基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光精密測量及量子測量領(lǐng)域的測量方法和裝置，具體說是一種基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法及裝置。一種基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法，包括以下步驟：（a）采用n階模式以及n+1階模式的厄米高斯激光分別作為信號光和本地光，所述n≧1；（b）使信號光產(chǎn)生橫向平移量d；（c）將本地光與發(fā)生平移后的信號光即待測光各分成強度相等的兩束光；（d）分別采集兩束新的激光的強度信號，將相減后得到的電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率信號，可求出d的值進(jìn)而推斷待測物體的信息。本發(fā)明測量靈敏度高，可以達(dá)到或超過利用一階壓縮態(tài)光場的測量的靈敏度，且裝置簡單，易于操控。
【專利說明】基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光精密測量及量子測量領(lǐng)域的測量方法和裝置，具體涉及激光橫向小位移的精密測量，更具體說是一種基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)小位移測量是一種基于光的靈敏干涉的小位移測量技術(shù)，許多物理量均可轉(zhuǎn)化成光的位移來進(jìn)行間接測量，因為光學(xué)位移的測量靈敏度很高，近年來受到人們越來越多的關(guān)注。所述的光學(xué)小位移量數(shù)量級一般為I埃即10-1°米。
[0003]在此之前相關(guān)的研究工作有:
[0004]1.2000年，C.Fabre等人在Optics Letters上發(fā)表了題為“光學(xué)成像中小位移測量的極限”的文章，理論上預(yù)測了采用多模非經(jīng)典光可以打破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。
[0005]2.2003年，N.Treps等人在Science上發(fā)表了題為“量子激光指針”的文章，實驗上采用多模非經(jīng)典技術(shù)，獲得了一種量子激光指針。
[0006]3.2004 年，Magnus T L Hsu 等人在 Journal of Optics B 上發(fā)表了題為“優(yōu)化的光學(xué)小位移測量”的文章，提出了平衡零拍裝置來代替分束探測測量光的小位移。
[0007]4.2006 年，V.Delaubert 等人在 Physical Review A 上發(fā)表了題為 “TEM1(I 模作為優(yōu)化的光學(xué)小位移和小傾斜測量裝置”的文章，實驗上證實了研究工作3的理論。
[0008]5.2010年，李睿等人在物理學(xué)報上發(fā)表了題為“平衡零拍平移測量實驗研究”的文章，利用相干光TEMw模式進(jìn)行了一維平移測量的研究。
[0009]6.2012 年，Olivier Pinel 等人在 Physical Review A 上發(fā)表了題為“基于強高斯光的精密測量的極限靈敏度:一種多模方法”的文章，提出了任意光束模式的極限測量靈敏度。
[0010]平移的基模信號光束相對于原來基模光束的坐標(biāo)系展開會出現(xiàn)高階模，高階模的比例正比于光束平移量的大小。利用I階模式即HGlO模作為本地光可以測量出信號光束中I階模的成分，從而得知平移量。上述文獻(xiàn)利用這一原理實現(xiàn)了微弱平移信號的測量。第一、二篇文章中用到了非經(jīng)典光提高小位移測量，但是由于產(chǎn)生非經(jīng)典光系統(tǒng)較為復(fù)雜，測量方式采用分束探測器，測量效率不高。第三、四、五篇文章分別從理論和實驗上采用平衡零拍探測裝置，小位移測量的效率比之前提高了 20%，但是信號光均采用的是激光的基模；具體的講，采用基模作為信號光進(jìn)行小位移的平衡零拍探測時，其最小可測平移量為信噪
比為I時的平移量dmin越小，測量靈敏度越高。上述幾篇文章都是
采用的激光的基模作為攜載平移信息的信號光，測量靈敏度受到相應(yīng)散粒噪聲極限限制，如果要提高靈敏度就必須使用非經(jīng)典光，眾所周知，非經(jīng)典光產(chǎn)生的條件要求較高，不易操作，且測量設(shè)備復(fù)雜，成本昂貴。
[0011]光學(xué)小位移測量通常用于對光束產(chǎn)生橫向平移的物理量的測量，此物理量可以是運動的物體，例如微觀粒子的運動或生物分子的運動；也可以是使經(jīng)過的光束產(chǎn)生平移的其他物理量，例如電光或磁光介質(zhì)的折射率起伏等。待測物體可用一個平移調(diào)制系統(tǒng)來模擬，該平移調(diào)制系統(tǒng)將信號光反射后，信號光就會產(chǎn)生一個相應(yīng)的平移量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明為解決目前光學(xué)橫向小位移測量靈敏度不夠高或設(shè)備復(fù)雜、測量條件要求高的技術(shù)問題，提供一種精密測量光學(xué)橫向小位移的方法及裝置。
[0013]本發(fā)明所述的基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法，包括以下步驟:Ca)采用一束η階模式的厄米高斯激光作為信號光，采用η+1階模式的厄米高斯激光作為本地光
(5)，所述η≥1 ;(b)使信號光產(chǎn)生橫向平移量d; (c)基于平衡零拍探測原理，將本地光與發(fā)生平移后的信號光即待測光各分成強度相等的兩束光，等分后的每一束本地光均與等分后的一束待測光重合，形成兩束新的激光；(d)分別采集兩束新的激光的強度信號，將強度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號后相減；將相減后得到的電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率信號，該功率信號的表達(dá)式為:
