多波混频信号产生装置及其光谱、光斑产生装置与方法与流程

本发明属于非线性光学应用技术领域，具体涉及一种基于矢量光场的多波混频信号产生装置、多波混频信号光谱产生装置与产生方法、多波混频信号光斑产生装置与产生方法。

背景技术：

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。在此基础上的更高阶的多波混频过程装置更加复杂，为实验带来很大难度。

技术实现要素：

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多波混频信号产生装置、多波混频信号光谱产生装置与产生方法、多波混频信号光斑产生装置与产生方法。所述多波混频信号产生装置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)，而且通过改变柱矢量光的拓扑荷数能够得到其他更复杂的多波混频信号，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。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于矢量光场的多波混频信号产生装置，包括：激光器1、矢量光产生装置2、偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6和原子分子蒸汽吸收室7，所述激光器1、矢量光产生装置2、偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6和原子分子蒸汽吸收室7依次设置于同一光路上，所述激光器输出的激光束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偏振片3后生成多束平行分布的同频同相位偏振光，该多束平行分布的同频同相位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滤除其中一束或多束同频同相位偏振光后，形成满足多波混频条件的剩余多束同频同相位偏振光，该剩余多束同频同相位偏振光经聚焦透镜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内基于多阶非线性效应产生多波混频信号输出。

进一步的根据本发明所述的多波混频信号产生装置，其中所述激光器输出的激光束为线偏振光束，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。

进一步的根据本发明所述的多波混频信号产生装置，其中所述矢量光产生装置2为柱矢量光产生装置，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；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，所述柱矢量光产生装置可产生多种拓扑荷数的柱矢量光场。

进一步的根据本发明所述的多波混频信号产生装置，其中所述偏振片3为线偏振片，所述矢量光场经过所述偏振片3后生成多束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光，所述扩束镜4将所述线偏振光扩束到第一空间光滤光片5，并使得其中一束或多束线偏振光入射到第一空间光滤光片5对应的特定滤光位置，所述第一空间光滤光片5在其特定位置具有滤光功能，通过第一空间光滤光片5后的剩余多束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光满足原子分子蒸汽吸收室7的多波混频条件，其中所述原子分子蒸汽吸收室7基于三阶、五阶或更高阶非线性效应产生多波混频信号。

进一步的根据本发明所述的多波混频信号产生装置，其中所述多波混频信号产生装置为简并四波混频信号产生装置，其中所述激光器是连续可调谐的环形钛宝石激光器，所述矢量光产生装置2为拓扑荷数等于二的柱矢量光产生装置，所述激光器输出的激光束经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分布的柱矢量光场，所述柱矢量光场经过所述偏振片3后生成四束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光，经过所述第一空间光滤光片5滤掉其中一束后剩余三束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光经聚焦后入射到原子分子蒸汽吸收室7，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，入射的三束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光在原子分子蒸汽吸收室7基于三阶非线性效应产生简并四波混频信号。

进一步的根据本发明所述的多波混频信号产生装置，其中所述多波混频信号产生装置为简并六波混频信号产生装置，其中所述激光器是连续可调谐的环形钛宝石激光器，所述矢量光产生装置2为拓扑荷数等于三的柱矢量光产生装置，所述激光器输出的激光束经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分布的柱矢量光场，所述柱矢量光场经过所述偏振片3后生成六束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光，经过所述第一空间光滤光片5滤掉其中一束后剩余五束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光经聚焦后入射到原子分子蒸汽吸收室7，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，入射的五束平行分布的同频率、同相位和同偏振的线偏振光在原子分子蒸汽吸收室7基于五阶非线性效应产生简并六波混频信号。

一种多波混频信号光谱产生装置，包括：本发明所述的多波混频信号产生装置，还包括第二空间光滤光片8、光电探测器9和示波器10，所述第二空间光滤光片8设置于多波混频信号产生装置中的原子分子蒸汽吸收室7后方的光路上，并将除多波混频信号以外的其他光束信号滤除，所述光电探测器9设置于所述第二空间光滤光片8的正后方，用于探测多波混频信号，所述示波器10连接于所述光电探测器9，用于显示光电探测器9探测的多波混频信号，在调整激光束波长下，通过所述示波器能够记录多波混频信号的强度变化，得到多波混频信号的光谱。

