导读

从追踪风暴、飞机机翼周围的气流，到测量微小血管中的血流，科学家们长期依赖运动物体对光频率产生的微妙改变，即多普勒效应获取信息。然而，当前的光学多普勒技术存在若干不足：线性多普勒方法对横向运动无能为力；旋转多普勒方法使用螺旋状光束感知自转，却无法区分顺时针与逆时针旋转（图1a）；较新的矢量方法虽能通过偏振编码方向（图1b），但上述三种方案彼此独立，缺乏统一理论，且所有方法均受限于给定运动所能产生的最大频移量。如何在单个测量系统中同时获取旋转的大小与方向并突破频移上限，成为该领域的关键挑战。

近日，哈尔滨工业大学董永康团队在在国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》发表重要研究成果“Generalized Doppler effect for high-accuracy frequency shift measurement ”，首次通过自旋-轨道耦合构造矢量偏振双涡旋光场，提出了一种广义多普勒效应框架，用于高准度频移测量（图1c）。该研究通过将光的偏振阶次与轨道角动量双重扭曲结构锁定在同一光束中，使单次反射即可产生四个独立频移信号，其中两个混合信号的频移幅度较传统方法实现数量级提高。同时，通过调控涡旋波片或偏振器可明确分辨运动方向。该成果为精密测速、医学血流成像、激光雷达等领域提供了全新的测量工具。

图1：激光多普勒效应测量方案对比。(a)旋转多普勒效应；(b)矢量多普勒效应；(c)广义多普勒效应。m和?分别为偏振阶数和轨道角动量阶数，ΔfDS、ΔfDPS、ΔfDPVS1/2分别为旋转多普勒频移、矢量多普勒频移、矢量涡旋多普勒频移。

研究内容

研究团队通过将光的偏振阶次（描述横截面上偏振方向的变化）与轨道角动量（决定波前螺旋扭曲强度）进行自旋-轨道耦合，构造出矢量偏振的双涡旋光场。该光束的偏振模式与螺旋结构以受控方式锁定在一起，当照射到运动目标上时，运动信息被同时编码到多个自由度中，为后续多信号提取奠定了基础。

当该结构光从旋转或平移目标反射并经过偏振器后，其强度波动可解析出四个清晰的频移信号：经典的螺旋相关信号、纯偏振相关信号，以及两个同时依赖偏振阶次和螺旋阶次的混合信号（图2）。由于混合信号结合了两种扭曲，其频移量远大于任一单独成分。实验表明，在合理光束参数下，混合信号可将有效测量准度较传统方案实现数量级提高。

图2：高准度频移测量原理图。

通过旋转探测路径中的偏振器或调整发射光束的初始偏振设置，可读出偏振相关信号中蕴含的多普勒频移符号，从而准确判断目标的旋转方向（顺时针或逆时针）（图3）。该方向分辨能力在转速随时间变化（加速、减速或复杂模式）时依然保持有效。实验采用数字微镜器件控制的小型镜面“粒子”模拟运动，验证了四个频移分量与理论预测的高度一致，且混合信号始终具有最小的相对误差。此外，未来可通过模式选择滤波器在粗糙漫射表面散射条件下分离混合信号，具备实际应用潜力。

图3：实验测量的广义多普勒信号及多普勒频谱。

总结与展望

该研究首次系统地将光的偏振阶次与轨道角动量通过自旋-轨道耦合统一于广义多普勒效应框架中，在单次测量中同时获取多个频移信息，并利用混合信号大幅提升精度和方向分辨能力。这一方法统一了以往各自独立的线性、旋转和矢量多普勒技术，为超高精度运动测量开辟了新路径。未来有望应用于绘制涡流场、监测血液微循环、改进激光雷达，以及任何对微小运动变化敏感的探测场景，推动下一代集成化光学传感与测速平台的发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02259-9