一种偏振可调简并四波混频信号产生装置与产生方法与流程

1.本发明属于非线性光学应用领域，具体涉及一种偏振可调简并四波混频信号产生装置与产生方法。


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装置的三束入射光相互独立，装置复杂，难以控制，且易受外界干扰，而且现有dfwm装置中入射光束的偏振态无法进行调节，更无法产生偏振态可调节的简并四波混频信号。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对现有简并四波混频装置的问题，提供一种偏振可调简并四波混频信号产生装置以及基于该装置进行的偏振可调简并四波混频信号产生方法，本发明通过创新设计基于同一激光源的分束光路结构，使得基于同一激光源产生两束可独立调节的基础参考信号激光束，并基于同一激光源同时产生具有多种偏振态的偏振调节信号激光束，实现了偏振可调简并四波混频信号产生，具有广阔应用前景。
4.为解决上述需要，本发明采用的技术方案如下：一种偏振可调简并四波混频信号产生装置，包括：激光源1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、第一反射镜4、第二半波片5、第二偏振分光立方体6、第三半波片7、第二反射镜8、第四半波片9、第三反射镜10、第四反射镜11、涡旋半波片12、第三偏振分光立方体13、聚焦透镜14、三阶非线性效应作用装置15、线偏振片17和偏振选择器16；其中由所述激光源1、线偏振片17和第一半波片2组成光源单元，用于产生激光束；由所述第一偏振分光立方体3、第一反射镜4、涡旋半波片12和偏振选择器16组成偏振调节信号光路单元，用于产生偏振态可调节的偏振调节信号激光束；由所述第一偏振分光立方体3、第二半波片5、第二偏振分光立方体6、第三半波片7、第二反射镜8和第三偏振分光立方体13组成第一基础参考信号光路单元，用于产生第一基础参考信号激光束；由所述第二偏振分光立方体6、第四半波片9、第三反射镜10、第四反射镜11和第三偏振分光立方体13组成第二基础参考信号光路单元，用于产生第二基础参考信号激光束；由所述聚焦透镜14和三阶非线性效应作用装置15组成简并四波混频信号产生单元，所述偏振调节信号激光束、第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束在所述简并四波混频信号产生单元中产生简并四波混频信号。
5.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中入射到所述三阶非线性效应作用装置15中的第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束具有竖直偏振态；入射到所述三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束的偏振态可通过偏振选择器16进行调节，且对应于偏振调节信号激光束的不同偏振态，所述三阶
非线性效应作用装置15产生与其内部非线性介质分子取向关联的对应简并四波混频信号。
6.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述光源单元中的激光源1为飞秒脉冲钛宝石激光源，输出的激光束为高斯激光束，输出的激光中心波长处于三阶非线性效应作用装置15的吸收波长处。
7.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述第一偏振分光立方体3、第二偏振分光立方体6和第三偏振分光立方体13透射具有水平偏振方向的激光束、并反射具有竖直偏振方向的激光束；所述第一半波片2、第二半波片5、第三半波片7和第四半波片9能够对偏振光的偏振方向进行旋转调节；通过第一半波片2和第一偏振分光立方体3调节基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束的分束比例，通过第二半波片5和第二偏振分光立方体6调节第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的分束比例，通过第三半波片7和第三偏振分光立方体13调节入射到三阶非线性效应作用装置15中的第一基础参考信号激光束功率，通过第四半波片9和第三偏振分光立方体13调节入射到三阶非线性效应作用装置15中的第二基础参考信号激光束功率。
