DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01747-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39962049
تاريخ النشر: 2025-02-17
المؤلف: Zhenyu Wan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تطوير نظام قياس سرعة دوبلر الدوراني (AF-RDV) المصنوع بالكامل من الألياف، والذي يستخدم عنصر ألياف بصرية مصمم بطريقة معينة للكشف عن السرعة الزاوية للأجسام الدوارة. يعمل نظام AF-RDV في نظامين متبادلين من خلال تبادل الأوضاع المضيئة والمكتشفة، مما يظهر الطبيعة المعتمدة على الوضع لتأثير دوبلر الدوراني (RDE). ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تكشف أن انزياح دوبلر الدوراني يمكن اكتشافه من خلال تصفية الأوضاع للإشارة المبعثرة، حتى عندما لا يكون ضوء الاستشعار ملتويًا.
بالإضافة إلى ذلك، يبرز المؤلفون خاصية عدم اللون لتأثير دوبلر الدوراني، التي تم تحقيقها من خلال مسح الطول الموجي الساقط، مما يسمح لنظام AF-RDV بالعمل على نطاق تشغيل واسع للغاية. يظهر النظام أداءً واعدًا في اكتشاف الأسطح الخشنة الدوارة، مما يشير إلى إمكانيته كأداة استشعار عملية لمراقبة الحركة الزاوية في تطبيقات متنوعة ضمن كل من البحث والصناعة.
مقدمة
تناقش المقدمة مفهوم الدوامات الضوئية، التي تتميز بأشعة ضوئية ذات طور حلزوني تظهر تفردات طورية. هذه الدوامات، التي تم وصفها رياضيًا بالتعبير $\exp(i\ell\theta)$، حيث $\ell$ هو الشحنة الطوبولوجية، معروفة بأنها تحمل زخم زاوي مداري (OAM) قدره $\ell\hbar$ لكل فوتون، وهو اكتشاف أثار بحثًا واسعًا منذ عام 1992. تم التعرف على أشعة OAM من خلال واجهاتها الحلزونية وملفات شدة الضوء على شكل كعكة، وقد وجدت تطبيقات في مجالات متنوعة، بما في ذلك التلاعب الضوئي، والاتصالات، والتصوير، والمعلومات الكمومية. ركزت الدراسات الحديثة بشكل خاص على تأثير دوبلر الدوراني (RDE)، الذي يربط بين انزياح تردد الضوء والحركة الدورانية، مستفيدة من طيف OAM لتحسين قدرات القياس.
يقترح البحث نظام قياس سرعة دوبلر الدوراني المصنوع بالكامل من الألياف (AF-RDV) مصمم لقياس السرعة الزاوية للأسطح الدوارة. يستخدم هذا النظام موصل انتقائي للأوضاع (MSC) واسع النطاق لتسهيل تشكيل الأوضاع والتصفية، مما يسمح بدمج كل من أوضاع Gaussian والأوضاع المتراكبة في عملية القياس. يظهر نظام AF-RDV تقدمًا كبيرًا مقارنةً بأنظمة RDV التقليدية من خلال تقليل التعقيد والتكلفة من خلال تصميمه المدمج وتكوين رأس بصري واحد. تؤكد النتائج التجريبية خاصية عدم اللون لنظام AF-RDV، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات العملية في الاستشعار والقياس، وبالتالي تعزيز الأهمية الصناعية لنظرية RDE.
الطرق
في هذا القسم، يحقق المؤلفون في الخاصية المتبادلة لتأثير دوبلر الدوراني (RDE) باستخدام سطح خشن دوار مصنوع من ورق الألمنيوم المنقوش. يتضمن الإعداد التجريبي ليزرًا مضبوطًا على طول موجي قدره 1550 نانومتر وسلسلة من المكونات البصرية، بما في ذلك كاشف ضوئي (PD) وألياف بصرية متنوعة. تشير النتائج إلى أنه عند تبادل الأوضاع المضيئة والمكتشفة، يتعرض القدرة الضوئية المستلمة لفقدان قدره حوالي 27 ديسيبل و30 ديسيبل، على التوالي. تم ضبط سرعة دوران المحرك على 20 دورة في الثانية (rps)، وتظهر إشارات الشدة دورية مشابهة، مع طيف تردد فورييه يظهر قمة عند 40 هرتز، مما يتوافق مع سرعة زاوية قدرها \( \Omega = 40\pi \, \text{rad/s} \).
مع تغيير سرعة المحرك من 10 إلى 90 دورة في الثانية، تظهر ترددات النبض المقاسة في كلا التكوينين علاقة خطية مع السرعة الزاوية، مما يؤكد خاصية التبادلية لتأثير RDE. ترتبط حساسية استشعار السرعة الزاوية بالشحنة الطوبولوجية للزخم الزاوي المداري (OAM)، مع حساسية قدرها \( \frac{1}{\pi} \, \text{Hz/(rad/s)} \) للأوضاع التي تحمل ±1-order OAM. تقدر دقة القياس بنسبة 0.35% و0.20% لحالات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يُعزى وجود قمم توافقيه في أطياف فورييه إلى عدم محاذاة ضوء الاستشعار والخصائص الهندسية للسطح الخشن، مما يشير إلى أن هذه القمم ليست ضوضاء ولكنها إشارات خاملة ناتجة عن توزيع الأوضاع في النظام.
