单双DFWM信号产生装置及其光谱产生方法与流程

单双dfwm信号产生装置及其光谱产生方法
技术领域
1.本发明属于非线性光学应用技术领域，具体涉及一种单组dfwm信号产生装置、双组dfwm信号共存产生装置，以及其光谱产生装置与方法。


背景技术：

2.四波混频是一种重要的三阶非线性过程，三束入射光同时与样品相互作用，在满足相位匹配的条件下，产生第四束光，称为四波混频(fwm)信号，若三束入射光频率相等则称为简并四波混频(dfwm)。dfwm是一种高灵敏度、高分辨率、高信噪比的光谱技术。现有技术中传统的dfwm装置的三束光相互独立，装置复杂，难以控制，且易受外界干扰。而且现有技术中的dfwm装置只能产生单组dfwm信号，无法产生共存的双组dfwm信号。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于矢量光场的dfwm信号产生装置，包括单组dfwm信号产生装置和双组dfwm信号产生装置。本发明利用柱矢量光通过偏振片的消光特性得到多束平行且对称分布的同相位线偏振光，然后经聚焦透镜会聚在样品中产生简并四波混频信号（dfwm），具有较强的通用性，且装置结构简单、便于控制、设计合理、成本低易于推广，实用性较强。
4.本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种dfwm信号产生装置，包括：激光器1、第一线偏振片9、矢量光产生装置2、第二线偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6、原子分子蒸汽吸收室7和第二空间光滤光片8，所述激光器1、第一线偏振片9、矢量光产生装置2、第二线偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6、原子分子蒸汽吸收室7和第二空间光滤光片8依次设置于同一光路上，所述激光器输出的激光束经第一线偏振片9转化为线偏振入射光，所述线偏振入射光经过所述矢量光产生装置2后生成偏振态在光束横截面呈特定规律分布的矢量光场，所述矢量光场经过所述第二线偏振片3后生成四束平行分布的同频同相位线偏振光，所述同频同相位线偏振光经所述扩束镜4扩束后入射到所述第一空间光滤光片5，通过所述第一空间光滤光片5滤除其中一束光后，剩余三束同频同相位线偏振光经聚焦透镜6聚焦于所述原子分子蒸汽吸收室7，并在原子分子蒸汽吸收室7内基于三阶非线性效应产生dfwm信号。
5.进一步的根据本发明所述的dfwm信号产生装置，其中所述激光器输出的激光束为高斯光束，激光波长处于所述原子分子蒸汽吸收室的共振吸收波长处，所述矢量光产生装置2由多个半波片拼接而成，各个半波片的快轴方向按照特定规律有序排列，线偏振的激光束通过所述矢量光产生装置2时，经过每个半波片的对应光束部分的偏振方向基于该半波片的快轴方向发生对应角度的偏转，从而激光束通过所述矢量光产生装置2后，不同光束部分的偏振方向对应于不同半波片的快轴方向而发生不同角度的偏转，最终生成偏振态在光束横截面呈特定规律分布的矢量光场，所述特定规律对应于矢量光产生装置2中各半波片的快轴方向的特定排列规律。
6.进一步的根据本发明所述的dfwm信号产生装置，其中所述矢量光产生装置2为柱矢量光产生装置，柱矢量光产生装置为由多个半波片拼接而成的涡旋波片，各半波片的快轴方向按照绕圆周一周偏转mπ角度的规律均匀排列，每个半波片基于其快轴方向使入射激光束的偏振方向发生二倍于快轴方向偏转角度的偏转；所述激光器输出的经线偏振处理的激光束经过所述柱矢量光产生装置后生成偏振态在光束横截面呈轴对称或旋转对称分布的柱矢量光场，所述柱矢量光场偏振方向绕圆周一周的偏转角度为2mπ，其中m表示拓扑荷数，且m=2。