8.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述激光源1、线偏振片17、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、第二半波片5、第二偏振分光立方体6、第三半波片7和第二反射镜8依次设置于同一直线光路上，所述激光源1产生的激光束经过线偏振片17和第一半波片2后入射至第一偏振分光立方体3，经第一偏振分光立方体3透射输出的为具有水平偏振态的基础参考信号激光束，经第一偏振分光立方体3反射输出的为具有竖直偏振态的偏振调节信号激光束，所述偏振调节信号激光束经过涡旋半波片12后生成包含多个偏振方向的径向矢量光场，所述偏振选择器16能够对径向矢量光场的偏振方向进行选择和调节；所述基础参考信号激光束经过第二半波片5后入射至第二偏振分光立方体6上，经第二偏振分光立方体6透射输出的为具有水平偏振态的第一基础参考信号激光束，经第二偏振分光立方体6反射输出的为具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束；所述第一基础参考信号激光束经所述第三半波片7和第二反射镜8后入射到所述第三偏振分光立方体13，经所述第三偏振分光立方体13反射输出的为具有竖直偏振态的第一基础参考信号激光束竖直分量；所述第二基础参考信号激光束经所述第四半波片9、第三反射镜10和第四反射镜11后入射到所述第三偏振分光立方体13，经所述第三偏振分光立方体13反射输出的为具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束竖直分量；所述径向矢量光场特定方向的偏振选择分量、第一基础参考信号激光束竖直分量和第二基础参考信号激光束竖直分量通过聚焦透镜14聚焦于三阶非线性效应作用装置15内，且所述径向矢量光场特定方向的偏振选择分量、第一基础参考信号激光束竖直分量和第二基础参考信号激光束竖直分量在聚焦透镜14前的光路截面上分别位于正方形的三个顶点位置。
9.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述偏振调节信号光路单元中，所述第一偏振分光立方体3的光束入射端正对激光源的光束输出端设置，所述第一偏振分光立方体3的光束反射输出端正对所述第一反射镜4的光束入射端设置，所述第一反射镜4的光束反射端正对所述涡旋半波片12设置，所述涡旋半波片12的输出光路上设置有所述偏振选择器16；所述偏振调节信号光路单元中的光束传输过程为：激光源1输出的激光束经过第一半波片2进行偏振方向调节后入射至第一偏振分光立方体3，激光束中的竖直偏振分量作为偏振调节信号激光束被第一偏振分光立方体3反射输出第一反
射镜4，并经第一反射镜4垂直反射至涡旋半波片12，偏振调节信号激光束经过涡旋半波片12后形成包含不同方向线偏振态的径向矢量光场，所述径向矢量光场通过偏振选择器16后形成特定方向的偏振选择分量。
10.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述涡旋半波片12由多个扇形半波片拼接而成，各个半波片的快轴方向按照绕圆周一周偏转2mπ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对应偏转，通过涡旋半波片不同位置的激光束发生不同角度的偏振偏转，最终经涡旋半波片12出射后的激光束形成为包含不同方向线偏振态的径向矢量光场；所述偏振选择器16为偏振方向可进行动态调节的线偏振器。
11.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述第一基础参考信号光路单元中，第一偏振分光立方体3的光束透射输出端正对所述第二偏振分光立方体6的光束入射端设置，所述第二半波片5设置于所述第一偏振分光立方体3和第二偏振分光立方体6之间，所述第二偏振分光立方体6的光束透射输出端正对所述第二反射镜8的光束入射端设置，所述第三半波片7设置于所述第二偏振分光立方体6和所述第二反射镜8之间，所述第二反射镜8的光束反射端正对所述第三偏振分光立方体13的光束入射端设置；所述第一基础参考信号光路单元的光束传输过程为：激光源1输出的激光束经过第一半波片2进行偏振方向调节后入射至第一偏振分光立方体3，激光束中的水平偏振分量被第一偏振分光立方体3透射输出，并作为基础参考信号激光束入射至第二半波片5，经第二半波片5进行偏振方向调节后入射至第二偏振分光立方体6，基础参考信号激光束中的水平偏振分量被第二偏振分光立方体6透射输出，并作为第一基础参考信号激光束入射至第三半波片7，经第三半波片7再次进行偏振方向调节后入射至第二反射镜8和第三偏振分光立方体13，第一基础参考信号激光束中的竖直偏振分量被第三偏振分光立方体13反射输出，并作为第一基础参考信号激光束竖直分量输出至简并四波混频信号产生单元。
