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(lái)源于波源與觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得觀測(cè)者接收到的波的頻率相對(duì)于波源頻率具有一定偏移量。

　　無(wú)論是機(jī)械波，還是電磁波，通過(guò)測(cè)量其多普勒頻移，可以推算出觀測(cè)者相對(duì)于波源的運(yùn)動(dòng)速度。多普勒效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、交通測(cè)速、精密測(cè)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(duì)于機(jī)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(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)光的多普勒效應(yīng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)于傳統(tǒng)的平面相位光束，不考慮相對(duì)論效應(yīng)，只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體在光束傳播方向上有相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)光的基本屬性的進(jìn)一步認(rèn)知，光學(xué)研究已由簡(jiǎn)單的平面光束向更復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)光束展開(kāi)。

　　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(lái)越多的關(guān)注，這為光學(xué)多普勒測(cè)量提供了更多的可測(cè)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(duì)的只是波的標(biāo)量屬性，即由相位（或強(qiáng)度）的連續(xù)改變產(chǎn)生多普勒頻移。

　　對(duì)于本振頻率比較低的機(jī)械波，通?？梢灾苯犹崛∑涠嗥绽疹l移，從而測(cè)定目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度與方向信息。對(duì)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(hào)信息，即無(wú)法區(qū)分多普勒藍(lán)移與紅移。

　　因此，如果不采用額外的測(cè)量手段，如外差檢測(cè)或雙頻檢測(cè)，直接基于干涉測(cè)量提取多普勒頻移無(wú)法推斷出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體的方向信息，這無(wú)疑導(dǎo)致了光學(xué)多普勒測(cè)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(chǎng)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(duì)于一類特殊的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，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(duì)這類矢量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，近期，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心多維光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory）王健教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，粒子在這類光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的傳統(tǒng)多普勒效應(yīng)（多普勒信號(hào)表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的一維強(qiáng)度信號(hào)），基于新的矢量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的矢量多普勒效應(yīng)，其多普勒信號(hào)表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的二維偏振信號(hào)。

　　這類新的多普勒偏振信號(hào)，除了攜帶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體的速度大小信息外，還同時(shí)攜帶了速度方向信息。具體表現(xiàn)為，不同的運(yùn)動(dòng)方向?qū)е露嗥绽掌裥盘?hào)呈現(xiàn)出不同的旋轉(zhuǎn)手性，如圖1和2所示。實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用中，利用兩個(gè)檢偏器分析兩路信號(hào)光的相對(duì)相位差，就能輕松分辨出多普勒偏振信號(hào)的旋轉(zhuǎn)手性，進(jìn)而直接測(cè)定目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)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(cè)定粒子的運(yùn)動(dòng)矢量信息（速度大小與方向），還能潛在地追蹤粒子運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)相對(duì)位置與瞬時(shí)速度，并且測(cè)量無(wú)須參考光束干涉，有很強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。

　　進(jìn)一步，針對(duì)各項(xiàng)異性的運(yùn)動(dòng)粒子，理論分析發(fā)現(xiàn)，即使粒子在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還處于自旋狀態(tài)，通過(guò)對(duì)多普勒偏振信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的斯托克斯參數(shù)分析，或簡(jiǎn)單地利用兩個(gè)檢偏器分析，能同時(shí)測(cè)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(guó)家研究中心為論文第一單位，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心博士后方良與碩士生萬(wàn)鎮(zhèn)宇為共同第一作者，華中科技大學(xué)名譽(yù)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(guó)家研究中心王健教授為論文唯一通訊作者。

　　該項(xiàng)工作是對(duì)傳統(tǒng)基于標(biāo)量光場(chǎng)多普勒效應(yīng)的一次突破，極大豐富了多普勒測(cè)量的內(nèi)涵，同時(shí)對(duì)于矢量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)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(chǎng)的矢量多普勒效應(yīng)測(cè)量粒子的運(yùn)動(dòng)矢量（速度大小和方向）。

　?。╝）（c） 相反運(yùn)動(dòng)的粒子在矢量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)（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(hào)因粒子運(yùn)動(dòng)方向不同表現(xiàn)出不同的手性。二維多普勒偏振信號(hào)同時(shí)攜帶粒子運(yùn)動(dòng)的速度大小與方向信息。