近日，西安交通大学物理学院张沛教授团队在旋转测量领域取得了突破性进展。团队提出了一种基于非线性效应与旋转多普勒效应提升旋转测量分辨率的全新理论方案，原理上可以通过级联非线性过程n次将探测分辨率提升2^n倍，同时通过倍频和差频技术，可以将一些难以探测的波段转换到容易探测的波段，降低探测难度和成本。相关成果以“Harmonic-Assisted Super-Resolution Rotational Measurement”为题于9月17日在线发表在《Laser Photonics Reviews》。
轨道角动量作为一种具有巨大潜力的自由度，近年来受到了广泛关注。基于该自由度的旋转多普勒效应为遥感测量领域开辟了全新的研究方向。尽管光学旋转多普勒效应已成功应用于物体旋转探测，并逐步克服了实际应用中的一些挑战，但如何进一步提升旋转测量分辨率并扩展探测光谱范围，仍是亟待解决的两大技术难题。尽管量子技术被寄予厚望，希望借此提高探测分辨率，但由于量子态制备复杂且易退相干，实际应用中仍然面临重大挑战。因此，迫切需要通过新的物理机制，在测量技术上实现突破。
本文提出并实验演示了一种结合旋转多普勒效应与非线性效应的综合测量手段，以解决现有技术所面临的挑战。该方案不仅能够实现灵活的检测波长转换，还可以显著提升测量分辨率，并实时显示检测结果。在原理上主要是应用倍频过程中对于光子相位的累积效应来实现对探测信号分辨率的实时提升，利用倍频和差频组合的循环结构可以实现任意探测波段的转换。如图1所示，对于红外物体的探测信号可以通过级联n次倍频过程实现探测分辨率2n倍的提升，当信号转移至便宜的硅基探测频段时可以停止级联获取信号或者利用差频技术将信号重新转移至红外频段再次级联倍频过程以获取更高的分辨率提升。对于紫外物体的探测则首先需要利用差频技术将探测信号转移至红外波段，然后进行与红外物体类似的处理过程即可获得实时的分辨率提升。
图1 a) 谐波辅助方案流程图。SHG：二次谐波发生。DFG：差频发生。b)检测红外旋转物体的原理图。
为了验证上述方案，本文进行了如图1(b)所示的实验。利用产生的涡旋光入射旋转物体，通过收集反射的高斯光束并与另一束辅助高斯光束进行外差干涉，从而获取相应的测量信号。实验结果如图2所示，通过两次级联的倍频过程，成功实现了四倍的实时分辨率提升，并将昂贵且低效的红外探测频段转换至成本低、效率高的硅基探测频段，从而显著提高了探测效率并降低了成本。此外，该方案可与前端增大轨道角动量的传统技术相结合，形成前后端联动的一体化测量设备。
图2 实验结果。a)和b)分别代表对入射涡旋光l=1和l=2从探测器收集到的光强信号。FW：基频波。SH：二次谐波。FH：四次谐波。c)和d)分别代表对应信号的傅里叶频谱信息。
本文通过结合非线性过程和旋转多普勒效应，提出了一种可与现存手段相结合的后端放大探测分辨率的策略，这标志着超分辨探测的全新思路。实验中也成功地演示了在可见光谱范围实时超分辨探测红外物体的旋转，这项研究不仅拓展了光学操控的自由度，还有助于加深对光与物质相互作用的理解。
论文的第一作者为西安交通大学物理学院郭振宇博士，论文共同第一作者为王嘉玮博士，论文通讯作者为西安交通大学张沛教授，共同通讯作者为常泽宏助理教授和王云龙副教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401050
近日，西安交通大学物理学院张沛教授团队在旋转测量领域取得了突破性进展。团队提出了一种基于非线性效应与旋转多普勒效应提升旋转测量分辨率的全新理论方案，原理上可以通过级联非线性过程n次将探测分辨率提升2^n倍，同时通过倍频和差频技术，可以将一些难以探测的波段转换到容易探测的波段，降低探测难度和成本。相关成果以“Harmonic-Assisted Super-Resolution Rotational Measurement”为题于9月17日在线发表在《Laser Photonics Reviews》。
轨道角动量作为一种具有巨大潜力的自由度，近年来受到了广泛关注。基于该自由度的旋转多普勒效应为遥感测量领域开辟了全新的研究方向。尽管光学旋转多普勒效应已成功应用于物体旋转探测，并逐步克服了实际应用中的一些挑战，但如何进一步提升旋转测量分辨率并扩展探测光谱范围，仍是亟待解决的两大技术难题。尽管量子技术被寄予厚望，希望借此提高探测分辨率，但由于量子态制备复杂且易退相干，实际应用中仍然面临重大挑战。因此，迫切需要通过新的物理机制，在测量技术上实现突破。
本文提出并实验演示了一种结合旋转多普勒效应与非线性效应的综合测量手段，以解决现有技术所面临的挑战。该方案不仅能够实现灵活的检测波长转换，还可以显著提升测量分辨率，并实时显示检测结果。在原理上主要是应用倍频过程中对于光子相位的累积效应来实现对探测信号分辨率的实时提升，利用倍频和差频组合的循环结构可以实现任意探测波段的转换。如图1所示，对于红外物体的探测信号可以通过级联n次倍频过程实现探测分辨率2n倍的提升，当信号转移至便宜的硅基探测频段时可以停止级联获取信号或者利用差频技术将信号重新转移至红外频段再次级联倍频过程以获取更高的分辨率提升。对于紫外物体的探测则首先需要利用差频技术将探测信号转移至红外波段，然后进行与红外物体类似的处理过程即可获得实时的分辨率提升。
图1 a) 谐波辅助方案流程图。SHG：二次谐波发生。DFG：差频发生。b)检测红外旋转物体的原理图。
为了验证上述方案，本文进行了如图1(b)所示的实验。利用产生的涡旋光入射旋转物体，通过收集反射的高斯光束并与另一束辅助高斯光束进行外差干涉，从而获取相应的测量信号。实验结果如图2所示，通过两次级联的倍频过程，成功实现了四倍的实时分辨率提升，并将昂贵且低效的红外探测频段转换至成本低、效率高的硅基探测频段，从而显著提高了探测效率并降低了成本。此外，该方案可与前端增大轨道角动量的传统技术相结合，形成前后端联动的一体化测量设备。
图2 实验结果。a)和b)分别代表对入射涡旋光l=1和l=2从探测器收集到的光强信号。FW：基频波。SH：二次谐波。FH：四次谐波。c)和d)分别代表对应信号的傅里叶频谱信息。
本文通过结合非线性过程和旋转多普勒效应，提出了一种可与现存手段相结合的后端放大探测分辨率的策略，这标志着超分辨探测的全新思路。实验中也成功地演示了在可见光谱范围实时超分辨探测红外物体的旋转，这项研究不仅拓展了光学操控的自由度，还有助于加深对光与物质相互作用的理解。
论文的第一作者为西安交通大学物理学院郭振宇博士，论文共同第一作者为王嘉玮博士，论文通讯作者为西安交通大学张沛教授，共同通讯作者为常泽宏助理教授和王云龙副教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202401050