12.进一步的根据本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置，其中所述第二基础参考信号光路单元中，所述第二偏振分光立方体6的光束反射输出端正对所述第三反射镜10的光束入射端设置，所述第四半波片9设置于所述第二偏振分光立方体6和所述第三反射镜10之间，所述第三反射镜10的光束反射端正对所述第四反射镜11的光束入射端设置，所述第四反射镜11的光束反射端正对所述第三偏振分光立方体13的光束入射端设置；所述第二基础参考信号光路单元的光束传输过程为：经第二偏振分光立方体6反射输出的具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束入射至所述第四半波片9，经第四半波片9进行偏振方向调节后入射至第三反射镜10、第四反射镜11和第三偏振分光立方体13，第二基础参考信号激光束中的竖直偏振分量被第三偏振分光立方体13反射输出，并作为第二基础参考信号激光束竖直分量输出至简并四波混频信号产生单元。
13.一种基于本发明所述偏振可调简并四波混频信号产生装置产生简并四波混频信号的方法，包括以下步骤：步骤一、启动激光源，使激光源1产生的激光束依次经过线偏振片、第一半波片2和第一偏振分光立方体3后分为具有水平偏振态的基础参考信号激光束和具有竖直偏振态的偏振调节信号激光束，旋转第一半波片2将基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束的分束比例调节到合适范围；
步骤二、其中被第一偏振分光立方体3反射分出的偏振调节信号激光束依次通过第一反射镜4和涡旋半波片12后形成具有多个不同偏振方向的径向矢量光场，所述径向矢量光场通过偏振选择器16后形成与偏振选择器16的偏振透光方向对应的线偏振光并被聚焦透镜14聚焦到三阶非线性效应作用装置15中；步骤三、其中被第一偏振分光立方体3透射分出的基础参考信号激光束依次通过第二半波片5和第二偏振分光立方体6后分为具有水平偏振态的第一基础参考信号激光束和具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束，旋转第二半波片5将第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的分束比例调节到合适范围；步骤四、其中所述第一基础参考信号激光束依次通过第三半波片7、第二反射镜8、第三偏振分光立方体13后被聚焦透镜14聚焦于三阶非线性效应作用装置15，旋转第三半波片将入射到三阶非线性效应作用装置中的第一基础参考信号激光束的功率调节到合适范围；其中所述第二基础参考信号激光束依次通过第四半波片9、第三反射镜10、第四反射镜11、第三偏振分光立方体13后被聚焦透镜14聚焦于三阶非线性效应作用装置15，旋转第四半波片将入射到三阶非线性效应作用装置中的第二基础参考信号激光束的功率调节到合适范围；步骤五、继续调节入射到三阶非线性效应作用装置中的第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的功率以及三阶非线性效应作用装置15内原子分子蒸汽浓度直至出现简并四波混频信号光；步骤六、然后保持入射到三阶非线性效应作用装置15内的第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的功率不变，通过偏振选择器16动态调节入射到三阶非线性效应作用装置中的偏振调节信号激光束的偏振状态，得到偏振调节信号激光束在各种偏振状态下所获得的简并四波混频信号。
14.本发明与现有技术相比具有以下优点：1）本发明通过创新设计偏振可调简并四波混频信号产生装置，使得基于同一激光源同时产生基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束，实现了单光源多偏振态下的简并四波混频信号产生，具有广阔应用前景。
15.2）本发明基于三阶非线性光学效应，通过调节基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束与非线性介质如铷原子在其共振波长处产生三阶非线性光学效应来获得四波混频信号光，属于一种全新的四波混频信号光获取技术。
16.3）本发明所述装置产生的基础参考信号激光束的功率能够按需进行独立调节，产生的偏振调节信号激光束的功率和偏振态也能够进行独立调节，实现了简并四波混频信号的连续调节输出。。
17.4）本发明所述装置结构简单、操作方便、设计合理、成本低易于推广。
附图说明
18.图1为本发明所述偏振可调简并四波混频信号产生装置的结构示意图；图2位涡旋半波片组成中各半波片的快轴方向分布示意图；图中各附图标记含义说明:1—激光源；2—第一半波片；3—第一偏振分光立方体；4—第一反射镜；5—第二半波片；6—第二偏振分光立方体；7—第三半波片；8—第二反射镜；9—第四半波片；10—第三反