一种基于本发明所述多波混频信号光谱产生装置得到多波混频信号光谱的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过所述多波混频信号产生装置输出剩余入射光束和多波混频信号；

步骤二、经第二空间光滤光片滤去剩余入射光束，使所述多波混频信号射入所述光电探测器；

步骤三、调整激光束的波长，通过示波器记录多波混频信号的强度变化，得到多波混频信号光谱。

一种多波混频信号光斑产生装置，包括：本发明所述的多波混频信号产生装置，还包括成像装置11，所述成像装置11设置于所述多波混频信号产生装置中的原子分子蒸汽吸收室7的后方光路上，所述多波混频信号与剩余入射光共同射入所述成像装置，通过改变矢量光场的拓扑荷数，在成像装置中得到包括有多波混频信号的光斑图。

一种基于本发明所述多波混频信号光斑产生装置得到多波混频信号光斑的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过所述多波混频信号产生装置输出剩余入射光束和多波混频信号；

步骤二、所述剩余入射光束和多波混频信号共同射入所述成像装置；

步骤三、调整矢量光产生装置，改变矢量光场的拓扑荷数，在成像装置中得到包括有多波混频信号的光斑图。

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多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多波混频信号，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多波混频信号产生技术。

2)、本发明通过改变柱矢量光的拓扑荷数可以实现多种多波混频过程，不需要改变其他实验装置，具有较强的通用性。

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

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为径向偏振光偏振方向分布示意图；

图3为角向偏振光偏振方向分布示意图；

图4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5为基于三阶非线性效应的简并四波混频的能级示意图；

图6为基于五阶非线性效应的简并六波混频的能级示意图；

图7为本发明所述基于单束矢量光场的多波混频信号光谱产生装置的结构示意图；

图8为本发明所述基于单束矢量光场的多波混频信号光斑产生装置的结构示意图；

图9为实施例1得到的四波混频信号光斑图；

图10为实施例1得到的四波混频信号光谱图；

图11为实施例2得到的六波混频信号光斑图；

图中各附图标记说明:

1—激光器；2—矢量光产生装置；3—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—光电探测器；10—示波器；11-成像装置。

具体实施方式

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。

首先对本发明中涉及的专业技术术语做相关解释说明。

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：由线偏振高斯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，使线偏振高斯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，高斯光从涡旋波片中心通过，横截面每一部分通过的波片快轴方向不同，线偏振光的偏振方向发生不同角度的偏转(2倍于半波片快轴偏转角度)，产生如附图2所示的径向偏振光、附图3所示的角向偏振光以及除此之外的其他线偏振态的混合光即混合偏振光，本发明所使用的都是混合偏振光，。

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的偏转角度，该偏转角度表示为2mπ，径向和角向偏振光的拓扑荷数m＝1，表示径向或角向偏振光的偏振方向绕空心圆环一周共偏转2π角度，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，柱矢量光通过偏振片后分裂的光束数量为2m，附图4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线偏振片后分裂出的光束数量分布图。

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；简并六波混频是五阶非线性效应，入射光增加为五束，满足相位匹配时产生。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。附图5和6分别给出为简并四波混频和简并六波混频的能级图，其中虚线所示的e4和e6分别为产生的四波混频信号和六波混频信号。

下面结合附图7和附图8详细说明本发明所述的基于单束矢量光场的多波混频信号产生装置的结构及其工作原理。如附图7和附图8所示，本发明所述的多波混频信号产生装置包括：产生高斯光束的激光器1、矢量光产生装置2、偏振片3、扩束镜4、第一空间光滤光片5、聚焦透镜6和原子分子蒸汽吸收室7；本发明中的多波混频信号光谱产生装置进一步还包括第二空间光滤光片8、光电探测器9和示波器10；本发明中的多波混频信号光斑产生装置进一步还包括成像装置；其中所述激光器1、矢量光产生装置2、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。

所述激光器产生的高斯光束，优选的为线偏振高斯光束或在光源内经过线偏振处理的高斯光束。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。

所述矢量光产生装置2能够使高斯光的横截面不同位置偏振方向发生不同角度的偏转。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。

