[发明专利]一种各向异性旋转运动微粒的测量方法

说明书

本发明公开了一种各向异性旋转运动微粒的测量方法。该方法利用圆柱矢量偏振光场作为探测光，照射具有自旋与公转的各向异性旋转运动微粒，并反射出矢量多普勒偏振信号，采用斯托克斯参量法或双偏振检测法检测矢量多普勒偏振信号，针对其斯托克斯参量S₁和S₂或其在两个偏振方向的投影分量分别进行傅里叶分析，在傅里叶幅度谱中提取多个峰值频率大小和峰值相对振幅比，在傅里叶相对相位谱中提取对应于峰值频率的相对相位差值，通过计算实现对各向异性旋转运动微粒的自旋与公转速度的大小与方向，以及其各向异性参数的同时测量。本发明突破了传统方案对各向异性微粒测量的局限，在光学测量和传感等方面具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

技术领域

本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种各向异性旋转运动微粒的测量方法。

背景技术

众所周知，多普勒效应由波源和观察者之间的相对运动引起，其在光学和声学测量领域有着广泛的作用。基于多普勒效应发展起来的多普勒测速技术通常具有空间分辨率高、测量范围广、非接触等优点。在多普勒效应发展的漫漫历程中，研究者往往关注标量场在与物体相互作用过程中的频率变化。近来，随着研究者们对光场维度的探索，基于偏振随空间变化的矢量偏振光场，一种新颖的矢量多普勒效应被揭示与证实。矢量多普勒效应作为对传统多普勒效应的一种全新的拓展，为旋转运动速度的大小和方向的同时获取提供了新的途径，并打破了传统多普勒测速研究中对运动方向判别缺失的局限性。通常，各向同性介质对于光的偏振态没有影响，因此各向同性物体在矢量多普勒效应中展现出均匀且规律简单的矢量多普勒偏振信号。而对于各向异性微粒，其会对光场的偏振态带来改变，且这种改变与各向异性的快慢轴有关。可见，各向异性旋转运动微粒在矢量多普勒效应中产生的矢量多普勒偏振信号将展现出极其复杂的变化特性。当各向异性微粒同时存在自旋与公转这两种基本的旋转运动形式时，目前缺乏有效的测量方案实现对其的信息获取。而考虑到基于矢量多普勒效应的运动测量方法，各向异性微粒产生的复杂矢量多普勒偏振信号难以采用常规手段直接进行检测。因此，找到一种针对复杂矢量多普勒偏振信号的检测手段，进而实现对各向异性旋转运动微粒测量的方法是极其必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种各向异性旋转运动微粒的测量方法，目的在于突破传统方案对各向异性微粒测量上的局限性，实现对各向异性旋转运动微粒的自旋与公转角速度的大小和方向进行同时测量，并获取其各向异性参数，填补相关技术的空白。

斯托克斯参量法是一种描述和测量光场偏振态的有效手段，为复杂矢量多普勒偏振信号的检测提供了很好的解决思路。另外，双偏振检测法通常可以作为斯托克斯参量法的一种简化形式，也可以用于偏振信号的检测。这里将基于斯托克斯参量法和双偏振检测法发明一种矢量多普勒偏振信号检测手段，以实现对各向异性微粒的测量。

其中，各向异性旋转运动微粒可存在自旋与公转的运动形式，在各向异性旋转运动微粒的各向异性参数为已知的情况下，只需测量各向异性旋转运动微粒的自旋和公转角速度的大小和方向。在各向异性旋转运动微粒的各向异性参数为未知的情况下，测量参数还包括各向异性参数。