النتائج
تظهر النتائج الأداء غير الملون لنظام قياس سرعة دوبلر الدوراني التكيفي (AF-RDV) عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية، تحديدًا من 1500 إلى 1620 نانومتر، باستخدام ليزر قابل للتعديل. شمل الإعداد التجريبي تعديل الليزر في فواصل قدرها 10 نانومتر، مع عرض ضوء الاستشعار دوامات متراكبة. تشير ملفات شدة هذه الدوامات، كما هو موضح في الأشكال، إلى أن الجهاز يحافظ على خصائص شعاع ثابتة عبر الأطوال الموجية المختبرة، مما يؤكد أدائه الجيد عبر النطاق العريض.
كشفت التحليلات الإضافية لطيف تردد فورييه أن جميع الأطياف أظهرت قمة قصوى عند 100 هرتز، تتماشى مع العلاقة المتوقعة بين تردد القمة والسرعة الزاوية كما هو موصوف في المعادلة ذات الصلة. بالإضافة إلى ذلك، أشارت قياسات تردد نبض دوبلر إلى زيادة خطية مع السرعة الدورانية، بينما ظلت ثابتة عبر أطوال موجية مختلفة. وُجد أن متوسط هامش الخطأ لنظام AF-RDV أقل من 1.5%، دون وجود ارتباط كبير مع الطول الموجي العامل. تشير هذه النتائج إلى أن دقة قياس نظام AF-RDV قوية ضد التغيرات في عرض خط الليزر والانحراف الحراري، مما قد يقلل بشكل كبير من تكاليف الإعداد والصيانة.
المناقشة
تناقش البحث تطوير نظام قياس سرعة دوبلر الدوراني التكيفي (AF-RDV) الذي يستخدم موصل انتقائي للأوضاع (MSC) للكشف عن السرعة الزاوية من خلال تأثير دوبلر الدوراني (RDE). يتميز تأثير RDE بانزياح ترددي يتعرض له شعاع الدوامة عند تفاعله مع جسم دوار. يتم نمذجة ضوء الاستشعار كسلسلة فورييه في إحداثيات أسطوانية، مما يسمح بتحليل تعديل الطور الناتج عن سطح خشن دوار. يتم التعبير عن الضوء المبعثر كمزيج من أوضاع دوامية مختلفة، كل منها يظهر انزياح دوبلر مطابق بناءً على السرعة الزاوية. يستخدم النظام تصميمًا مدمجًا قائمًا على الألياف، يدمج ألياف أحادية الوضع (SMF) وألياف متعددة الأوضاع (MMF) لتسهيل تشكيل الأوضاع والتصفية، مما يعزز الكشف عن أوضاع معينة مع قمع الإشارات غير المرغوب فيها.
يظهر نظام AF-RDV خاصية التبادلية لتأثير RDE، حيث يظل انزياح دوبلر المستخرج ثابتًا بغض النظر عن تكوين الوضع المستخدم في الاستشعار أو الكشف. هذه الخاصية، جنبًا إلى جنب مع الطبيعة غير الملونة للنظام، تسمح بالكشف الفعال عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية. تم تصميم الإعداد التجريبي لقياسات دورانية عالية السرعة، مع تطبيقات محتملة في مجالات متنوعة، بما في ذلك الهندسة وعلوم الحياة. تعزز قدرة MSC على أداء وظائف تشكيل الأوضاع والتصفية أداء النظام، مما يجعله أداة واعدة لمراقبة الحركة الزاوية بدقة عالية وبتصميم مدمج. قد تشمل التحسينات المستقبلية تطوير نموذج أولي للتطبيقات العملية ودمج مكونات متقدمة لتعزيز قدرات القياس.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01747-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39962049
Publication Date: 2025-02-17
Author(s): Zhenyu Wan et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
In this section, the authors present the development of an all-fiber rotational Doppler velocimetry (AF-RDV) system, which utilizes a mode-sculpted fiber-optic element to detect the angular velocity of rotating objects. The AF-RDV operates in two reciprocal schemes by exchanging the illuminating and detected modes, demonstrating the mode-dependent nature of the rotational Doppler effect (RDE). Notably, the study reveals that the rotational Doppler shift can be detected through mode-filtering of the scattered signal, even when the probe light is not twisted.
Additionally, the authors highlight the achromatic property of the RDE, achieved by scanning the incident wavelength, which allows the AF-RDV to function over an ultra-broadband operational range. The system shows promising performance in detecting spinning rough surfaces, indicating its potential as a practical sensing instrument for monitoring angular motion in various applications within both research and industry.