[0014]V— = Nlo [4 (n+1) NdVw02+ δ 2Χη+1]，
[0015]式中隊。和N分別為本地光和待測光的平均光子數(shù)，W0為光束腰斑大小，δ 2Χη+1為量子噪聲項；根據(jù)上式即可求出d的值。
[0016]由量子力學(xué)的基本理論可知，對激光橫向小位移的測量，其探測靈敏度都受到量子噪聲極限的限制。在相同量子噪聲極限下，提高信號幅度也可以提高探測靈敏度。高階厄米高斯模式空間結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，含有更多空間信息，有利于提高空間測量靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)，通過采用高階厄米高斯模式可以提高平移測量中的信號比例，從而信噪比增加，測量靈敏度提高。以η階模式為信號光，光束平移會激發(fā)出η+1階模式激光，選擇η+1階模式激光作為本地光，可以將發(fā)生平移的信號光即待測光中所包含的平移信息提取出來。利用平衡零拍探測系統(tǒng)，將兩個探測器的光電流相減，獲得相應(yīng)的信號功率:V_ = Nlo[4 (η+1)Nd2/W02+ δ 2Χη+1]，式中包含的本地光平均光子數(shù)隊。，待測光平均光子數(shù)N，光束腰斑W0和量子噪聲項δ2Χη+1 (d=0時即可得到量子噪聲項的值)，這些均可以根據(jù)實際使用的相關(guān)儀器以及運行參數(shù)獲知的；由此可以求出平移量d的值，此功率信號的信噪比為SNR = 4(η+1)Nd2/W02/ δ 2Χη+1 ;采用經(jīng)典光，其噪聲項δ 2Χη+1等于I。定義信噪比為I時的最小可測平移量為
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法，其特征在于，包括以下步驟:(a)采用一束η階模式的厄米高斯激光作為信號光(2)，采用η+1階模式的厄米高斯激光作為本地光(5)，所述η ≥ 1 ;(b)使信號光(2)產(chǎn)生橫向平移量d; (c)基于平衡零拍探測原理，將本地光(5)與發(fā)生平移后的信號光即待測光(4)各分成強度相等的兩束光，等分后的每一束本地光(5)均與等分后的一束待測光(4)重合，形成兩束新的激光；(d)分別采集兩束新的激光的強度信號，將強度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號后相減；將相減后得到的電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的功率信號，該功率信號的表達(dá)式為:
V— = NLo[4(n+l)Nd2/w02 + 5 2Xn+1], 式中隊。和N分別為本地光(5)和待測光(4)的平均光子數(shù)，Wtl為光束腰斑大小，δ \+1為量子噪聲項；根據(jù)上式即可求出d的值。
2.如權(quán)利要求1所述的基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量方法，其特征在于，所述信號光(2)采用I階模式即HGlO模的厄米高斯激光；本地光(5)采用2階模式即HG20模的厄米高斯激光。
3.一種基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量裝置，用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括一個激光器(7)以及位于激光器(7)出射光路上的模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(1);模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(I)的信號光(2)的出射光路上設(shè)有平移調(diào)制系統(tǒng)(3);還包括一個平衡零拍探測系統(tǒng)(6)，所述平衡零拍探測系統(tǒng)(6)的一個入射端口位于平移調(diào)制系統(tǒng)(3)的出射光路上；平衡零拍探測系統(tǒng)(6)的另一個入射端口位于模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(I)的本地光(5)的出射光路上；平衡零拍探測系統(tǒng)(6)的信號輸出端連接有一個頻譜儀(11)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量裝置，其特征在于，所述平衡零拍探測系統(tǒng)(6)包括一個50/50光學(xué)分束器(8);所述待測光(4)與本地光(5)垂直相交且分別入射至50/50光學(xué)分束器(8);所述50/50光學(xué)分束器(8)位于待測光(4)與本地光(5)光路的交點上且與兩光路所成直角的角平分線重合；待測光(4)與本地光(5)入射至50/50光學(xué)分束器(8)上的位置應(yīng)保證待測光(4)的透射光與本地光(5)的反射光共線，且待測光(4)的反射光與本地光(5)的透射光共線；50/50光學(xué)分束器(8)兩個反射光路上分別設(shè)有一個平衡探測器(9);兩個平衡探測器(9)的信號輸出端共同連接有一個減法器(10);減法器(10)的信號輸出端與頻譜儀(11)相連接。
5.如權(quán)利要求3或4所述的基于激光高階橫模的光學(xué)橫向小位移的測量裝置，其特征在于，所述平移調(diào)制系統(tǒng)(3)包括一個壓電陶瓷(12)以及與壓電陶瓷(12)相連接的信號發(fā)生器(13);所述壓電陶瓷(12)表面有一個反射面與壓電陶瓷(12)運動方向垂直的反射鏡(14)且該反射鏡(14)的法線與由模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(I)出射的信號光(2)呈45度角。
【文檔編號】G01B11/02GK103791845SQ201410025577
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】郜江瑞, 孫恒信, 劉奎, 劉尊龍, 郭鵬亮, 張俊香 申請人:山西大學(xué)