专利名称：用于四波混频实验的自稳分光技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于四波混频实验中的自稳分光技术。
背景技术：
简并四波混频(degenerate four-wave mixing, DF丽)光谱技术与其他光 谱技术(如LIF、 CARS)相比，具有高灵敏度，高分辨率，高信噪比等优点，被广 泛用于痕量原子、分子以及自由基的测量。同时，由于DFWM光谱技术具有很好 的抗背景干扰能力，DF西还被用于燃烧火焰中痕量元素的探测以及燃烧温度的 测量。自1986年Ewart等人首次采用DF丽光谱技术探测了大气压下的甲烷一 空气燃烧火焰中OH基的弱吸收以来，DFWM光谱技术在实验室研究方面取得了很 大的进展。Farrow等人采用该技术，获得了 H2-02-&燃烧火焰中NO f IT —X2n 谱带的DFWM光谱，信噪比高达2000，灵敏度 400ppm; Meijer等人利用前向 布局的DFWM技术，获得了 C0"3n,v' = 2—X'S+,v、0谱带的跃迁，以及H2的双光 子跃迁；Nyholm利用前向DF丽技术实现了对燃烧火焰中OH的二维成像。Grant AJ等人尝试采用前向DFWM技术测量发动机打火过程中的产物NO。
三束相同频率的激光Et、 E2、 E3沿一端面为正方形的长方体的三个对角线以 一很小的角度传播并重叠于非线性介质中，根据相位匹配原理，产生的DF丽信 号将沿长方体剩下的一条对角线传播。为了保持输出DFWM信号稳定，关键是使 Ei、E2和E3能够稳定的重叠与一点，这就要求三束激光之间保持稳定的相对关系， 这三束光一般由同一光源分束得到。
光束2和3由光束1经分束镜BS和全反镜M来获得，假设开始光束2与光 束3平行，经透镜会聚可交于一点。采用传统的分光技术图2 ，当光束l有一 个微小漂移S ，光束3沿同一方向漂移S ，但由于分束镜的两个光学面并非严 格平行，而是有很小的楔角，所以光束2的漂移3'-^由此可见，由于光束l 漂移后，光束2与光束3将不再平行，经透镜会聚后也不会很好的重合，这样 很就难得到稳定的DFWM信号光。
DFWM光谱技术要真正走向实用化，必须解决光路的稳定性问题。 一般情
况下，由工作环境的变化(特别是温度的变化)会造成激光光束在空间传播方向
上存在微小漂移，而DFWM要求泵浦的三束激光严格重叠与一点，重叠区截面大 约百微米量级；如果入射的三束泵浦激光之间有微小漂移，都将导致输出DF丽 信号的不稳定甚至消失。可见，如果不解决光路的稳定性问题，DFWM光谱技术 就难以获得实际的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种得到稳定的DFWM信号光的用于四波混频实验 中的自稳分光技术。
上述的目的通过以下的技术方案实现
用于四波混频实验中的自稳分光技术，其组成包括两个全反镜、两个特 制的分束镜，所述的分束镜BSi和全反镜i^平行放置并与由染料激光器输出的 激光光束方向成45度角，激光光束V经过分束镜BS,分束后，经全反射镜M-分束镜BS2-全反射镜Mr分束镜BS2-全反镜M2从而形成四束光传播方向相同且又 相互平行、在空间上垂直、传播方向形成一个长方形，通过调整两个全反镜(M) 和两个特制的分束镜(BS)之间的距离，形成正方形，经过聚焦透镜fi聚焦后， 四束光的光斑重叠在一起。
所述的用于四波混频实验中的自稳分光技术，所述的经全反射镜M「分束镜 BS广全反射镜M,-分束镜BS2-全反镜M2包括 一束光透过分束镜BS,生成光束I ， 光束I沿着光束V方向共线传播，光束V经过分束镜BS,反射的光束又经过全反 镜M!生成光束II，光束II与光束I平行且传播方向相同，光束I通过分束镜BSz
的下半部分反射的光束又经过全反镜m2生成光束m，光束m通过分束镜BS2的 上半部分，光束m与光束i方向相同，平行传播但是不共线，光束n经过分束
镜BS2的下半部分反射的光束又经过全反镜M2生成光束IV，光束IV通过分束镜
BS2的上半部分，光束iv与光束m方向相同，平行传播但是不共线。
所述的用于四波混频实验中的自稳分光技术，所述的分束镜下半部分镀半 反半透膜，起分束作用，上半部分镀增透膜，起补偿作用.
