【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】  近日，《自然·通訊》(NatureCommunications)雜志在線發(fā)表了武漢光電國家研究中心王健教授團(tuán)隊(duì)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(yīng)用于光學(xué)測量，提出并實(shí)現(xiàn)了新型矢量多普勒測量儀，對于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)信息的全矢量測量具有重要意義。
 

　　華中科技大學(xué)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(zhèn)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(xué)名譽(yù)教授、南非金山大學(xué)Andrew Forbes教授為論文合作者。
 

　　多普勒效應(yīng)是一種經(jīng)典的物理現(xiàn)象，屬于波的基本特性之一。該效應(yīng)來源于波源與觀測者之間的相對運(yùn)動(dòng)，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(jī)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(yùn)動(dòng)速度。多普勒效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、交通測速、精密測量、激光制冷以及天文學(xué)與航空航天等領(lǐng)域。
 

　　光波屬于電磁波，相對于機(jī)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(yōu)點(diǎn)，因此開發(fā)光的多普勒效應(yīng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。對于傳統(tǒng)的平面相位光束，不考慮相對論效應(yīng)，只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體在光束傳播方向上有相對運(yùn)動(dòng)才能產(chǎn)生多普勒頻移，稱之為線性(或縱向)多普勒效應(yīng)。最近二三十年，隨著科學(xué)家對光的基本屬性的進(jìn)一步認(rèn)知，光學(xué)研究已由簡單的平面光束向更復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)光束展開。結(jié)構(gòu)光束的旋轉(zhuǎn)(或橫向)多普勒效應(yīng)也受到了越來越多的關(guān)注，這為光學(xué)多普勒測量提供了更多的可測量維度。
 

　　縱觀多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展應(yīng)用歷程，該效應(yīng)針對的只是波的標(biāo)量屬性，即由相位(或強(qiáng)度)的連續(xù)改變產(chǎn)生多普勒頻移。對于本振頻率比較低的機(jī)械波，通?？梢灾苯犹崛∑涠嗥绽疹l移，從而測定目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(qū)分多普勒藍(lán)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(biāo)運(yùn)動(dòng)物體的方向信息，這無疑導(dǎo)致了光學(xué)多普勒測量的應(yīng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光場，近期，武漢光電國家研究中心多維光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory)王健教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，粒子在這類光場中運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生新的多普勒效應(yīng)，即矢量多普勒效應(yīng)。區(qū)別于基于標(biāo)量光場的傳統(tǒng)多普勒效應(yīng)(多普勒信號表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的一維強(qiáng)度信號)，基于新的矢量結(jié)構(gòu)光場的矢量多普勒效應(yīng)，其多普勒信號表現(xiàn)為隨時(shí)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(biāo)運(yùn)動(dòng)物體的速度大小信息外，還同時(shí)攜帶了速度方向信息。具體表現(xiàn)為，不同的運(yùn)動(dòng)方向?qū)е露嗥绽掌裥盘柍尸F(xiàn)出不同的旋轉(zhuǎn)手性，如圖1和圖2所示。實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用中，利用兩個(gè)檢偏器分析兩路信號光的相對相位差，就能輕松分辨出多普勒偏振信號的旋轉(zhuǎn)手性，進(jìn)而直接測定目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度大小與方向。
 

　　研究還發(fā)現(xiàn)，基于矢量結(jié)構(gòu)光的矢量多普勒效應(yīng)，不僅能直接測定粒子的運(yùn)動(dòng)矢量信息(速度大小與方向)，還能潛在地追蹤粒子運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)相對位置與瞬時(shí)速度，并且測量無須參考光束干涉，有很強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。進(jìn)一步，針對各項(xiàng)異性的運(yùn)動(dòng)粒子，理論分析發(fā)現(xiàn)，即使粒子在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還處于自旋狀態(tài)，通過對多普勒偏振信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的斯托克斯參數(shù)分析，或簡單地利用兩個(gè)檢偏器分析，能同時(shí)測定粒子的旋轉(zhuǎn)速度矢量(大小與方向)和自旋速度矢量(大小與方向)。
 

　　該項(xiàng)工作是對傳統(tǒng)基于標(biāo)量光場多普勒效應(yīng)的一次突破，極大豐富了多普勒測量的內(nèi)涵，同時(shí)對于矢量結(jié)構(gòu)光場的基礎(chǔ)研究及拓展應(yīng)用研究具有重要科學(xué)意義。