CN103791845A - 基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光精密测量及量子测量领域的测量方法和装置，具体说是一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法及装置。一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法，包括以下步骤：（a）采用n阶模式以及n+1阶模式的厄米高斯激光分别作为信号光和本地光，所述n≧1；（b）使信号光产生横向平移量d；（c）将本地光与发生平移后的信号光即待测光各分成强度相等的两束光；（d）分别采集两束新的激光的强度信号，将相减后得到的电信号转换为相应的功率信号，可求出d的值进而推断待测物体的信息。本发明测量灵敏度高，可以达到或超过利用一阶压缩态光场的测量的灵敏度，且装置简单，易于操控。

Description

基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光精密测量及量子测量领域的测量方法和装置，具体涉及激光横向小位移的精密测量，更具体说是一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法及装置。

背景技术

光学小位移测量是一种基于光的灵敏干涉的小位移测量技术，许多物理量均可转化成光的位移来进行间接测量，因为光学位移的测量灵敏度很高，近年来受到人们越来越多的关注。所述的光学小位移量数量级一般为1埃即10^-10米。

在此之前相关的研究工作有：

1.2000年，C.Fabre等人在Optics Letters上发表了题为“光学成像中小位移测量的极限”的文章，理论上预测了采用多模非经典光可以打破标准量子极限。

2.2003年，N.Treps等人在Science上发表了题为“量子激光指针”的文章，实验上采用多模非经典技术，获得了一种量子激光指针。

3.2004年，Magnus T L Hsu等人在Journal of Optics B上发表了题为“优化的光学小位移测量”的文章，提出了平衡零拍装置来代替分束探测测量光的小位移。

4.2006年，V.Delaubert等人在Physical Review A上发表了题为“TEM₁₀模作为优化的光学小位移和小倾斜测量装置”的文章，实验上证实了研究工作3的理论。

5.2010年，李睿等人在物理学报上发表了题为“平衡零拍平移测量实验研究”的文章，利用相干光TEM₀₀模式进行了一维平移测量的研究。

6.2012年，Olivier Pinel等人在Physical Review A上发表了题为“基于强高斯光的精密测量的极限灵敏度：一种多模方法”的文章，提出了任意光束模式的极限测量灵敏度。

平移的基模信号光束相对于原来基模光束的坐标系展开会出现高阶模，高阶模的比例正比于光束平移量的大小。利用1阶模式即HG10模作为本地光可以测量出信号光束中1阶模的成分，从而得知平移量。上述文献利用这一原理实现了微弱平移信号的测量。第一、二篇文章中用到了非经典光提高小位移测量，但是由于产生非经典光系统较为复杂，测量方式采用分束探测器，测量效率不高。第三、四、五篇文章分别从理论和实验上采用平衡零拍探测装置，小位移测量的效率比之前提高了20%，但是信号光均采用的是激光的基模；具体的讲，采用基模作为信号光进行小位移的平衡零拍探测时，其最小可测平移量为信噪比为1时的平移量

d_min越小，测量灵敏度越高。上述几篇文章都是采用的激光的基模作为携载平移信息的信号光，测量灵敏度受到相应散粒噪声极限限制，如果要提高灵敏度就必须使用非经典光，众所周知，非经典光产生的条件要求较高，不易操作，且测量设备复杂，成本昂贵。

光学小位移测量通常用于对光束产生横向平移的物理量的测量，此物理量可以是运动的物体，例如微观粒子的运动或生物分子的运动；也可以是使经过的光束产生平移的其他物理量，例如电光或磁光介质的折射率起伏等。待测物体可用一个平移调制系统来模拟，该平移调制系统将信号光反射后，信号光就会产生一个相应的平移量。

发明内容

本发明为解决目前光学横向小位移测量灵敏度不够高或设备复杂、测量条件要求高的技术问题，提供一种精密测量光学横向小位移的方法及装置。

本发明所述的基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法是采用以下技术方案实现的：一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法，包括以下步骤：（a）采用一束n阶模式的厄米高斯激光作为信号光，采用n+1阶模式的厄米高斯激光作为本地光（5），所述n≧1；（b）使信号光产生横向平移量d；（c）基于平衡零拍探测原理，将本地光与发生平移后的信号光即待测光各分成强度相等的两束光，等分后的每一束本地光均与等分后的一束待测光重合，形成两束新的激光；（d）分别采集两束新的激光的强度信号，将强度信号转换为相应的电信号后相减；将相减后得到的电信号转换为相应的功率信号，该功率信号的表达式为：

