轨道角动量叠加态多普勒效应提取多维矢量运动信息的研究

Orbital angular momentum (OAM) is a fundamental physical quantity. In the interdisciplinary research areas between physics and metrology, it is possible to provide a new dimension resource by introducing OAM into the optical sensing measurement, which might provide a new approach for optical measurement technology. In this project, by focusing on the measurement of multidimensional vector motion and exploring new mechanisms, new technologies, new devices, and new applications in the fields of Doppler measurement based on superposed OAMs, it is intended to achieve high sensitivity information extraction of multidimensional vector motion, i.e. simultaneous measurements of magnitude and direction of translational and rotational velocities. The research works start from two mechanisms and performance issues: how to enable the information extraction of multidimensional vector motion and how to improve the sensitivity of motion information extraction. Deep researches are carried out focusing on the basic theories, core technologies, key devices, and comprehensive applications of high sensitivity multidimensional vector motion information extraction based on Doppler effects of superposed OAMs and interferograms. Firstly, the basic theories and characteristics of linear and rotational Doppler effects and their close relationships are studied. Secondly, the multidimensional motion information extraction technology based on Doppler effect of superposed OAMs and the motion direction extraction technology based on the superposed OAMs and interferograms are investigated. Thirdly, metasurface structure devices for manipulating optical fields and generating high-order superposed OAMs are designed and fabricated. Finally, using the fabricated metasurfacce structure devices, experimental studies on information extraction of multidimensional vector motion exploiting Doppler effects of superposed OAMs are carried out.

轨道角动量是一个基本物理量。在物理学和计量学的学科交叉领域，将轨道角动量引入光传感测量可以提供测量新维度资源，有望为光学测量技术提供新途径。本项目聚焦多维矢量运动测量，通过对轨道角动量叠加态多普勒测量新机理、新技术、新器件和新应用的探索研究，旨在实现多维矢量运动信息（平移和旋转运动速度大小和方向）高灵敏度提取。项目围绕“如何提取多维矢量运动信息”和“如何提高运动信息提取灵敏度”两大机理和性能问题展开，深入开展轨道角动量叠加态和干涉场多普勒效应高灵敏提取多维矢量运动信息的基础理论、核心技术、关键器件及综合应用研究。首先，研究线性和旋转多普勒效应及相互关系的基础理论和特性；其次，研究轨道角动叠加态多普勒效应提取多维运动信息技术及轨道角动量叠加态和干涉场提取运动方向技术；然后，设计研制超表面结构操控光场产生高阶轨道角动量叠加态；最后，实验研究超表面轨道角动量叠加态多普勒效应提取多维矢量运动信息。

本项目利用轨道角动量叠加态干涉场的线性和旋转多普勒效应实现“高灵敏度、高分辨率、高精度”的多维度矢量运动信息提取。具体包括如下四个方面研究内容：..1、线性和旋转多普勒效应及相互关系的基础理论和特性研究.从相位变化、能量与动量守恒，以及螺旋相位板展开形式等不同角度，揭示了涡旋光束的旋转多普勒效应与线性多普勒效应之间的密切关系与共同来源。实验中用空间光调制器模拟螺旋相位板运动，验证了这种等效关系。特别地，发现了在特定的旋转与平移运动状态下，旋转多普勒频移与线性多普勒频移能够相互抵消，不产生多普勒频移。..2、轨道角动量叠加态多普勒效应提取多维运动信息技术研究.从轨道角动量叠加态表达式出发，推导了相位板运动引起的轨道角动量叠加态干涉光场的旋转以及产生的多普勒频移；基于轨道角动量叠加干涉场旋转过程，研究了利用多点监测技术，根据相对位置上场强变化的相位信息来判断多普勒频移的方向信息；通过空间光调制器模拟相位板的复合运动，实验验证了基于轨道角动量叠加态多普勒效应实现物体多维运动测量的可行性。..3、轨道角动量叠加态和干涉场提取矢量运动方向技术研究.提出并实验验证了基于圆柱矢量偏振光场的差分式矢量多普勒测速方法，并揭示了新型的矢量多普勒效应；分析了矢量多普勒测速方法对具有各向异性的旋转运动微粒的适用性；提出并实验验证了基于圆偏振相位涡旋光场的干涉式旋转多普勒测速方法；研究了用于多维运动信息提取的结构光干涉测量法；实验研究了对螺旋运动微粒的全矢量信息测量，实现了一次性同时获取其平移和旋转速度分量的大小和方向的完整矢量信息；提出了基于光纤结构光场的灵活远程多普勒测速方案，实现了对旋转运动的远程测量。..4、超表面结构操控光场产生高阶轨道角动量叠加态的研究.研究了几何相位型超表面的基础理论，发现其由于旋转不对称导致的相位调制不准确，分析了其内在成因，计算了其影响并提出了相关的优化策略。设计并制备了全维度调控超表面结构，实现了可见光波段空间幅度、空间相位和空间偏振的全维度调控。..相关研究成果发表期刊学术论文57篇，国际会议论文27篇，授权国家发明专利6项。获得2020年教育部青年科学奖和2020年湖北省自然科学二等奖。..本项目研究有望为轨道角动量多普勒测量提供新思路，有利于推动轨道角动量计量学的快速发展。