这个技术方案有以下有益效果
l.本发明很好的抑制了泵浦激光漂移带来的影响，获得了稳定的DFWM信号。
我们基于这种自稳分光装置建立了一套稳定的四波混频光谱技术装置，这样的 装置在光谱分析、痕量元素检测以及大气测污方面有着广阔应用前景。
2. 为了验证此发明的实用性和有效性，采用加碘的酒精溶剂作为DFWM介质 做DFWM实验。由于532nm并非碘的严格共振波长，为了得到有效的共振增强， 将碘放入酒精溶剂中，可以利用酒精分子的碰撞作用，使得碘分子的谱线展宽， 这样，DF丽信号才能有效增强。采用碘的酒精溶液，并不影响我们考察自稳分 光技术的有效性。
3. 本发明分束镜两个光学平面具有楔角，当光束2也通过一次BS，通过BS 前光束3与光束1有相同的漂移5，那么，经过相同的BS后，光束2与光束1 也将有相同的漂移5',由于光束1与光束2有相同的漂移，漂移前后，两束光 相对角度保持不变，经透镜会聚后仍能够交于一点。
(1) 光场分布的测量
为了验证自稳分光技术的有效性，我们用CCD相机对DF麵信号光以及泵浦 光的光场分布进行了测量，如附图3、附图4、如附图5、附图6所示，在低泵 浦能量和高泵浦能量两种情况下，DFWM信号光斑质量都比较好。
用CCD实时连续采集DFWM信号光斑，直接从监视器上观察DFWM信号光斑， 发现信号光斑位置有所漂移，这是由于泵浦光的漂移引起的；但信号光斑形状 基本稳定(如附图7),而在我们之前进行后向DFWM实验中，受泵浦光漂移的影 响，会出现(如附图8)所示的DFWM信号光斑，对比附图7和附图8，说明我 们的自稳光路很好的抑制了泵浦光漂移带来的影响。
(2) DFWM信号能量随泵浦能量关系
实验中，我们测量了 DFWM信号光能量随泵浦光能量的变化关系，测量结 果(如附图9)所示，其中横轴为泵浦激光能量(未分束前)，纵轴为DFWM信号 光能量。从附图9中可以看出，随着泵浦光能量的增加，DFWM信号光能量几乎 线性增加，这说明泵浦光能量还没有达到饱和。
实验通过对DFWM信号光与泵浦光光场分布的测量观察了自稳分光技术的有 效性；同时，还测量了共振介质溶液中前向DF丽信号能量与泵浦光能量关系。
附图1是补偿分光技术实验示意图。
附图2是实验用光路图。
附图3是低泵浦能量时DFWM信号的光斑。
附图4是低泵浦能量时泵浦光光斑。
附图5是高泵浦能量时DFWM信号的光斑。
附图6是高泵浦能量时泵浦光光斑。
附图7是采用自稳分光技术得到的四个DFWM信号的光斑。 附图8是未采用自稳分光技术得到的四个DFWM信号的光斑。 附图9是DFWM信号光能量随泵浦光能量关系。 本发明的
具体实施例方式
实施例l:
用于四波混频实验中的自稳分光技术，其组成包括两个全反镜、两个特
制的分束镜，所述的分束镜BS, 1和全反镜M, 2平行放置并与由染料激光器3 输出的激光光束方向成45度角，激光光束V经过分束镜BS」分束后，经全反 射镜Mi 2-分束镜BS2 3-全反射镜Mr分束镜BS2-全反镜M2 4从而形成四束光传 播方向相同且又相互平行、在空间上垂直、传播方向形成一个长方形，通过调 整两个全反镜(M)和两个特制的分束镜(BS)之间的距离，形成正方形，经过 聚焦透镜fi5聚焦后，四束光的光斑重叠在一起。
所述的用于四波混频实验中的自稳分光技术，所述的经全反射镜M广分束镜 BS厂全反射镜M广分束镜BS厂全反镜M2包括 一束光透过分束镜BS,生成光束I ， 光束I沿着光束V方向共线传播，光束V经过分束镜BS,反射的光束又经过全反 镜Mt生成光束II，光束II与光束I平行且传播方向相同，光束I通过分束镜BS2
的下半部分反射的光束又经过全反镜m2生成光束m,光束m通过分束镜BS2的 上半部分，光束m与光束i方向相同，平行传播但是不共线，光束n经过分束
镜BS2的下半部分反射的光束又经过全反镜M2生成光束IV,光束IV通过分束镜
bs2的上半部分，光束iv与光束m方向相同，平行传播但是不共线。
所述的用于四波混频实验中的自稳分光技术，所述的分束镜下半部分镀半 反半透膜，起分束作用，上半部分镀增透膜，起补偿作用.