射镜；11—第四反射镜；12—涡旋半波片；13—第三偏振分光立方体；14—聚焦透镜；15—三阶非线性效应作用装置；16-偏振选择器；17-线偏振片。
具体实施方式
19.下面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.本发明所述的偏振可调简并四波混频信号产生装置的光路结构，如附图1所示，具体包括：激光源1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、第一反射镜4、第二半波片5、第二偏振分光立方体6、第三半波片7、第二反射镜8和第四半波片9、第三反射镜10、第四反射镜11、涡旋半波片12、第三偏振分光立方体13、聚焦透镜14、三阶非线性效应作用装置15、线偏振片17和偏振选择器16。所述激光源1、第一半波片2、第一偏振分光立方体3、第二半波片5、第二偏振分光立方体6、第三半波片7、第二反射镜8依次设置于同一直线光路上。所述偏振可调简并四波混频信号产生装置由上述各光学元件组成光源单元、偏振调节信号光路单元、第一基础参考信号光路单元、第二基础参考信号光路单元和简并四波混频信号产生单元。下面具体给出各单元的组成结构，且各单元存在共同拥有同一光学元件的情况，这是因为不同单元利用了同一光学元件的不同功能部分或者同一光学元件分离的不同光束部分。
21.所述光源单元包括激光源1、线偏振片17和第一半波片2，所述激光源1用于提供激光束输出，具体的所述激光源输出的激光束为高斯激光束。所述线偏振片17用于将激光源输出的激光束整形为线偏振激光束，所述线偏振激光束可分解为水平偏振态和竖直偏振态，亦可由两者合成。所述激光源1为飞秒脉冲钛宝石激光源，输出波长为780-880nmnm，功率大于等于200mw。所述激光源产生的激光束的波长处于三阶非线性效应作用装置中铷原子的吸收波长处。所述激光源1产生的基础参考信号激光束和产生的偏振调节信号激光束均为线偏振高斯光束。所述第一半波片2设置于线偏振片17后方，半波片属于本领域熟知的光学元件，可以对线偏振光进行旋转。因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。在本光路中通过旋转第一半波片2来改变激光源输出激光束经第一偏振分光立方体3后水平偏振态和竖直偏振态的分束比例，如下所述，偏振分光立方体透射一种偏振态（如水平偏振态）的光束，反射另一种偏振态（如竖直偏振态）的光束，通过旋转半波片能够改变入射到偏振分光立方体上的线偏振激光束的偏振方向，进而改变该入射线偏振光经偏振分光立方体分出的两束偏振态相互垂直的偏振光的分束比例，具体到本光路，通过旋转第一半波片2调节激光源输出的经线偏振片17调节后的线偏振光的偏振方向，进而能够对该线偏振光经第一偏振分光立方体3分出的水平偏振态的基础参考信号激光束和竖直偏振态的偏振调节信号激光束的分束功率比例进行调节，达到同时改变基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束强度的目的。
22.所述偏振调节信号光路单元包括第一偏振分光立方体3、第一反射镜4、涡旋半波片12和偏振选择器16，具体的所述激光源1的光束输出端正对所述第一偏振分光立方体3的光束入射端，所述第一偏振分光立方体3的光束反射输出端正对所述第一反射镜4的光束入射端设置，所述第一反射镜4的光束反射端正对所述涡旋半波片12设置，偏振选择器16设置于涡旋半波片12的输出光路上。所述偏振调节信号光路单元中各光学元件的光学特性及其
在光路中所起的作用如下：所述第一偏振分光立方体3的光学特性为：基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第一偏振分光立方体3透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束，在光路中所述第一偏振分光立方体3的作用是将激光源输出的激光束分为基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束，具体的将激光束中的水平偏振分量透射输出至基础参考信号光路单元中，将激光束中的竖直偏振分量垂直反射输出至偏振调节信号光路单元中，这样经过第一偏振分光立方体3分束后得到相互垂直传输的水平偏振态的基础参考信号激光束和竖直偏振态的偏振调节信号激光束。
23.其中所述第一反射镜4能够对偏振调节信号激光束提供90
°
的反射。
