基于广义相对论的涡旋光旋转多普勒效应机理研究

作者:王刚;蔡远文;任元;杨跃德;刘通 刊名:光学与光电技术 上传者:陈静

【摘要】为了加深对涡旋光旋转多普勒效应的理解,利用广义相对论对涡旋光旋转多普勒效应进行了机理研究。首先利用坐标变换得到弯曲空间的度规张量,进而得到弯曲空间下电位移矢量和磁感应强度表达式;在此基础上,可推导出旋转系统中的麦克斯韦方程组;然后利用准经典近似条件得到涡旋光因所在参考系转动产生的角频率差;最后,基于上述结论并结合涡旋光的螺旋波阵面特性,得到涡旋光旋转多普勒效应公式。该公式与文献中通过其他方法得到的涡旋光旋转多普勒效应公式相同,证明了该方法的正确性。

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第 l6卷 第 1期 2018年 2月 光 学 与 光 电 技 术 OPTICS & OPT0ELECTRONIC TECHNOLOGY Vo1.16,No.1 February,2018 文章编号 :1672—3392(2018)01—0064—07 基于广义相对论的涡旋光旋转多普勒效应机理研究 王 刚 蔡远 文 任 元 杨跃德 刘 通 (1中国人民解放军装备学院航天装备系,北京 101416; 2中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室 ,北京 100083) 摘要 为了加深对涡旋光旋转多普勒效应的理解,利用广义相对论对涡旋光旋转多普勒效 应进行 了机理研究。首先利用坐标 变换得 到弯曲空间的度规 张量,进而得 到弯曲空间下电 位移矢量和磁 感应强度表达式;在此基 础上,可推 导出旋转 系统 中的麦克斯 韦方程组 ;然后 利用准经典近似条件得到涡旋光 因所在参考 系转动产生的角频率差;最后 ,基 于上述结论并 结合涡旋光的螺旋波阵面特性,得到涡旋光旋转多普勒效应公式。该公式与文献中通过其 他方法得到的涡旋光旋转多普勒效应公式相 同,证明了该方法的正确性。 关键词 物理光学;旋转多普勒效应;涡旋光;轨道角动量;广义相对论 中图分类号 0436 文献标识码 A 1 引 言 涡旋光是具 有螺旋型相位波前和相位奇 点 的光束 ,在传播过程中它 的波前会绕着传播方 向 螺旋前进 。涡旋光的相关研究可追溯到 1973年 科学家 Bryngdahl开展 的对具有螺旋 波前 的光 波及其 产生 方法研 究__】],1974年 Nye和 Berry 详细阐述了相位奇点的理论_2 ],1979年科学家 Vaughan和 Willets首先发现利用连续激光产生 螺旋波前 的方法[4],1983年 Zel’dovich和他 的 同事实 验 验 证 了光 学 奇 点 的存 在[5],1989年 Coullet.P在其文章中介绍 的光学涡旋引起了对 涡旋光产生方法的研究热潮[6 ],1990年 Yu,V Bazgenov等人发现的叉形光栅法使得涡旋光得 以更加简便地产生l8],1992年荷兰科学家 Allen 预测螺旋相位对应着轨道角动量 ,这一发现是涡 旋光 研 究 的重 要 转 折 点[9,lo],1995年 科 学 家 HeH通过观察粒子的旋转验证 了这一理论_1 。 收稿 日期 作 者简介 导 师简介 基 金项 目 涡旋光的相位中含有角相位因子,若绕涡旋中心 一 周 ,则其光场 的相位就改变 ,并且 螺旋 形相位 的中心为相位奇点[1 。涡旋光 中每个光子携带 大小为的 轨道角动量 引,其 中 h是约化普朗 克常数 ,z是任意整数 ,这是涡旋光区别于普通高 斯光的量子特性。 涡旋光旋转 多普 勒效应 由荷 兰科 学 家 G. Nienhuis于 1996年提出¨1 ,1998年英 国科 学家 J.Courtial进行 了实验验证[1 ,并给出了涡旋 光旋转多普勒效应公式。2013年英 国科学家 Martin P.J.Lavery在《Science))上发表 了利用 涡旋光测量旋转粗糙平面角速率的方法 。 目前对涡旋光旋转 多普 勒效应 中频移 的物 理机理解 释方法主要有 :荷兰科学 家 G.Nien— huis于 1996年提出的能量转换法ll ,2002年乌 克兰科 学家 I.V.Basistiy提 出的坐 标 系转换 法l1 ,英 国科学家 Miles Padgett于 2014年提出 的激光多普 勒效应类 比法[1 ,华 中科技 大学周 海龙和西

参考文献

引证文献

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