基于四光点光强解调的轨道角动量干涉仪动态测量新方法

为解决轨道角动量干涉仪(OAMI)因传统干涉图解调方法受限于CCD采集速度(＜100 Hz)和复杂算法导致的动态测量瓶颈，研究人员创新性提出四光点光强(FSLI)解调方案。通过1-to-7扇形光纤束精准采集花瓣状干涉图中固定方位角的光强信号，结合随机四步移相算法实现相位快速解调，成功重构线性/周期性运动。该方法将解调速度提升至kHz级，为OAMI在精密制造在线监测等高速测量领域开辟新途径。

　　

在精密测量领域，轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)光束因其独特的螺旋相位波前，为干涉测量带来了突破性进展。传统基于电荷耦合器件(CCD)的干涉图分析方法虽能实现纳米级精度，但受限于相机的低采样率(通常＜100 Hz)和8-bit量化精度，难以捕捉快速动态过程。更棘手的是，处理二维干涉图所需的复杂算法进一步拖累系统响应速度，这使得OAM干涉仪(OAMI)在机械健康监测等需要实时反馈的场景中难以施展拳脚。

针对这一技术困局，中国某高校的研究团队独辟蹊径，将目光投向干涉图中的关键方位角信息。研究人员发现，花瓣状干涉图的旋转本质上承载着相位变化信息，而传统方法却"大材小用"地采集整个二维图像。就像通过钟表指针判断时间无需观察整个表盘，团队提出仅需提取干涉图中四个战略位点的光强信号，即可解码相位信息。这项发表于《Optics and Lasers in Engineering》的研究，通过创新的四光点光强(FSLI)解调方法，将OAMI的解调速度推向了新高度。

研究团队采用三大关键技术：首先设计1-to-7扇形光纤束，其外围六根光纤以60°间隔排布，精准捕捉干涉图中四个关键方位角(0°、90°、180°、270°)的光强信号；其次用光电探测器(PD)阵列替代CCD，将信号采集速率提升至kHz级；最后开发随机四步方位角移相算法，仅需单帧数据即可解算相位。这种"硬件简化+算法革新"的组合拳，完美规避了传统方法的瓶颈。

在原理验证部分，研究阐明了共轭OAM光束(OAM_+l和OAM_-l)干涉的数学本质：干涉光强分布I(r,θ)=2|A_l(r)|²[1+cos(2lθ-Δφ)]，其中2lθ项揭示了花瓣数与拓扑电荷(TC)的定量关系。实验环节，团队搭建了迈克尔逊OAMI，用空间光调制器(SLM)生成TC=±3的OAM光束。当测量臂引入位移或振动时，FSLI信号呈现规律性变化，通过新算法成功重构出5nm精度的线性位移和10Hz量级的振动信号。

结论部分指出，该方法突破性地实现了三个"首次"：首次将PD阵列应用于OAMI信号采集，首次实现方位角域随机四步移相，首次在kHz采样率下完成相位解调。相比传统方法，FSLI方案将数据处理量降低2个数量级，同时保持亚纳米级精度。这项研究不仅为OAMI动态测量树立新标杆，其"以点代面"的核心思想更为其他光学测量技术提供了普适性启示。正如作者Hua Zhao教授强调的，该技术有望在半导体制造、航空航天等需要实时超精密监测的领域引发连锁创新。