多普勒效應(yīng)是一種經(jīng)典的物理現(xiàn)象，屬于波的基本特性之一。該效應(yīng)來源于波源與觀測者之間的相對運動，使得觀測者接收到的波的頻率相對于波源頻率具有一定偏移量。

　　無論是機械波，還是電磁波，通過測量其多普勒頻移，可以推算出觀測者相對于波源的運動速度。多普勒效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、交通測速、精密測量、激光制冷以及天文學(xué)與航空航天等領(lǐng)域。

　　光波屬于電磁波，相對于機械波，如聲波、水波等，具有超高速、大帶寬、方向性好且能在真空中傳播等優(yōu)點，因此開發(fā)光的多普勒效應(yīng)具有獨特的優(yōu)勢。

　　對于傳統(tǒng)的平面相位光束，不考慮相對論效應(yīng)，只有當(dāng)運動物體在光束傳播方向上有相對運動才能產(chǎn)生多普勒頻移，稱之為線性（或縱向）多普勒效應(yīng)。

　　最近二三十年，隨著科學(xué)家對光的基本屬性的進(jìn)一步認(rèn)知，光學(xué)研究已由簡單的平面光束向更復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)光束展開。

　　結(jié)構(gòu)光束的旋轉(zhuǎn)（或橫向）多普勒效應(yīng)也受到了越來越多的關(guān)注，這為光學(xué)多普勒測量提供了更多的可測量維度。

　　縱觀多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展應(yīng)用歷程，該效應(yīng)針對的只是波的標(biāo)量屬性，即由相位（或強度）的連續(xù)改變產(chǎn)生多普勒頻移。

　　對于本振頻率比較低的機械波，通常可以直接提取其多普勒頻移，從而測定目標(biāo)物體的運動速度與方向信息。對于光波（電磁波），由于其超高的本振頻率，提取多普勒頻移必須采取與參考光進(jìn)行干涉拍頻。

　　然而，干涉拍頻雖然能提取多普勒頻移量，但卻丟失了符號信息，即無法區(qū)分多普勒藍(lán)移與紅移。

　　因此，如果不采用額外的測量手段，如外差檢測或雙頻檢測，直接基于干涉測量提取多普勒頻移無法推斷出目標(biāo)運動物體的方向信息，這無疑導(dǎo)致了光學(xué)多普勒測量的應(yīng)用局限。

　　光波是一種橫波，除了振幅與相位自由度，還有偏振自由度。光的偏振描述的是電磁場在正交于傳播方向的平面上的諧振情況。

　　傳統(tǒng)的平面相位光束，其偏振取向在光束橫截面上是均勻分布的。對于一類特殊的結(jié)構(gòu)光場，其偏振取向在橫截面上呈空間周期性變化分布，稱之為矢量光。

　　針對這類矢量結(jié)構(gòu)光場，近期，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心多維光子學(xué)實驗室（MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory）王健教授團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，粒子在這類光場中運動能產(chǎn)生新的多普勒效應(yīng)，即矢量多普勒效應(yīng)。

　　區(qū)別于基于標(biāo)量光場的傳統(tǒng)多普勒效應(yīng)（多普勒信號表現(xiàn)為隨時間變化的一維強度信號），基于新的矢量結(jié)構(gòu)光場的矢量多普勒效應(yīng)，其多普勒信號表現(xiàn)為隨時間變化的二維偏振信號。

　　這類新的多普勒偏振信號，除了攜帶目標(biāo)運動物體的速度大小信息外，還同時攜帶了速度方向信息。具體表現(xiàn)為，不同的運動方向?qū)е露嗥绽掌裥盘柍尸F(xiàn)出不同的旋轉(zhuǎn)手性，如圖1和2所示。實驗或?qū)嶋H應(yīng)用中，利用兩個檢偏器分析兩路信號光的相對相位差，就能輕松分辨出多普勒偏振信號的旋轉(zhuǎn)手性，進(jìn)而直接測定目標(biāo)物體的運動速度大小與方向。

　　研究還發(fā)現(xiàn)，基于矢量結(jié)構(gòu)光的矢量多普勒效應(yīng)，不僅能直接測定粒子的運動矢量信息（速度大小與方向），還能潛在地追蹤粒子運動的瞬時相對位置與瞬時速度，并且測量無須參考光束干涉，有很強的抗環(huán)境干擾能力。

　　進(jìn)一步，針對各項異性的運動粒子，理論分析發(fā)現(xiàn)，即使粒子在旋轉(zhuǎn)的同時還處于自旋狀態(tài)，通過對多普勒偏振信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的斯托克斯參數(shù)分析，或簡單地利用兩個檢偏器分析，能同時測定粒子的旋轉(zhuǎn)速度矢量（大小與方向）和自旋速度矢量（大小與方向）。

　　該工作于2021年7月7日以Vectorial Doppler metrology為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心為論文第一單位，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心博士后方良與碩士生萬鎮(zhèn)宇為共同第一作者，華中科技大學(xué)名譽教授、南非金山大學(xué)Andrew Forbes教授為論文合作者，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心王健教授為論文唯一通訊作者。

　　該項工作是對傳統(tǒng)基于標(biāo)量光場多普勒效應(yīng)的一次突破，極大豐富了多普勒測量的內(nèi)涵，同時對于矢量結(jié)構(gòu)光場的基礎(chǔ)研究及拓展應(yīng)用研究具有重要科學(xué)意義。

　　Liang Fang, Zhenyu Wan, Andrew Forbes, Jian Wang*, “Vectorial Doppler metrology,” Nature Communications, 12, 4186 （2021）。

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-24406-z

　　圖1 矢量多普勒效應(yīng)概念示意圖

　　圖2 基于矢量結(jié)構(gòu)光場的矢量多普勒效應(yīng)測量粒子的運動矢量（速度大小和方向）。

　　（a）（c） 相反運動的粒子在矢量結(jié)構(gòu)光場（以HE31為代表）中與局部偏振光相互作用示意圖。（b）（d） 粒子采樣反射或散射的二維多普勒偏振信號因粒子運動方向不同表現(xiàn)出不同的手性。二維多普勒偏振信號同時攜帶粒子運動的速度大小與方向信息。