V_-＝N_Lo[4(n+1)Nd²/w₀ ²+δ²X_n+1]，

式中N_Lo和N分别为本地光和待测光的平均光子数，w₀为光束腰斑大小，δ²X_n+1为量子噪声项；根据上式即可求出d的值。

由量子力学的基本理论可知，对激光横向小位移的测量，其探测灵敏度都受到量子噪声极限的限制。在相同量子噪声极限下，提高信号幅度也可以提高探测灵敏度。高阶厄米高斯模式空间结构更为复杂，含有更多空间信息，有利于提高空间测量灵敏度。研究发现，通过采用高阶厄米高斯模式可以提高平移测量中的信号比例，从而信噪比增加，测量灵敏度提高。以n阶模式为信号光，光束平移会激发出n+1阶模式激光，选择n+1阶模式激光作为本地光，可以将发生平移的信号光即待测光中所包含的平移信息提取出来。利用平衡零拍探测系统，将两个探测器的光电流相减，获得相应的信号功率：V_-＝N_Lo[4(n+1)Nd²/w₀ ²+δ²X_n+1]，式中包含的本地光平均光子数N_Lo，待测光平均光子数N，光束腰斑w₀和量子噪声项δ²X_n+1（d=0时即可得到量子噪声项的值），这些均可以根据实际使用的相关仪器以及运行参数获知的；由此可以求出平移量d的值，此功率信号的信噪比为SNR＝4(n+1)Nd²/w₀ ²/δ²X_n+1；采用经典光，其噪声项δ²X_n+1等于1。定义信噪比为1时的最小可测平移量为

随着模式阶数n的增加，最小可测量减小，测量灵敏度提高。该最小可测平移量要小于采用基模作为信号光时的最小可测平移量，即本发明所述的技术方案的测量灵敏度高于现有采用经典光的方法。

进一步的，所述信号光采用1阶模式即HG10模的厄米高斯激光；本地光采用2阶模式即HG20模的厄米高斯激光。本发明采用n=1的信号光，也即HG10模时，信噪比为原来采用基模时的2倍，相当于压缩度为-3dB的基模的非经典光的测量灵敏度，但测量装置简化，操作更方便。随着模式阶数的增加，高阶模式的腰斑越来越大，传统意义上认为光斑越大，对光束的平均位置的测量精度就越低。然而对于光束的位移测量，由于测量的光束的相对位置，其测量精度并不随光束的腰斑增大而减小。例如实施例中采用了1阶模式后，光束位移的测量精度比基模要高。

本发明所述的基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量装置是采用如下技术方案实现的：一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量装置，包括一个激光器以及位于激光器出射光路上的模式转换系统；模式转换系统的信号光的出射光路上设有平移调制系统；还包括一个平衡零拍探测系统，所述平衡零拍探测系统的一个入射端口位于平移调制系统的出射光路上；平衡零拍探测系统的另一个入射端口位于模式转换系统的本地光的出射光路上；平衡零拍探测系统的信号输出端连接有一个频谱仪。

激光器发出的激光入射至模式转换系统，模式转换系统将入射激光转换为两种厄米高斯模的激光，一种转换为n阶厄米高斯模做信号光输入至平移调制系统，另一种转换成n+1阶厄米高斯模做本地光；信号光经过平移调制系统产生一个横向平移量d；该平移量就是待测的光学小位移量；携带有该光学小位移量信息的信号光（即待测光）进入平衡零拍探测系统，同时本地光也进入平衡零拍探测系统；平衡零拍探测系统的光电流之差输入到频谱仪得到解调后的功率信号为：V_-＝N_Lo[4(n+1)Nd²/w₀ ²+δ²X_n+1]，进而根据公式中的已知量就可以求出光学小位移量d；由于采用的信号光为n阶，本地光为n+1阶，且n≧1，测量灵敏度较信号光采用基模（即n=0）时要大，达到了采用非经典光时的测量灵敏度，避免了产生非经典光时所需要的设备，整个装置结构简单。平衡零拍探测原理为本领域技术人员的公知技术；平衡零拍探测系统为现有公知产品，有不同的型号可供选择。

本发明设计的光学横向小位移测量的方法和装置与已报道的同类测量小位移的装置相比有以下优点：

1、与采用基模相干光作为信号光相比，测量灵敏度高。

2、与采用非经典光来提高测量灵敏度相比，此装置更为简单。

3、结构紧凑，方便应用。

附图说明

图1是利用高阶模进行小位移测量的方法简图。

图2是平衡零拍探测系统的结构示意图。

图3是本发明所述装置的结构示意图。

图4是实施例测量结果功率信号随扫描时间的变化。

图5是实施例测量结果信噪比随平移量的变化。

图6是实施例中平移调制系统的结构示意图。

1-模式转换系统，2-信号光，3-平移调制系统，4-待测光，5-本地光，6-平衡零拍探测系统，7-激光器，8-50/50光学分束器，9-平衡探测器，10-减法器，11-频谱仪，12-压电陶瓷，13-信号发生器，14-反射镜。

