基于涡旋光旋转多普勒效应的精密测量

Realization of precision measurement for a tiny displacement is very important in the field of metrology, sensing, gravity wave detection etc. We put forward a new method to measure the tiny displacement via analyzing the change of orbital angular momentum (OAM) spectrum. We plan to use the vortex beam’s rotational Doppler effect to map the OAM spectrum to frequency spectrum, then take the advantage of the technology of frequency spectrum measurement to achieve a very high precision on OAM spectrum, and finally realize a high precision measurement of displacement. We will mainly aim to three issues: 1. Experiment designing; 2. Precisely map the displacement to frequency change; 3. Suppress noise and distill signal. The feature of our method is realization fast and precise measurement of OAM spectrum based on rotational Doppler effect. The innovation of this project is that we connect the tiny displacement to light’s frequency spectrum via the key technology – rotational Doppler effect, then the information of displacement can be measured by precision measurement on frequency spectrum. Due to the precise information of OAM spectrum is obtained in the process, our method can also be used for OAM quantum state tomography, and has potential applications in high dimensional quantum information and remote sensing.

对于物体微小移动的精密测量，在计量、传感、引力波探测等领域有着重要的意义。我们提出一种新方法，通过分析光的轨道角动量（OAM）谱变化，计算出物体的微小移动。我们利用涡旋光的旋转多普勒效应，将光束的OAM谱变化对应到频率变化上，利用激光频率精确测量结果反演出横向模式变化，进而达到对光束移动的精密测量。本项目拟解决以下主要问题：1.实验的设计；2.位移量与频率移动的精确对应；3.噪音控制和信号提取。该项目的特色是利用旋转多普勒效应实现对光的OAM谱的快速、精密测量。创新点在于将微小移动通过涡旋光的横向模式分布与光的频率移动联系起来，从而通过技术成熟的频率测量反推出物体的微小移动，实现微小位移的精密测量，其中光的旋转多普勒效应是实现这一目标的关键技术。由于在测量过程中同时可以精确获得涡旋光的OAM谱分布，这种方法还可以用于光的OAM量子态的精密测量，在高维量子信息和遥感探测领域有着重要的意义。

对于物体微小移动的精密测量，在计量、传感、引力波探测等领域有着重要的意义。物体的移动可以通过光学设计，将其转移到光束的移动。当一束高斯光的中心位置发生相对移动，其光的轨道角动量谱(OAM谱)就会引起变化。因此对于光束移动的测量，分析光束的OAM谱是一种可行的方法。我们利用涡旋光的旋转多普勒效应，将光束的横向模式变化对应到频率变化上，利用激光频率精确测量结果反演出横向模式变化，进而达到对光束移动的精密测量。项目执行期间，结合研究目标，不断优化探测技术和测量方法，逐步改良了旋转多普勒效应OAM谱的测量框架，形成了当前实验条件下改进原理实现了最优的测量体系。同时，与长春光机所合作等单位合作，自主设计并加工了相应的OAM光操控器件，将其应用于OAM谱的测量，实验上实现了效率更高的模式转化和拍频测量，在实验室实现了原理性验证。本项目基本完成了预设目标，项目执行期内共发表相关学术论文8篇，授权发明专利3件。所取得的研究成果对于精密测量、高维量子信息和遥感探测等领域有着重要的意义。