7.进一步的根据本发明所述的dfwm信号产生装置，其中所述第一空间光滤光片5在其特定位置具有滤光功能，并滤除特定位置的一束光，所述第二空间光滤光片的滤光位置与第一空间光滤光片的滤光位置互补；所述激光器是连续可调谐的环形钛宝石激光器，所述激光器输出的经线偏振处理的激光束经所述矢量光产生装置后生成偏振态在光束横截面呈轴对称分布的矢量光场，所述原子分子蒸汽吸收室7为含有铷蒸气的原子分子蒸汽吸收室。
8.一种两组dfwm信号共存产生装置，包括：激光器1、第一线偏振片9、矢量光产生装置2、第二线偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6、原子分子蒸汽吸收室7和第二空间光滤光片8，所述激光器1、第一线偏振片9、矢量光产生装置2、第二线偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6、原子分子蒸汽吸收室7和第二空间光滤光片8依次设置于同一光路上，所述激光器输出的激光束经第一线偏振片9转化为线偏振入射光，所述线偏振入射光经过所述矢量光产生装置2后生成偏振态在光束横截面呈特定规律分布的矢量光场，所述矢量光场经过所述第二线偏振片3后生成八束平行分布的同频同相位线偏振光，所述八束平行分布的同频同相位线偏振光经所述扩束镜4扩束后入射到所述第一空间光滤光片5，通过所述第一空间光滤光片5滤除其中两束同频同相位线偏振光后，剩余六束同频同相位线偏振光分为两组并经聚焦透镜6聚焦于所述原子分子蒸汽吸收室7，在所述原子分子蒸汽吸收室7内基于两次三阶非线性效应产生共存的两组简并四波混频信号。
9.进一步的根据本发明所述的两组dfwm信号共存产生装置，其中所述激光器输出的激光束为高斯光束，激光波长处于所述原子分子蒸汽吸收室的共振吸收波长处，所述矢量光产生装置2由多个半波片拼接而成，各个半波片的快轴方向按照特定规律有序排列，所述激光束通过所述矢量光产生装置2时，经过每个半波片的对应光束部分的偏振方向基于该半波片的快轴方向发生对应角度的偏转，从而激光束通过所述矢量光产生装置2后，不同光束部分的偏振方向对应于不同半波片的快轴方向而发生不同角度的偏转，最终生成偏振态在光束横截面呈特定规律分布的矢量光场，所述特定规律对应于矢量光产生装置2中各半波片的快轴方向的特定排列规律。
10.进一步的根据本发明所述的两组dfwm信号共存产生装置，其中所述矢量光产生装置2为柱矢量光产生装置，所述柱矢量光产生装置为由多个半波片拼接而成的涡旋波片，各半波片的快轴方向按照绕圆周一周偏转mπ角度的规律均匀排列，每个半波片基于其快轴方向使入射激光束的偏振方向发生二倍于快轴方向偏转角度的偏转；所述激光器输出的激光束经过所述柱矢量光产生装置后生成偏振态在光束横截面呈轴对称或旋转对称分布的柱矢量光场，所述柱矢量光场偏振方向绕圆周一周的偏转角度为2mπ，其中m表示拓扑荷数， 且m=4。
11.进一步的根据本发明所述的两组dfwm信号共存产生装置，其中所述第一空间光滤光片5在两个特定位置具有滤光功能，滤除该两个特定位置的两束同频同相位线偏振光后，剩余的六束同频同相位线偏振光在光束横截面上相对于该两个特定位置的连线形成对称分布的两组三束同频同相位线偏振光，第一组的三束同频同相位线偏振光在所述原子分子蒸汽吸收室7内基于三阶非线性效应产生第一简并四波混频信号10，第二组的三束同频同相位线偏振光在所述原子分子蒸汽吸收室7内基于三阶非线性效应产生第二简并四波混频信号11，所述第二空间光滤光片的滤光位置与第一空间光滤光片的滤光位置互补，即第二空间光滤光片对第一空间光滤光片5的所述两个特定位置之外的其他位置具有滤光功能，生成的第一简并四波混频信号10和第二简并四波混频信号11经第二空间光滤光片输出，且输出位置对应于第一空间光滤光片5的所述两个特定位置。
