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武漢光電國家研究中心王健教授團隊研發新型矢量多普勒
測量儀

發布時間:2021-8-17     來源:武漢光電國家研究中心    點擊率:194

近日,《自然·通訊》(Nature Communications)雜志在線發表了武漢光電國家研究中心王健教授團隊題為“Vectorial Doppler metrology”的最新研究成果。此研究將具有空間變化偏振分布的矢量光場應用于光學測量,提出并實現了新型矢量多普勒測量儀,對于復雜運動信息的全矢量測量具有重要意義。

華中科技大學武漢光電國家研究中心為論文第一單位,中心博士后方良與碩士生萬鎮宇為共同第一作者,王健教授為論文唯一通訊作者。華中科技大學名譽教授、南非金山大學Andrew Forbes教授為論文合作者。

多普勒效應是一種經典的物理現象,屬于波的基本特性之一。該效應來源于波源與觀測者之間的相對運動,使得觀測者接收到的波的頻率相對于波源頻率具有一定偏移量。無論是機械波,還是電磁波,通過測量其多普勒頻移,可以推算出觀測者相對于波源的運動速度。多普勒效應已廣泛應用于醫學診斷、交通測速、精密測量、激光制冷以及天文學與航空航天等領域。

光波屬于電磁波,相對于機械波,如聲波、水波等,具有超高速、大帶寬、方向性好且能在真空中傳播等優點,因此開發光的多普勒效應具有獨特的優勢。對于傳統的平面相位光束,不考慮相對論效應,只有當運動物體在光束傳播方向上有相對運動才能產生多普勒頻移,稱之為線性(或縱向)多普勒效應。最近二三十年,隨著科學家對光的基本屬性的進一步認知,光學研究已由簡單的平面光束向更復雜多樣的結構光束展開。結構光束的旋轉(或橫向)多普勒效應也受到了越來越多的關注,這為光學多普勒測量提供了更多的可測量維度。

縱觀多普勒效應的發現及發展應用歷程,該效應針對的只是波的標量屬性,即由相位(或強度)的連續改變產生多普勒頻移。對于本振頻率比較低的機械波,通??梢灾苯犹崛∑涠嗥绽疹l移,從而測定目標物體的運動速度與方向信息。對于光波(電磁波),由于其超高的本振頻率,提取多普勒頻移必須采取與參考光進行干涉拍頻。

然而,干涉拍頻雖然能提取多普勒頻移量,但卻丟失了符號信息,即無法區分多普勒藍移與紅移。因此,如果不采用額外的測量手段,如外差檢測或雙頻檢測,直接基于干涉測量提取多普勒頻移無法推斷出目標運動物體的方向信息,這無疑導致了光學多普勒測量的應用局限。

光波是一種橫波,除了振幅與相位自由度,還有偏振自由度。光的偏振描述的是電磁場在正交于傳播方向的平面上的諧振情況。傳統的平面相位光束,其偏振取向在光束橫截面上是均勻分布的。對于一類特殊的結構光場,其偏振取向在橫截面上呈空間周期性變化分布,稱之為矢量光。

針對這類矢量結構光場,近期,武漢光電國家研究中心多維光子學實驗室(MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory)王健教授團隊研究發現,粒子在這類光場中運動能產生新的多普勒效應,即矢量多普勒效應。區別于基于標量光場的傳統多普勒效應(多普勒信號表現為隨時間變化的一維強度信號),基于新的矢量結構光場的矢量多普勒效應,其多普勒信號表現為隨時間變化的二維偏振信號。這類新的多普勒偏振信號,除了攜帶目標運動物體的速度大小信息外,還同時攜帶了速度方向信息。具體表現為,不同的運動方向導致多普勒偏振信號呈現出不同的旋轉手性。

研究還發現,基于矢量結構光的矢量多普勒效應,不僅能直接測定粒子的運動矢量信息(速度大小與方向),還能潛在地追蹤粒子運動的瞬時相對位置與瞬時速度,并且測量無須參考光束干涉,有很強的抗環境干擾能力。進一步,針對各項異性的運動粒子,理論分析發現,即使粒子在旋轉的同時還處于自旋狀態,通過對多普勒偏振信號進行標準的斯托克斯參數分析,或簡單地利用兩個檢偏器分析,能同時測定粒子的旋轉速度矢量(大小與方向)和自旋速度矢量(大小與方向)。

該項工作是對傳統基于標量光場多普勒效應的一次突破,極大豐富了多普勒測量的內涵,同時對于矢量結構光場的基礎研究及拓展應用研究具有重要科學意義。

 

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