[发明专利]基于激光高阶横模的光学横向小位移的测量方法及装置

说明书

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/w₀²+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。