12.一种dfwm信号光谱产生方法，所述dfwm信号光谱产生方法基于dfwm信号光谱产生装置实现，所述dfwm信号光谱产生装置包括：本发明所述的dfwm信号产生装置、光电探测器12和示波器13，所述光电探测器12设置于dfwm信号产生装置中的第二空间光滤光片8的正后方，所述示波器13连接于所述光电探测器12；所述dfwm信号光谱产生方法包括以下步骤：步骤一、通过所述dfwm信号产生装置产生dfwm信号；步骤二、通过所述光电探测器实时检测所述dfwm信号；步骤三、调整dfwm信号产生装置中激光器输出激光束的波长，通过示波器记录dfwm信号的强度变化，得到dfwm信号光谱。
13.一种两组dfwm信号共存光谱产生方法，所述两组dfwm信号共存光谱产生方法基于两组dfwm信号共存光谱产生装置实现，所述两组dfwm信号共存光谱产生装置包括：本发明所述的两组dfwm信号共存产生装置、光电探测器12和示波器13，所述光电探测器12设置于两组dfwm信号共存产生装置中的第二空间光滤光片8的正后方，所述示波器13连接于所述光电探测器12；所述两组dfwm信号共存光谱产生方法包括以下步骤：步骤一、通过所述两组dfwm信号共存产生装置产生两组共存的dfwm信号；步骤二、通过所述光电探测器实时检测所产生的两组共存的dfwm信号；步骤三、调整两组dfwm信号共存产生装置中激光器输出激光束的波长，通过示波器记录两组共存的dfwm信号的强度变化，得到两组dfwm信号共存光谱。
14.本发明与现有技术相比具有以下优点：1）、本发明首次基于矢量光的偏振分布特性，创新地利用矢量光通过偏振片的消光特性得到四束平行且对称分布的同频同相位线偏振光，经聚焦透镜会聚在样品中产生简并四波混频信号，由于入射的多束光来自于同一束柱矢量光，其相对位置是固定的，结合透镜聚焦后本身就满足相位匹配条件，只要矢量光本身偏振分布不受影响，产生的信号质量就是稳定的，具有较强的稳定性，这是现有技术中完全没有的一种全新的四波混频信号产生技术。
15.2）、本发明通过改变柱矢量光的拓扑荷数可以实现两组简并四波混频信号共存的过程，且通过创新的设置第一空间光滤光片和第二空间光滤光片的滤光位置，使得六束平行且对称分布的同频同相位线偏振光分为位置上相对独立的两组并通过两次三阶非线性效应产生两组能够共存的dfwm信号，属于现有技术中完全没有的dfwm信号共生产生技术。
16.3）、本发明的装置结构简单，操作方便，设计合理，成本低易于推广，实用性较强。
附图说明
17.图1为拓扑荷数m=1的涡旋波片中各半波片的快轴方向分布示意图；图2为拓扑荷数分别为m=2、m=3和m=4的柱矢量光偏振方向绕空心圆环一周的偏转角度分布以及通过线偏振片后分裂出的光束数量分布图；图3为本发明所述dfwm信号产生装置的结构示意图；图4为本发明所述dfwm信号产生装置产生dfwm信号过程的光束截面示意图；图5为基于两组dfwm信号共存产生装置产生的八束平行分布的同频同相位线偏振光的光束截面图；图6为图5所示八束平行分布的同频同相位线偏振光被第一空间光滤光片过滤两束光后剩余六束平行分布的同频同相位线偏振光的光束截面图；图7为图6所示剩余六束平行分布的同频同相位线偏振光基于两次三阶非线性效应产生共存的两组简并四波混频信号的光束截面图。
18.图中各附图标记说明:1—激光器；2—矢量光产生装置；3—第二线偏振片；4—扩束镜；5—第一空间光滤光片；6—聚焦透镜；7—原子分子蒸汽吸收室；8—第二空间光滤光片；9—第一线偏振片；10-第一dfwm信号；11-第二dfwm信号；12—光电探测器；13—示波器。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
20.首先对本发明中涉及的专业技术术语做相关解释说明。
