測物體的同步轉(zhuǎn)動使得波陣面螺旋方向相反的兩束渦旋光產(chǎn)生與待測物體旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的光程差；渦旋光的特殊性使得光程差反映在角頻率移動中；調(diào)節(jié)渦旋光光路改變其傳播方向并經(jīng)過調(diào)制過濾后再接收并測量渦旋光的波形；通過波形解析得到疊加態(tài)渦旋光的角頻率移動并計(jì)算出待測物體的角速率信息。具體包括以下步驟：(1)根據(jù)Laguerre-Gaussian光束(簡稱LG光束)波函數(shù)表達(dá)式通過相位調(diào)制產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)為±l的LG光也叫疊加態(tài)渦旋光：式中，是拉蓋爾-高斯多項(xiàng)式，l是表征軌道角動量大小的拓?fù)浜蓴?shù)，p表示各成分所占的比例，Z表示光的相位，為光束寬度， 是拉蓋爾多項(xiàng)式，r是激光腔的半徑，zR＝kω20/2表示瑞利長度，k是波數(shù)，i是虛數(shù)單位，ω0是當(dāng)z＝0時(shí)光束的寬度，是波前的半徑，φ表示螺旋相位因子；(2)疊加態(tài)渦旋光與待測物體同步轉(zhuǎn)動產(chǎn)生光程差并反映在角頻率移...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：任元，王剛，謝璐，劉政良，李基，
申請(專利權(quán))人：任元，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11
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