具体实施方式

一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法，包括以下步骤：（a）采用一束n阶模式的厄米高斯激光作为信号光2，采用n+1阶模式的厄米高斯激光作为本地光5，所述n≧1；（b）使信号光2产生横向平移量d；（c）基于平衡零拍探测原理，将本地光5与发生平移后的信号光即待测光4各分成强度相等的两束光，等分后的每一束本地光5均与等分后的一束待测光4重合，形成两束新的激光；（d）分别采集两束新的激光的强度信号，将强度信号转换为相应的电信号后相减；将相减后得到的电信号转换为相应的功率信号，该功率信号的表达式为：

V_-＝N_Lo[4(n+1)Nd²/w₀ ²+δ²X_n+1]，

式中N_Lo和N分别为本地光5和待测光4的平均光子数，w₀为光束腰斑大小，δ²X_n+1为量子噪声项；根据上式即可求出d的值。

所述信号光2采用1阶模式即HG10模的厄米高斯激光；本地光5采用2阶模式即HG20模的厄米高斯激光。

一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量装置，包括一个激光器7以及位于激光器7出射光路上的模式转换系统1；模式转换系统1的信号光2的出射光路上设有平移调制系统3；还包括一个平衡零拍探测系统6，所述平衡零拍探测系统6的一个入射端口位于平移调制系统3的出射光路上；平衡零拍探测系统6的另一个入射端口位于模式转换系统1的本地光5的出射光路上；平衡零拍探测系统6的信号输出端连接有一个频谱仪11。

所述平衡零拍探测系统6包括一个50/50光学分束器8；所述待测光4与本地光5垂直相交且分别入射至50/50光学分束器8；所述50/50光学分束器8位于待测光4与本地光5光路的交点上且与两光路所成直角的角平分线重合；待测光4与本地光5入射至50/50光学分束器8上的位置应保证待测光4的透射光与本地光5的反射光共线，且待测光4的反射光与本地光5的透射光共线；50/50光学分束器8两个反射光路上分别设有一个平衡探测器9；两个平衡探测器9的信号输出端共同连接有一个减法器10；减法器10的信号输出端与频谱仪11相连接。50/50光学分束器8可以将待测光4和本地光5各等分为强度相等的两束光。本领域技术人员可以通过设置多个反射镜实现光路的布置，使待测光4和本地光5实现垂直相交。

所述平移调制系统3包括一个压电陶瓷12以及与压电陶瓷12相连接的信号发生器13；所述压电陶瓷12表面有一个反射面与压电陶瓷12运动方向垂直的反射镜14且该反射镜14的法线与由模式转换系统1出射的信号光2呈45度角。

在此给出本发明的一个实验实例。用压电陶瓷调制信号光模拟随时间线性变化的微小平移量，使用平衡零拍探测的探测方式，实验比较了信号光模式分别为基模HG₀₀和第一阶模式HG₁₀的测量结果。

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

图1是利用高阶模进行小位移测量的方法简图。信号光2的模式为高阶厄米高斯模。信号光2经历一个被测物体（平移调制系统3），产生一个横向平移量d，进入平衡零拍探测系统6。

图2是平衡零拍探测系统的结构示意图。模式为HG(n0)的待测光4与模式为HG(n+1,0)的本地光5在50/50分束器8上耦合后进入两个平衡探测器9，两个平衡探测器9的电流差送入频谱仪11来解调待测光的平移信号。

图3是实施例的测量装置图。激光器7产生的1064nm的红外光为基模模式HG00，通过模式转换系统1，一部分转换成厄米高斯模HG10或HG00做信号光2，另一部分转换成HG20或HG10做本地光5。信号光通过被测物体3得到一束待测光4。被测物体为一套平移调制系统（见图6所示）：通过给压电陶瓷12加入正弦信号调制，于是压电陶瓷13上的反射镜14被加入平移调制，进而转化成光束的平移信号，被测物体3内部信号源产生频率3MHz中心幅度为10dBm调幅信号，调幅信号为三角波，调幅频率为1Hz，调制类型为全调制。待测光即发生平移后的信号光4与本地光5输入到平衡零拍探测系统6，并将两束光的相位锁在0或π上，再将平衡零拍的输出电流输入到频谱仪11解调，从而得到光束平移信号。

