本发明专利技术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。本发明专利技术测量灵敏度高，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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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dmin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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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-＝NLo[4(n+1)Nd2/w02+δ2Xn+1]，式中NLo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，δ2Xn+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-＝NLo[4(n+1)Nd2/w02+δ2Xn+1]，式中包含的本地光平均光子数NLo，待测光平均光子数N，光束腰斑w0和量子噪声项δ2Xn+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/w02/δ2Xn+1；采用经典光，其噪声项δ2Xn+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，即本专利技术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。本专利技术采用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。本专利技术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...
【技术保护点】
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‑＝NLo[4(n+1)Nd2/w02+δ2Xn+1]，式中NLo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，δ2Xn+1为量子噪声项；根据上式即可求出d的值。
【技术特征摘要】
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-＝NLo[4(n+1)Nd2/w02+δ2Xn+1]，
式中NLo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，δ2Xn+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...
【专利技术属性】
技术研发人员：郜江瑞，孙恒信，刘奎，刘尊龙，郭鹏亮，张俊香，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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