Introduction
The introduction discusses the concept of optical vortices, which are characterized by helically phased light beams exhibiting phase singularities. These vortices, described mathematically by the expression $\exp(i\ell\theta)$, where $\ell$ is the topological charge, are known to carry orbital angular momentum (OAM) of $\ell\hbar$ per photon, a discovery that has spurred extensive research since 1992. OAM beams, identifiable by their helical wavefronts and doughnut-shaped intensity profiles, have found applications across various fields, including optical manipulation, communications, imaging, and quantum information. Recent studies have particularly focused on the rotational Doppler effect (RDE), which relates the frequency shift of light to rotational motion, leveraging the OAM spectrum for enhanced measurement capabilities.
The paper proposes an all-fiber rotational Doppler velocimetry (AF-RDV) system designed to measure the angular velocity of spinning surfaces. This system utilizes an ultra-broadband mode-selective coupler (MSC) to facilitate mode sculpting and filtering, allowing for the integration of both Gaussian and superposed OAM modes in the measurement process. The AF-RDV demonstrates a significant advancement over traditional RDVs by reducing complexity and cost through its compact design and single optical front head configuration. Experimental results confirm the achromatic property of the AF-RDV, highlighting its potential for practical applications in sensing and metrology, thereby enhancing the industrial relevance of RDE theory.
Methods
In this section, the authors investigate the reciprocal property of Rotational Doppler Effect (RDE) using a spinning rough surface made from embossed tinfoil. The experimental setup involves a laser tuned to a wavelength of 1550 nm and a series of optical components, including a photodetector (PD) and various fiber optics. The results indicate that when the illuminating and detected modes are exchanged, the received optical power experiences a loss of approximately 27 dB and 30 dB, respectively. The rotational speed of the motor is set to 20 revolutions per second (rps), and the intensity signals exhibit similar periodicity, with a Fourier frequency spectrum showing a peak at 40 Hz, corresponding to an angular velocity of \( \Omega = 40\pi \, \text{rad/s} \).
As the motor speed is varied from 10 to 90 rps, the beat frequencies measured in both configurations demonstrate a linear relationship with the angular velocity, confirming the reciprocity of the RDE. The sensitivity of the angular velocity sensing is linked to the topological charge of the orbital angular momentum (OAM), with a sensitivity of \( \frac{1}{\pi} \, \text{Hz/(rad/s)} \) for modes carrying ±1-order OAM. The measurement accuracy is estimated at 0.35% and 0.20% for different cases. Additionally, the presence of harmonic peaks in the Fourier spectra is attributed to misalignment of the probe light and the geometric characteristics of the rough surface, indicating that these peaks are not noise but rather idle signals resulting from the system’s mode distribution.
Results
The results demonstrate the achromatic performance of the Adaptive Frequency Rotational Doppler Velocity (AF-RDV) system across a broad wavelength range, specifically from 1500 to 1620 nm, using a tunable laser. The experimental setup involved modulating the laser in 10 nm intervals, with the probe light exhibiting superposed vortices. The intensity profiles of these vortices, as shown in the figures, indicate that the device maintains consistent beam characteristics across the tested wavelengths, confirming its favorable broadband performance.
Further analysis of the Fourier frequency spectra revealed that all spectra exhibited a maximum peak at 100 Hz, aligning with the expected relationship between peak frequency and angular velocity as described by the relevant equation. Additionally, measurements of the Doppler beat frequency indicated a linear increase with rotational speed, while remaining consistent across different wavelengths. The average error margin of the AF-RDV was found to be less than 1.5%, with no significant correlation to the operating wavelength. These findings suggest that the AF-RDV’s measurement accuracy is robust against variations in laser linewidth and temperature drift, potentially reducing setup and maintenance costs significantly.
Discussion
The research discusses the development of an Angular Frequency Rotational Doppler Velocity (AF-RDV) system that utilizes a mode-selective coupler (MSC) for detecting angular velocity through the Rotational Doppler Effect (RDE). The RDE is characterized by a frequency shift experienced by a vortex beam when interacting with a rotating object. The probe light is modeled as a Fourier series in cylindrical coordinates, allowing for the analysis of phase modulation induced by a rough, rotating surface. The scattered light is expressed as a combination of various vortex modes, each exhibiting a corresponding Doppler shift based on the angular velocity. The system employs a compact fiber-based design, integrating a single-mode fiber (SMF) and a multi-mode fiber (MMF) to facilitate mode sculpting and filtering, which enhances the detection of specific modes while suppressing unwanted signals.
The AF-RDV demonstrates a reciprocal property of the RDE, where the extracted Doppler shift remains consistent regardless of the mode configuration used for probing or detection. This characteristic, along with the achromatic nature of the system, allows for effective detection across a broad wavelength range. The experimental setup is designed for high-speed rotational measurements, with potential applications in various fields, including engineering and life sciences. The MSC’s ability to perform mode-sculpting and filtering functions enhances the system’s performance, making it a promising tool for monitoring angular motion with high precision and compactness. Future improvements may include the development of a prototype for practical applications and the integration of advanced components to enhance measurement capabilities.