近日，苏州大学 赵承良教授课题组提出了一种基于周期性相干结构调控的角速度测量模型（图1），该技术打破了传统旋转多普勒测速方案中需将光源与物体旋转轴对准的要求，可针对超光学系统瑞利衍射极限的微结构实现精准转速测量。
激光多普勒效应以其非接触、快速测量、宽带频率响应、高空间分辨率和远程测量等突出优点，在天体观测、精密计量、激光遥感等领域得到了广泛应用。近十年来，基于涡旋光束拓扑荷与角速度定量关系的旋转多普勒效应引起了极大关注。然而，旋转多普勒效应用于角速度测量时，需将光源对准物体的旋转轴，否则将造成频移信号的展宽甚至淹没。因此，如何实现无需对准的角速度测量成为研究者感兴趣的课题。
该研究发现，调控光源的相干结构也能产生频移信号，以用于角速度测量。利用相干结构全空间平铺的优势，即谢尔模型特殊空间相干结构光束的相干度只与空间中两点的相对位置有关，而与绝对位置无关，进而实现无需对准的角速度测量。作者展示了0.001-0.1 r/s范围内的超低角速度矢量（包括大小和方向）。当转速为0.001 r/s时，非充分采样的情况下平均相对误差可控制在0.6%以内，标准差稳定在〖10〗^(-4)量级。在采样充分的情况下，平均相对误差将小于0.05%。
该方案适用的被测物体尺寸可涵盖宏观至微观物体，最小响应尺寸可至光学系统瑞利极限的0.6倍。此外，还可通过旋转光源的相干结构来追踪物体的旋转运动，由此同时确定角速度的大小和方向。利用光源和物体旋转产生的拍频灵活控制频移的升档或者降档，可实现超低至超高转速范围内的角速度测量。
该课题由我院赵承良教授研究团队、山东师范大学蔡阳健教授团队以及上海理工大学詹其文教授团队合作完成，苏州大学为第一完成单位。赵承良教授、蔡阳健教授以及詹其文教授为论文的共同通讯作者，苏州大学博士研究生赵雪纯为论文第一作者。相关工作以“Ultrahigh Precision Angular Velocity Measurement using Frequency Shift of Partially Coherent Beams”为题发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202300318)。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省现代光学技术重点实验室以及江苏省研究生科研实践创新项目等项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300318