24.其中所述涡旋半波片12的光学特性是改变光场的径向和角向偏振分布，在偏振调节信号光路单元中所起的作用是使入射的偏振调节信号激光束由线偏振光转化为矢量光场。所述涡旋半波片12优选的为由多个扇形半波片拼接而成的涡旋波片，优选的各个半波片的快轴方向按照绕圆周一周偏转2mπ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对应偏转，从而通过涡旋半波片能够使线偏振高斯光横截面不同位置光束的偏振方向发生不同角度的偏转。优选示例如图2所示的涡旋半波片，其中箭头方向代表每个扇形半波片的快轴方向，线偏振的偏振调节信号激光通过涡旋半波片后，偏振调节信号光束横截面每一部分线偏振光通过的半波片对应的快轴方向不同，使得该部分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）。因此根据涡旋半波片中各半波片的拼接方式不同，可使入射偏振调节信号激光束的线偏振光通过涡旋半波片后产生径向矢量光场、角向矢量光场和包含径向偏振和角向偏振的混合矢量光场，在本发明中，使用所述涡旋半波片优选的将偏振调节信号激光束由线偏振态转换为径向矢量光场，涡旋半波片12产生的该径向矢量光场包含所有不同方向的线偏振态，因此可直接实现偏振选择调节。
25.所述偏振选择器16设置于涡旋半波片12的输出光路上，优选的所述偏振选择器16为对应于某一径向方向的线偏振器，来自涡旋半波片12的径向矢量光场通过偏振选择器16后形成与偏振选择器16的偏振透光方向对应的线偏振光，通过调节偏振选择器16的偏振透光方向能够得到不同偏振方向的线偏振光。
26.所述偏振调节信号光路单元中的光束传输过程为：激光源1输出的激光束经线偏振片16作用后形成线偏振激光束，再经过第一半波片2进行偏振方向调节后，仍以线偏振态入射至第一偏振分光立方体3，其中竖直偏振分量被第一偏振分光立方体3反射输出，形成具有竖直偏振态的偏振调节信号激光束，该偏振调节信号激光束进一步被第一反射镜4垂直反射至涡旋半波片12，竖直偏振态的偏振调节信号激光束经过涡旋半波片12后形成包含不同方向线偏振态的径向矢量光场，所述径向矢量光场通过偏振选择器16后形成与偏振选择器16的偏振透光方向对应的线偏振光，通过调节偏振选择器16的偏振透光方向能够得到不同偏振方向的线偏振光并输出至简并四波混频信号产生单元。
27.所述第一基础参考信号光路单元包括第一偏振分光立方体3、第二半波片5、第二偏振分光立方体6、第三半波片7、第二反射镜8和第三偏振分光立方体13，所述第一偏振分光立方体3的光束透射输出端正对所述第二偏振分光立方体6的光束入射端设置，所述第二半波片5设置于所述第一偏振分光立方体3的光束透射输出端和第二偏振分光立方体6的光
束入射端之间，所述第二偏振分光立方体6的光束透射输出端正对所述第二反射镜8的光束入射端设置，所述第三半波片7设置于所述第二偏振分光立方体6的光束透射输出端和所述第二反射镜8的光束入射端之间，所述第二反射镜8的光束反射端正对所述第三偏振分光立方体13的光束入射端设置。
28.所述第一基础参考信号光路单元中各光学元件的光学特性及其在光路中所起的作用如下：所述第一偏振分光立方体3的光学特性为：基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第一偏振分光立方体3透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束，在光路中所述第一偏振分光立方体3的作用是将激光源输出的激光束分为基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束，具体的将激光束中的水平偏振分量透射输出至基础参考信号光路单元中，将激光束中的竖直偏振分量垂直反射输出至偏振调节信号光路单元中，这样经过第一偏振分光立方体3分束后得到相互垂直传输的水平偏振态的基础参考信号激光束和竖直偏振态的偏振调节信号激光束。
29.所述第二半波片5设置于所述第一偏振分光立方体3的正后方，第二半波片的作用同第一半波片，可以对线偏振光的偏振方向进行旋转调节。本光路中基于半波片的光学特性，通过旋转第二半波片5能够调整第一偏振分光立方体3透射输出的基础参考信号激光束的线偏振方向，使其偏振方向偏离水平方向，进而使得该基础参考信号激光束通过第二偏振分光立方体6后能够再次被分出水平偏振分量和竖直偏振分量，且在进行偏振分束时实现对功率的调节。
30.所述第二偏振分光立方体6同第一偏振分光立方体，能够基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第二偏振分光立方体6透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束。在本光路中，经第二半波片5作用后偏振方向偏离水平方向的基础参考信号激光束在透过第二偏振分光立方体6后再次分出具有水平偏振态的基础参考信号激光束，该水平偏振态的基础参考信号激光束作为了第一基础参考信号光路单元中的第一基础参考信号激光束，同时该水平偏振态的第一基础参考信号激光束的功率相对于透过第一偏振分光立方体3后的水平偏振的总基础参考信号激光束的功率有所减小，也相当于是对基础参考信号激光束的功率进行了调节，同时经第二半波片5作用后偏振方向偏离水平方向的基础参考信号激光束被第二偏振分光立方体6反射后可分出具有竖直偏振态的基础参考信号激光束，该竖直偏振基础参考信号激光束作为第二基础参考信号光路单元中的第二基础参考信号激光束。因此通过旋转调节第二半波片5并结合第二偏振分光立方体6能够调节分束到第二基础参考信号光路单元和第一基础参考信号光路单元中的基础参考信号激光束比例。