所述偏振片3优选的为线偏振片。

所述扩束镜4的扩束比例能够满足第一空间光滤光片的滤光要求。

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。

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。

本发明所述的多波混频信号光谱产生装置中，如附图7所示，设置于原子分子蒸汽吸收室7后方的为附图7所示的第二空间光滤光片8、光电探测器9和示波器10，此时所述光电探测器为硅光探测器，连接示波器。本发明的多波混频信号光斑产生装置中还包括如附图8所示的成像装置，此时激光器、矢量光产生装置、偏振片、扩束镜、第一空间光滤光片、聚焦透镜和原子分子蒸汽吸收室依次设置于同一光路上，信号光与入射光束同时进入成像装置；所述成像装置包括ccd相机或cmos相机。

本发明所述基于单束矢量光场的多波混频装置工作时，激光器产生的激光束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，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或旋转对称分布的柱矢量光场，该柱矢量光场在经过线性偏振片3被分裂为2m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或几束线偏振光，然后剩余光束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、五阶或更高阶非线性效应，三束、五束或更多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混频信号。在附图7所示的装置结构下，经过第二空间光滤光片滤掉预定位置的剩余入射光束后，所产生的混频信号进入所述光电探测器，所述光电探测器连接示波器，通过示波器记录多波混频信号强度变化，得到多波混频信号光谱；在附图8所示的装置结构下，产生的混频信号进入成像装置，通过改变矢量光束拓扑荷数，在成像装置中可以得到光斑图。

本发明还提供一种采用上述的装置得到多波混频信号光谱的产生方法，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或多束，经过所述聚焦透镜聚焦于样品池中，产生多波混频信号；

步骤二、经第二空间光滤光片滤去入射光，使所述多波混频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多波混频信号强度变化，得到多波混频信号光谱。

更进一步的，本发明还提供一种采用上述的装置获得多波混频信号光斑图的产生方法，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或多束，经过所述聚焦透镜聚焦于样品池中，产生多波混频信号；

步骤二、所述多波混频信号与入射光共同射入成像装置；

步骤三、调整矢量光产生装置，改变矢量光束拓扑荷数，在成像装置中得到光斑图。

下面进一步给出本发明的应用实施例。

实施例1

采用本发明的装置获得简并四波混频信号及其光谱、光斑的产生方法，首先从激光器1获得一束高斯光束，所述高斯光束通过拓扑荷数为2(m＝2)的矢量光产生装置2产生如附图4中m＝2对应的柱矢量光束，所述柱矢量光束经过偏振片3得到四束对称分布的线偏振光如附图9(a)，所述四束线偏振光经过所述第一空间光滤光片5滤去其中一束后如附图9(b)所示，余下三束经过所述聚焦透镜6聚焦于含有铷蒸气的原子分子蒸汽吸收室中，基于三阶非线性效应产生简并四波混频信号，如图9(c)所示。

得到图9(c)所示的dfwm信号后，若要进一步观察四波混频信号光谱，则可如附图7所示的，在原子分子蒸汽吸收室7后方依次设置第二空间光滤光片8、光电探测器9和示波器10，经第二空间光滤光片8滤去三束剩余入射光后，所产生的简并四波混频信号光射入所述光电探测器9，此时通过调整激光器产生的入射光束的波长，通过所述示波器10即可记录多波混频信号强度变化，得到四波混频信号光谱图，如图10所示，这种光谱产生方法同样适用于后述多波混频信号。

或者得到图9(c)所示的dfwm信号后，若要进一步观察光斑图，则可如附图8所示的，在原子分子蒸汽吸收室7后方设置成像装置11，四波混频信号与入射光共同射入成像装置，通过调整矢量光产生装置，改变矢量光束拓扑荷数，可在成像装置中得到光斑图。这种光斑产生方法同样适用于后述多波混频信号。

实施例2

采用本发明的装置获得简并六波混频信号的方法，首先从激光器1获得一束高斯光束，所述高斯光束通过拓扑荷数为3(m＝3)的矢量光产生装置2产生如附图4中m＝3对应的柱矢量光束，所述柱矢量光束经过偏振片3得到六束对称分布的线偏振光如附图11(a)，所述六束线偏振光经过所述第一空间光滤光片5滤去其中一束后如附图11(b)所示，余下五束经过所述聚焦透镜6聚焦于含有铷蒸气的原子分子蒸汽吸收室中，基于五阶非线性效应产生简并六波混频信号，如图11(c)所示。

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。