21.矢量光是指：光束横截面上偏振态分布不均匀的光场，矢量光的产生方法有很多种，比较简单的一种方法是：由线偏振光通过涡旋波片产生。涡旋波片由多个半波片拼接而成，各个半波片的快轴方向有序排列，作为矢量光产生装置，使线偏振光的横截面不同位置偏振方向发生不同角度的偏转。如图1为拓扑荷数m=1的涡旋波片，其中箭头方向代表每个扇形半波片的快轴方向，线偏振光从涡旋波片中心通过，横截面每一部分光束通过的半波片的快轴方向不同，进而每一部分线偏振光的偏振方向在横截面内发生不同角度的偏转（2倍于半波片快轴偏转角度），最终线偏振光通过矢量光产生装置后其偏振态在光束横截面呈现出特定规律分布。
22.柱矢量光是指：一种偏振态在光束横截面呈轴对称或旋转对称分布的特殊光场，根据偏振矢量分布的不同主要可以分为径向偏振光、角向偏振光和混合态偏振光。柱矢量光在通过偏振片时可以有选择的改变光斑形状，进一步可以将一束光分为多束平行光。拓扑荷数用来表示柱矢量光中偏振方向绕圆周一周的偏转角度，该偏转角度表示为2mπ，如果拓扑荷数m=2，则柱矢量光的偏振方向绕空心圆环一周共偏转4π角度，柱矢量光通过后方的线偏振片后可分裂的光束数量为2m，附图2给出了拓扑荷数m=2、m=3和m=4的柱矢量光的偏振方向绕空心圆环一周的偏转角度分布以及通过后方线偏振片后分裂出的光束数量分布图。
23.四波混频是三阶非线性效应，三束入射光同时与样品相互作用，在满足相位匹配的条件下，产生第四束光，称为四波混频信号；如果入射光频率相等，则称为简并四波混频。
在样品原子共振波长处，信号显著增强。同时入射光偏振方向相同时，信号是最强的，所以本发明装置产生信号的效率比较高。
24.下面结合附图3详细说明本发明所述的单组dfwm信号产生装置。如附图3所示，本发明所述的四波混频信号产生装置包括：激光器1、第一线偏振片9、矢量光产生装置2、第二线偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6、原子分子蒸汽吸收室7和第二空间光滤光片8；其中所述激光器1、第一线偏振片9、矢量光产生装置2、第二线偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6、原子分子蒸汽吸收室7和第二空间光滤光片8依次设置于同一光路上。
25.所述激光器产生的高斯光束，进一步优选的所述激光器是连续可调谐的环形钛宝石激光器；所述激光器产生的激光束的波长处于原子分子蒸汽吸收室的吸收波长处。
26.所述第一线偏振片9能够将激光器1产生的激光束转换为线偏振光，并入射到矢量光产生装置2。
27.所述矢量光产生装置2能够使入射线偏振光在其横截面不同位置的偏振方向发生不同角度的偏转，形成偏振方向绕圆周一周旋转2mπ角度的矢量光场。优选的所述矢量光产生装置为柱矢量光产生装置，具有涡旋波片结构，由多个半波片拼接而成，各个半波片的快轴方向有序排列；进一步优选的柱矢量光产生装置的拓扑荷数m=2。
28.所述第二线偏振片3能够将矢量光产生装置2产生的矢量光场分为2m束相互平行的同相位同偏振光束。
29.所述扩束镜4能够将2m束相互平行的同相位同偏振光束按照预定扩束比例扩束投射到第一空间光滤光片上。
30.所述第一空间光滤光片6根据位置关系进行滤光，类似光阑，滤除特定位置的一束或多束线偏振光。其中在单组dfwm信号产生装置中第一空间光滤光片6滤除特定位置的一束线偏振光束。
31.所述原子分子蒸汽吸收室7作为可饱和吸收样品池，优选的采用含有铷蒸气的原子分子蒸汽吸收室，所以激光波长应处于样品原子的共振吸收波长处，使得激光束入射后在样品池发生原子共振，信号被显著增强。原子分子蒸汽吸收室7也可以是其他碱金属原子，但铷比较常用，因为其在20℃以上就可以在真空状态下产生适宜浓度的原子蒸气，有利于信号的产生。
32.所述第二空间光滤光片8将除dfwm信号以外的其他光束信号滤除，得到dfwm信号输出。