31.所述第三半波片7设置于所述第二偏振分光立方体6的透射输出端，第三半波片的作用同第二半波片，可以对线偏振光的偏振方向进行旋转调节。本光路中基于半波片的光学特性，通过旋转第三半波片7能够调整第二偏振分光立方体6透射输出的具有水平偏振态的第一基础参考信号激光束的线偏振方向，使其偏振方向再次偏离水平方向，进而使得第一基础参考信号激光束在通过第三偏振分光立方体13后能够被分出竖直偏振分量，且在进行偏振分束时实现对功率的调节。
32.其中所述第二反射镜8能够对第一基础参考信号激光束提供90
°
的反射。
33.所述第三偏振分光立方体13同第二偏振分光立方体，能够基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第三偏振分光立方体13透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束。在本光路中，经第三半波片7作用后偏振方向偏离水平方向的第一基础参考信号激光束入射到第三偏振分光立方体13后，被第三偏振分光立方体13反射输出第一基础参考信号激光束中的竖直偏振分量，也就是说通过第三偏振分光立方体13将第一基础参考信号激光束中的竖直偏振分量反射分束至简并四波混频信号产生单元。第一基础参考信号激光束中的水平偏振分量透过第三偏振分光立方体13后被收集。通过旋转调节第三半波片7并结合第三偏振分光立方体13能够单独调节分束到简并四波混频信号产生单元中的第一基础参考信号激光束的功率。
34.所述第一基础参考信号光路单元中的光束传输过程为：激光源1输出的激光束经过第一半波片2进行偏振方向调节后，仍以线偏振态入射至第一偏振分光立方体3，其中水平偏振分量被第一偏振分光立方体3透射输出，形成具有水平偏振态的总基础参考信号激光束，该总基础参考信号激光束经第二半波片5进行偏振方向调节后形成同时具有水平偏振态和竖直偏振态的总基础参考信号激光束，该总基础参考信号激光束入射至第二偏振分光立方体6，其中水平偏振分量被第二偏振分光立方体6透射输出，形成具有水平偏振态的第一基础参考信号激光束，其中竖直偏振分量被第二偏振分光立方体6反射输出，形成具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束，通过第二半波片5和第二偏振分光立方体6调节第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的分束比例。具有水平偏振态的第一基础参考信号激光束通过第三半波片7后再次将其偏振态由水平偏振态转化为同时具有水平偏振态和竖直偏振态，然后经第二反射镜反射向第三偏振分光立方体13，经由第三偏振分光立方体13将第一基础参考信号激光束的竖直偏振分量反射输出至简并四波混频信号产生单元，通过旋转调节第三半波片7并结合第三偏振分光立方体13单独调节分束到简并四波混频信号产生单元中的第一基础参考信号激光束的功率。
35.所述第二基础参考信号光路单元包括第二偏振分光立方体6、第四半波片9、第三反射镜10、第四反射镜11和第三偏振分光立方体13，所述第二偏振分光立方体6的光束反射输出端正对所述第三反射镜10的光束入射端设置，所述第四半波片9设置于所述第二偏振分光立方体6的光束反射输出端和所述第三反射镜10的光束入射端之间，所述第三反射镜10的光束反射端正对所述第四反射镜11的光束入射端设置，所述第四反射镜11的光束反射端正对所述第三偏振分光立方体13的光束入射端设置。
36.所述第二基础参考信号光路单元中各光学元件的光学特性及其在光路中所起的作用如下：所述第二偏振分光立方体6同上所述，透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束。经第二半波片5作用后偏振方向偏离水平方向的总基础参考信号激光束被第二偏振分光立方体6反射后分出具有竖直偏振态的基础参考信号激光束，该竖直偏振基础参考信号激光束作为第二基础参考信号光路单元中的第二基础参考信号激光束。通过旋转第二半波片5并结合第二偏振分光立方体6调节第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的分束比例。
