一种对径向模式敏感的探测光束

摘要

旋转多普勒效应（RDE）在从声学到光学的各个研究领域都备受关注。RDE的观测主要取决于探针光束的轨道角动量，而径向模式给人的印象却很模糊。为了澄清径向模式在RDE探测中的作用，课题组基于完整的拉盖尔-高斯（LG）模式揭示了探测光束与旋转物体之间的相互作用机制。

主要内容

课题组基于UPOLabs的HDSLM80R液晶空间光调制器搭建了实验装置，提出了一种对径向模式敏感的探测光束，并对RDE检测系统中探测光束与旋转物体之间的相互作用建立了完整的物理描述。

实验设置

实验表明，在探测具有复杂径向结构的物体时，径向模敏感探测光束比传统探测光束更强。探针光束准备、旋转物体和强度测量均在原理验证实验中实现。课题组阐明了探针光束与旋转物体之间的径向相互作用。在这种相互作用的帮助下，探针光束可以得到改进，从而大大增强 RDE 检测中最终信号的强度，并提取出旋转物体的更多结构信息。

基于RDE远程测量物体转速的示意图

课题组还提出了用于估算协同探测光束和旋转物体的LG分量的模式利用率的公式，通过两个步骤的实验来证明。首先，使用两个预设的简单旋转物体来检验传统探针光束和增强探针光束的效率。然后，在 RDE 检测系统中成功观测到一个复杂的水母图案。

LG 模式融合测量。(a) 和 (b) 表示测量到的 强度取决于旋转角度。(c) 和 (d) 表示相应的 RDE 频率偏移。R.I. 表示归一化相对强度

(a) 水母的振幅调制。(b) 水母的 LG 模式频谱。(c) 表示根据旋转角度测量到的强度。(d) 表示相应的 RDE 频率偏移。R.I. 表示归一化相对强度

理论和实验证明，由于探针光束和物体之间的拓扑光谱正交性，径向LG模式在RDE观测中起着至关重要的作用。通过采用多个径向 LG 模式来增强探测光束，从而使 RDE 检测对含有复杂径向结构的物体更加敏感。此外，还提出了这项工作有望改进RDE检测方法，并将相关应用推向一个新的平台。

审核编辑：汤梓红