图4是实验结果中功率信号随扫描时间的变化。曲线（4a）为挡住信号光后的散粒噪声基准，曲线（4b）代表了信号光模式为HG₀₀、本地光模式为HG₁₀的测量结果，曲线（4c）代表了信号光模式为HG₁₀、本地光模式为HG₂₀的测量结果。而相应的理论拟合曲线也可在图中看到。上述的两次测量中所用的信号光功率相等，本地光功率也相等，因此为同一个基准。频谱仪设置为RBW=30kHz,VBW=100Hz,分析频率为3MHz。结果表明，当光的平移量相同时，噪声也相同，但是应用高阶模式得到的信号却比应用低阶模式得到的信号大。

图5为把图2中的结果换算成信噪比随平移量的变化。依照给定的信号光腰斑的大小，信号光功率及频谱仪的分辨率带宽，可以得到信噪比为1对应的光的最小可测量。由于平移信号扫描随时间是线性变化的，所以可以推算出横轴上每一点对应的平移量。曲线（5a）为挡住信号光后的散粒噪声基准，曲线（5b）代表了信号光模式为HG₀₀、本地光模式为HG₁₀的测量结果，曲线（5c）代表了信号光模式为HG₁₀、本地光模式为HG₂₀的测量结果。可以看出，随着平移量的增加，两个噪声信号的信噪比逐渐增大。本实例中信号光功率100微瓦，本地光功率为1毫瓦，因此HG₀₀模的最小可测平移量为

由实验数据可知，使用高阶模式HG₁₀测量所对应的最小可测平移量为其测量灵敏度比使用HG₀₀模式提高了42%，这相当于使用-3dB的HG₀₀模的压缩光的探测灵敏度。

实施例中典型讨论了通过本发明使用厄米高斯HG₁₀模做信号光、HG₂₀模做本地光比HG₀₀模做信号光、HG₁₀模做本地光时测量灵敏度得到了明显提高。本发明还可以推广到基于各种波长和其他类型的高阶模式的小信号测量。本发明的核心是利用高阶模式比低阶模式包含更多的信息量的原理以及各阶模式互相正交的特性，达到提高光束横向小位移测量灵敏度的目的。

Claims (5)

1.一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：（a）采用一束n阶模式的厄米高斯激光作为信号光（2），采用n+1阶模式的厄米高斯激光作为本地光（5），所述n≧1；（b）使信号光（2）产生横向平移量d；（c）基于平衡零拍探测原理，将本地光（5）与发生平移后的信号光即待测光（4）各分成强度相等的两束光，等分后的每一束本地光（5）均与等分后的一束待测光（4）重合，形成两束新的激光；（d）分别采集两束新的激光的强度信号，将强度信号转换为相应的电信号后相减；将相减后得到的电信号转换为相应的功率信号，该功率信号的表达式为：

V_-＝N_Lo[4(n+1)Nd²/w₀ ²+δ²X_n+1]，

式中N_Lo和N分别为本地光（5）和待测光（4）的平均光子数，w₀为光束腰斑大小，δ²X_n+1为量子噪声项；根据上式即可求出d的值。

2.如权利要求1所述的基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法，其特征在于，所述信号光（2）采用1阶模式即HG10模的厄米高斯激光；本地光（5）采用2阶模式即HG20模的厄米高斯激光。

3.一种基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括一个激光器（7）以及位于激光器（7）出射光路上的模式转换系统（1）；模式转换系统（1）的信号光（2）的出射光路上设有平移调制系统（3）；还包括一个平衡零拍探测系统（6），所述平衡零拍探测系统（6）的一个入射端口位于平移调制系统（3）的出射光路上；平衡零拍探测系统（6）的另一个入射端口位于模式转换系统（1）的本地光（5）的出射光路上；平衡零拍探测系统（6）的信号输出端连接有一个频谱仪（11）。

4.如权利要求3所述的基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量装置，其特征在于，所述平衡零拍探测系统（6）包括一个50/50光学分束器（8）；所述待测光（4）与本地光（5）垂直相交且分别入射至50/50光学分束器（8）；所述50/50光学分束器（8）位于待测光（4）与本地光（5）光路的交点上且与两光路所成直角的角平分线重合；待测光（4）与本地光（5）入射至50/50光学分束器（8）上的位置应保证待测光（4）的透射光与本地光（5）的反射光共线，且待测光（4）的反射光与本地光（5）的透射光共线；50/50光学分束器（8）两个反射光路上分别设有一个平衡探测器（9）；两个平衡探测器（9）的信号输出端共同连接有一个减法器（10）；减法器（10）的信号输出端与频谱仪（11）相连接。

5.如权利要求3或4所述的基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量装置，其特征在于，所述平移调制系统（3）包括一个压电陶瓷（12）以及与压电陶瓷（12）相连接的信号发生器（13）；所述压电陶瓷（12）表面有一个反射面与压电陶瓷（12）运动方向垂直的反射镜（14）且该反射镜（14）的法线与由模式转换系统（1）出射的信号光（2）呈45度角。

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