37.所述第四半波片9设置于所述第二偏振分光立方体6的反射输出端，第四半波片的作用同第三半波片，可以对线偏振光的偏振方向进行旋转调节。本光路中通过旋转第四半
波片9能够调整第二偏振分光立方体6反射输出的具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束的线偏振方向，使其偏振方向偏离竖直方向，进而使得第二基础参考信号激光束在通过第三偏振分光立方体13后被反射分出的竖直偏振分量的功率可以得到调节。
38.所述第三反射镜10能够对第二基础参考信号激光束提供90
°
的反射。
39.所述第四反射镜11能够对第二基础参考信号激光束提供90
°
的反射。
40.所述第三偏振分光立方体13同上所述，透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束。入射到第三偏振分光立方体13上的第二基础参考信号激光束中的竖直偏振分量被第三偏振分光立方体13反射分束至简并四波混频信号产生单元，第二基础参考信号激光束中的水平偏振分量透过第三偏振分光立方体13后被收集。通过旋转调节第四半波片9并结合第三偏振分光立方体13能够单独调节分束到简并四波混频信号产生单元中的第二基础参考信号激光束的功率。
41.所述第二基础参考信号光路单元中的光束传输过程为：总基础参考信号激光束被第二偏振分光立方体6反射输出的具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束，通过第四半波片9后再次将其偏振态由竖直偏振态转化为同时具有水平偏振态和竖直偏振态，然后经第三反射镜10和第四反射镜11反射向第三偏振分光立方体13，经由第三偏振分光立方体13将第二基础参考信号激光束的竖直偏振分量反射输出至简并四波混频信号产生单元，通过旋转调节第四半波片9并结合第三偏振分光立方体13能够单独调节分束到简并四波混频信号产生单元中的第二基础参考信号激光束的功率。
42.所述简并四波混频信号产生单元包括聚焦透镜14、三阶非线性效应作用装置15，其中所述聚焦透镜14、三阶非线性效应作用装置15依次设置于同一直线光路上。
43.所述简并四波混频信号产生单元中各光学元件的光学特性及其在光路中所起的作用如下：所述聚焦透镜14面向偏振调节信号光路单元、第一基础参考信号光路单元和第二基础参考信号光路单元的光束输出端设置，来自偏振调节信号光路单元的偏振调节信号激光束、来自第一基础参考信号光路单元的第一基础参考信号激光束和来自第二基础参考信号光路单元的第二基础参考信号激光束经所述聚焦透镜聚焦作用后入射至所述三阶非线性效应作用装置15。优选的所述偏振调节信号激光束、第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束相互平行入射到聚焦透镜，并在入射聚焦透镜14前的光路截面上三束激光束分别位于正方形的三个顶点位置，通过所述聚焦透镜14将三束激光束聚焦到三阶非线性效应作用装置15内中心位置，这种光路几何结构能够很好的满足前向简并四波混频配置要求，三束激光束严格位于正方形的三个顶点可以提高四波混频信号的产生效率。。
44.所述三阶非线性效应作用装置15优选的为铷原子蒸汽吸收室，其吸收波长处于激光源输出激光束的波长处，铷原子蒸汽通过与基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束发生三阶非线性效应产生简并四波混频信号。
45.优选的可在三阶非线性效应作用装置的信号输出端设置一ccd相机或cmos相机，以观察和记录所产生的简并四波混频信号。
46.下面简要给出简并四波混频信号产生原理描述，简并四波混频效应是指具有相同频率和波矢的三个入射光波在介质中产生第四个相干光波，且这四个光波在介质中互相作用的过程，它是因为介质的三阶非线性极化率导致的。发生四波混频的原因是入射光中的
某一个波长上的光会使非线性介质的折射率发生改变，则在不同的频率上产生了光波相位的变化，从而产生了新的波长的光波。如果三个入射的光波具有相等的频率，那么生成的第四个相干光波的频率也将与入射的光波的频率相同，我们把这个互相作用的过程，称之为简并四波混频，本发明针对的是简并四波混频。