所述的分束镜两个光学平面具有楔角，当光束II也通过一次BS,通过BS
前光束m与光束i有相同的漂移^，那么，经过相同的Bs后，光束n与光束i 也将有相同的漂移^，由于光束i与光束n有相同的漂移，漂移前后，两束光 相对角度保持不变，经透镜会聚后仍能够交于一点，故分束镜两个光学平面具 有楔角并不影响。
权利要求
1. 一种用于四波混频实验中的自稳分光技术，其组成包括两个全反镜、两个特制的分束镜，其特征是所述的分束镜BS1和全反镜M1平行放置并与由染料激光器输出的激光光束方向成45度角，激光光束V经过分束镜BS1分束后，经全反射镜M1-分束镜BS2-全反射镜M1-分束镜BS2-全反镜M2从而形成四束光传播方向相同且又相互平行、在空间上垂直、传播方向形成一个长方形，通过调整两个全反镜(M)和两个特制的分束镜(BS)之间的距离，形成正方形，经过聚焦透镜f1聚焦后，四束光的光斑重叠在一起。
2. 根据权利要求l所述的用于四波混频实验中的自稳分光技术，其特征是: 所述的经全反射镜Mr分束镜BS2-全反射镜M厂分束镜BS厂全反镜M2包括 一束 光透过分束镜BS,生成光束I ，光束I沿着光束V方向共线传播，光束V经过分 束镜B&反射的光束又经过全反镜Mi生成光束II ，光束II与光束I平行且传播 方向相同，光束I通过分束镜BS2的下半部分反射的光束又经过全反镜M2生成光束m，光束m通过分束镜BS2的上半部分，光束m与光束i方向相同，平行传 播但是不共线，光束n经过分束镜bs2的下半部分反射的光束又经过全反镜m2 生成光束iv，光束iv通过分束镜BS2的上半部分，光束iv与光束ni方向相同，平 行传播但是不共线。
3. 根据权利要求1或2所述的用于四波混频实验中的自稳分光技术，其特征是所述的分束镜下半部分镀半反半透膜，起分束作用，上半部分镀增透膜，起补偿作用.
全文摘要
用于四波混频实验中的自稳分光技术，DFWM光谱技术要真正走向实用化，必须解决光路的稳定性问题。本发明组成包括两个全反镜、两个特制的分束镜，分束镜BS<sub>1</sub>(1)和全反镜M<sub>1</sub>(2)平行放置并与由染料激光器(3)输出的激光光束方向成45度角，激光光束V经过分束镜BS<sub>1</sub>(1)分束后，经全反射镜M<sub>1</sub>(2)-分束镜BS<sub>2</sub>(3)-全反射镜M<sub>1</sub>-分束镜BS<sub>2</sub>-全反镜M<sub>2</sub>(4)从而形成四束光传播方向相同且又相互平行、在空间上垂直、传播方向形成一个长方形，通过调整两个全反镜(M)和两个特制的分束镜(BS)之间的距离，形成正方形，经过聚焦透镜f<sub>1</sub>(5)聚焦后，四束光的光斑重叠在一起。本发明应用于光学领域。
文档编号G02B1/10GK101393373SQ20071014434
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月21日 优先权日2007年9月21日
发明者樊荣伟, 王维波, 陈德红 申请人:哈尔滨工业大学