基于轨道角动量的新型光学高精度测量研究

论文摘要

近年来,随着工业、医学等领域对高精度测量的需求日益增加,激光测量作为高精度测量的手段之一已成为当下的研究热点。激光测量具有测量精度高、测量速度快、非接触性等优点。总体来说,目前的激光测量技术正朝着更高精度、更快速度以及如何缓解外界环境带来的影响等方向进行研究,但是这些测量中所用的激光大部分都是普通光束,本文则创新性地提出了利用含有轨道角动量（OAM,Orbital Angular Momentum）的涡旋光束（OV,Optical Vortices）来进行测量。首先,本文介绍了OAM和激光测量的国内外研究现状与应用,分析了现阶段激光测量中存在的问题,从而引出了本文的研究主题:基于OAM的新型光学高精度测量。其次,本文对具有OAM特性的涡旋光束进行了研究。先用量子算符的方式推导出了单光子的OAM大小。接着,分别研究了拉盖尔高斯（LG,Laguerre-Gaussian）光束、贝塞尔高斯（BG,Bessel-Gaussian）光束、阵列涡旋光束这三种常见类型的涡旋光束的特性。然后分别介绍了螺旋相位板（SPP,Spiral Phase Plate）法、计算全息（CGH,Computer-Generated Holograms）法以及液晶（LC,Liquid Crystal）空间光调制器（SLM,Spatial Light Modulator）法这三种常见的制备涡旋光束的方法原理,并利用实验室的反射型LC-SLM制备出了不同模态的涡旋光束。最后,分析了涡旋光束之间的干涉特性,这部分的研究为后续基于OAM的激光测量奠定理论基础。再次,本文提出了一种基于OAM的激光干涉测速技术。理论分析发现,物体的移动速度与干涉场的旋转角速度之间存在着简单的公式关系,并且通过仿真验证了该理论的正确性。由于外界的大气环境是影响激光测量结果的一个重要因素,故本文接着模拟了大气湍流的相位屏。结果显示,大气湍流会改变激光干涉图样的形状,所以无法通过干涉图样的旋转角速度来进行速度的测量。故接着提出了利用傅里叶变换,通过分析光强频谱分布归一化图来解决这一问题。最后,在上面激光干涉测速的理论基础上,提出了一种基于OAM的激光干涉微弱位移测量方法。传统的激光干涉测位移法中物体的位移量是通过对干涉条纹的移动条数进行计数来获得的,而条纹的移动数目存在着取值不为整数的局限性且小数部分数值较难求出。研究发现,本文所提方法中物体的位移量可通过求取干涉场的旋转角度来获得。接着,通过分析得到了新的位移测量方法在测量精度上优于传统测量方法所须满足的条件。然后,分别利用质心算法和尺度不变特征转换（SIFT,Scale-Invariant Feature Transform）算法对干涉图样的旋转角度进行了求取,并对这两种算法的效果进行了比较。仿真结果发现,新的位移测量方法的精度高于传统测量方法,且SIFT算法较质心算法在图像旋转角度的求取上更具优势。文章的最后对后续的研究工作进行了展望。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 顾丹华

导师: 尤肖虎

关键词: 轨道角动量,涡旋光束,激光测量,大气湍流,旋转角度

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 东南大学

分类号: TN249

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.000102

总页数: 72

文件大小: 2851K

下载量: 72

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