47.下面给出基于本发明提供的偏振可调简并四波混频信号产生装置产生偏振可调简并四波混频信号的方法，包括以下步骤：步骤一、所述激光源1产生的激光束依次经过线偏振片17、第一半波片2和第一偏振分光立方体3后分为两束光，其中透过第一偏振分光立方体3的激光束为具有水平偏振态的基础参考信号激光束，被第一偏振分光立方体3反射的激光束为具有竖直偏振态的偏振调节信号激光束；通过旋转第一半波片2调节基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束的分束比例；步骤二、其中被第一偏振分光立方体3反射分出的偏振调节信号激光束依次通过第一反射镜4、涡旋半波片12后形成具有多个不同线偏振方向的径向矢量光场，所述径向矢量光场通过偏振选择器16后形成与偏振选择器16的偏振透光方向对应的线偏振光并被聚焦透镜14聚焦到三阶非线性效应作用装置15中；步骤三、其中被所述第一偏振分光立方体3透射分出的总基础参考信号激光束依次通过第二半波片5和第二偏振分光立方体6分为两束基础参考信号激光束，其中透过第二偏振分光立方体6的基础参考信号激光束为具有水平偏振态的第一基础参考信号激光束，被第二偏振分光立方体6反射的基础参考信号激光束为具有竖直偏振态的第二基础参考信号激光束；通过旋转第二半波片5调节第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的分束比例；步骤四、其中所述第一基础参考信号激光束依次通过第三半波片7、第二反射镜8、第三偏振分光立方体13和聚焦透镜14聚焦到三阶非线性效应作用装置15，被第三偏振分光立方体13反射后的第一基础参考信号激光束具有竖直偏振态，通过旋转第三半波片调节入射到三阶非线性效应作用装置的第一基础参考信号激光束的功率；其中所述第二基础参考信号激光束依次通过第四半波片9、第三反射镜10、第四反射镜11、第三偏振分光立方体13和聚焦透镜14聚焦到三阶非线性效应作用装置15，第二基础参考信号激光束被第三偏振分光立方体13反射后具有竖直偏振态，通过旋转第四半波片调节入射到三阶非线性效应作用装置的第二基础参考信号激光束的功率。
48.步骤五、通过调整第一反射镜4、第二反射镜8、第三反射镜10、第四反射镜11、第三偏振分光立方体13等元件来调整偏振调节信号激光束、第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的出射位置，使三束激光束在所述聚焦透镜14前的光路截面上位于正方形的三个顶点，且透过所述聚焦透镜14后聚焦在三阶非线性效应作用装置15内一点；步骤六、调整激光源三束激光束的功率和三阶非线性效应作用装置15内铷原子的浓度使得ccd上出现明显的四波混频信号光，其中调整激光束功率的方法为调节第一半波片2的角度，通过改变入射光水平偏振态和竖直偏振态分量的分布，改变通过所述第一偏振分光立方体3的入射光的透射和反射分量分布，从而改变基础参考信号激光束和偏振调节信号激光束的分量分布。在通过旋转第二半波片5、第三半波片7和第四半波片9来单独改变偏振调节信号激光束、第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束的功率，其中改变
铷原子浓度的方法为调节三阶非线性效应作用装置15加热带的电压，通过调节加热带的电压改变加热带的温度，从而调节三阶非线性效应作用装置15内的温度。
49.步骤七、然后保持入射到三阶非线性效应作用装置15内的第一基础参考信号激光束和第二基础参考信号激光束功率不便，然后动态调节入射到三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束的偏振状态，如前所述偏振调节信号激光束经过涡旋半波片12后形成包含不同方向线偏振态的径向矢量光场，所述径向矢量光场通过设置于其后的偏振选择器16后形成与偏振选择器16的偏振透光方向对应的线偏振光，这样通过调节偏振选择器16的偏振透光方向能够得到不同偏振方向的线偏振光，进而实现对入射到三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束的偏振状态的调节，比如当偏振选择器16的偏振方向选择为0
°
时，此时经聚焦透镜入射到三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束具有竖直偏振态，当偏振选择器16的偏振方向选择为45
°
时，此时经聚焦透镜入射到三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束处于逆时针45
°
的偏振态，当偏振选择器16的偏振方向选择为90
°
时，此时经聚焦透镜入射到三阶非线性效应作用装置15中偏振调节信号激光束为水平偏振态，当偏振选择器16的偏振方向选择为135
°
时，此时经聚焦透镜入射到三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束处于逆时针135
°
的偏振态，当偏振选择器16的偏振方向选择为160
°
时，此时经聚焦透镜入射到三阶非线性效应作用装置15中的偏振调节信号激光束为竖直偏振态；对应于各种偏振调节下产生的简并四波混频信号可通过dfwm信号检测装置记录。
50.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。