33.本发明所述基于单束矢量光场的单组dfwm信号产生装置工作时，激光器产生的激光束经线偏振处理后入射到拓扑荷数m=2的矢量光产生装置2，生成偏振态在光束横截面呈特定规律分布的矢量光场，优选的采用柱矢量光产生装置后，生成偏振态在光束横截面呈轴对称对称分布的柱矢量光场，该柱矢量光场在经过第二线偏振片3被分裂为4束平行且对称分布的同频同相位的线偏振光，该线偏振光在经过扩束镜扩束到第一空间光滤光片5上，经第一空间光滤光片5过滤掉特定位置处的某一束线偏振光，然后剩余三束线偏振光通过所述聚焦透镜会聚于原子分子蒸汽吸收室7的样品池中，基于三阶非线性效应，同频、同相位、同偏振的三束入射光同时与样品相互作用，在满足相位匹配的条件下产生简并四波混频信号即dfwm信号，如附图4所示，最后经过第二空间光滤光片滤掉预定位置的剩余三束入
射光束后，输出dfwm信号。
34.本发明还提供一种采用上述的装置得到简并四波混频信号光谱的产生方法，为便于观察所述简并四波混频信号光谱，进一步在本发明所述的dfwm产生装置中设置光电探测器12和示波器13，所述光电探测器12位于第二空间光滤光片8后方，用于检测产生的简并四波混频信号，所述示波器13连接于光电探测器12，用于显示简并四波混频信号光谱，本发明进一步提出的简并四波混频信号光谱产生方法包括以下步骤：步骤一、从激光器获得一束高斯光束，所述高斯光束经线偏振处理后通过矢量光产生装置产生柱矢量光束，所述柱矢量光束经过第二线偏振片得到多束对称分布的线偏振光 ，所述线偏振光经过所述第一空间光滤光片滤去一束，经过所述聚焦透镜聚焦于样品池中，产生简并四波混频信号；步骤二、经第二空间光滤光片滤去入射光，使所述dfwm信号光射入所述光电探测器；步骤三、调整入射光束的波长，通过所述示波器记录dfwm信号强度变化，得到dfwm信号光谱。
35.进一步的本发明给出一种两组共存的简并四波混频信号产生装置，如附图3和附图5-7所示，所述两组共存的简并四波混频信号产生装置与上述单组简并四波混频信号产生装置基本一致，唯一的区别在于：其中的柱矢量光产生装置的拓扑荷数选择为m=4，其中的第一空间光滤光片5滤除两个特定位置的二束线偏振光束，在光束横截面上该两个特定位置之间的连线形成对剩余六束光束的对称轴。具体的如附图5所示，激光器产生的激光束经线偏振处理后入射到拓扑荷数m=4的矢量光产生装置2，生成偏振态在光束横截面呈特定规律分布的矢量光场，优选的采用柱矢量光产生装置后，生成偏振态在光束横截面呈轴对称对称分布的柱矢量光场，该柱矢量光场在经过第二线偏振片3被分裂为8束平行且对称分布的同频同相位的线偏振光，如附图5，该线偏振光在经过扩束镜扩束到第一空间光滤光片5上，经第一空间光滤光片5过滤掉位于编号4和编号8所在位置的光束，剩余两组光束即编号1、2、3代表的光束和编号5、6、7代表的光束关于编号4和编号8的连线对称分布，如附图6，这样剩余的六束线偏振光通过所述聚焦透镜会聚于原子分子蒸汽吸收室7的样品池中，基于三阶非线性效应，同频、同相位、同偏振且位置靠近的1、2、3号光束同时与样品相互作用，在满足相位匹配的条件下产生第一简并四波混频信号即第一dfwm信号10，同时同频、同相位、同偏振且位置靠近的5、6、7号光束同时与样品相互作用，在满足相位匹配的条件下产生第二简并四波混频信号即第二dfwm信号11，如附图7,最后经过第二空间光滤光片滤掉预定位置的剩余1、2、3号和5、6、7号入射光束后，得到两组共存的第一简并四波混频信号10和第二简并四波混频信号11输出。优选的所述第二空间光滤光片的滤光位置与第一空间光滤光片的滤光位置互补，第二空间光滤光片滤除对应于第一空间光滤光片滤光位置之外的其他位置的光束。
36.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。