本书主要介绍了光通信波段1560nm激光的非线性光学频率转换过程及应用，具体包括1560nm激光的非线性光学倍频过程（1560nm?780nm）、1560nm激光与倍频所得激光的非线性光学和频过程（1560nm+780nm?520nm）、所得和频激光经非线性光学参量振荡再次获得1560nm激光的过程（520nm?1560nm+780nm）及光通信波段激光在固体目标测速和面型方面的测量应用。本书介绍的非线性光学过程起始于1560nm半导体经典激光光源，经过一系列非线性光学频率演变，最终得到光学参量振荡状态下稳定的非简并1560nm激光输出，整个过程形成一个完整的频率变换环路。该频率连续演变过程的完成为从“经典光场”到“非经典量子光场”的实现提供了一种良好的可选实验方案，可以有力地服务于未来高保真量子光源的应用。本书详细介绍了上述非线性光学过程的理论计算和实验细节，适合量子光学、非线性光学及相近研究方向的师生阅读。

前言 二阶非线性光学效应对人类认识和应用激光起到了重要作用。作为扩充激光波长范围的实用技术，基于二阶非线性光学效应的倍频、和频及光学参量振荡过程在紫外光波段、可见光波段和中红外光波段等的激光光源制备中均有着出色的表现。当前，光纤通信市场发展迅猛，光纤通信波段各类激光器件性能优良且输出功率较高。根据国际电信联盟（ITU）对密集波分复用（DWDM）系统的划分，1560nm激光位于光纤通信C波段（1530～1565nm）。该波段激光的信号色散失真极小且传输损耗极低，非常适合在光纤中传输，是超大容量、大规模光纤组网的理想候选波段。本书以1560nm光纤放大器作为基波光源，依次开展了二次谐波产生、三次谐波产生及参量下转换三个方面的相关实验和理论研究工作。 由于780nm波段对应铷原子D2跃迁线，所以在铷原子的冷却和操控及铷原子触发式单光子源产生方面有着重要应用；中高功率的1560nm光纤放大器经非线性倍频可直接获得780nm激光，其光束质量好且转化效率高，是服务上述应用的理想方案之一；进一步经非线性和频所得的520nm三次谐波激光同样具有上述优点，在激光显影、生物医学及量子光学等方面有着重要的应用前景；经光学参量振荡过程生成的1560nm和780nm下转换场在光纤传输及铷原子存储中有着特殊的地位。例如，以铷原子作为量子信息存储单元，同时以1560nm激光作为长距离量子信息传输通道载体，这种具有量子纠缠特性的双色波长组合（1560nm和780nm）在未来长程量子通信中将展示巨大潜力。 本书以光纤通信波段1560nm激光作为基波光源，基于非线性周期极化晶体的光学二阶非线性效应，经过合理的理论分析和实验设计，分别以单次穿过晶体和谐振腔倍频方式获得780nm倍频激光，以单共振和频方式获得520nm和频激光，以及双共振光学参量振荡生成1560nm和780nm双色下转换光场。此外，本书还介绍了光通信波段激光在测速方面的应用。 本书研究内容主要包括以下几方面： （1）利用光通信C波段种子光放大系统（1560nm外腔反馈式半导体激光器作为种子源，掺铒光纤放大器做激光功率放大），以新型准相位匹配掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体（MgO:PPLN）作为非线性媒介，分别经过单次穿过倍频和外腔谐振倍频方式，实现了对应铷原子D2跃迁线的高光束质量的780nm倍频激光输出，已在实验中用于光通信波段的激光频率校准。 （2）分析了块状掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体的光学非均匀性。从块状掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体的温度调谐曲线入手，对于实验中出现的偏离理想相位匹配函数sinc2曲线的现象，采用晶体沿光传播方向折射率分区均匀的思想，获得了和实验结果吻合的理论拟合结果。 （3）推导了单共振和频光生成理论，采用非线性光学频率链，将1560nm基波光源分别历经倍频、和频过程，在1560nm激光往返两次穿过周期极化磷酸氧钛钾晶体、780nm倍频光与腔单共振的和频方式下，最终获得高光束质量的单频520nm绿光。 （4）结合新型高效非线性周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体，采用分离式双共振光学参量振荡器（DROPO）获得高转换效率且可大范围波长调谐的下转换双色光场（信号光1.5?m，闲置光0.78?m）。通过调谐周期极化磷酸氧钛钾晶体温度，信号光的波长粗调范围约为44nm，闲置光波长粗调范围约为11nm；采用室温下自然丰度比例混合的铷原子气室做频率标定，通过连续调谐1560nm基波种子激光频率，可以实现闲置光（780.2nm）至少1.6GHz的频率调谐范围。光学参量振荡器实验系统有潜力应用于铷原子作为量子存储（对应780nm）、光纤作为量子信道（对应1560nm）的远程量子信息传输装置。 上述工作有以下几处创新： （1）采用单次穿过晶体倍频和外腔谐振倍频方式获得高光束质量、高输出功率的780nm激光，在1小时监视时间内，功率均方根起伏优于1.3%。 （2）提出了周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体沿光传播方向的光学非均匀性假设，并采用理论拟合实验数据的方法进行验证。 （3）周期极化磷酸氧钛钾晶体结合单共振和频的方式，实现了1560nm三次谐波520nm单频激光。 （4）利用和频实验所得的520nm单频激光作为泵浦激光，经高非线性转换效率的PPKTP双共振光学参量振荡器实现了1560nm和780nm双色下转换光场。 本书是在国家自然科学基金（No:11647035）、国家留学基金委/地方合作项目（No: 201708140143）、山西省青年科技基金（No:201901D211301）、山西省高校科技创新计划项目（No:2019L0631）、太原科技大学博士启动基金（No:20162002）、太原科技大学研究生教育创新计划（No:KC2022009）和太原科技大学教学改革创新项目（No:JG202278）等项目资助下研究撰写的，在此对国家自然科学基金委员会、国家留学基金管理委员会、山西省科技厅、山西省教育厅、太原科技大学和山西大学光电研究所等单位表示衷心的感谢。 在本书撰写过程中，参考了相关领域的大量书籍、论文及网站资料等，也融入了著者近些年来的科研经验和成果，鉴于著者的学识水平，书中不足之处在所难免，欢迎广大读者批评指出。最后，衷心感谢家人们一直以来的支持和鼓励，也衷心感谢在学习和工作中给予大力帮助和支持的前辈和同事们。 著者 2022.5.4

目录 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 非线性光学的研究现状 2 1.3 非线性光学的理论基础 3 1.3.1 二阶非线性极化现象 3 1.3.2 二阶非线性极化系数的简化 5 1.3.3 非线性介质中的耦合波方程 7 1.4 相位匹配 10 1.5 本书内容与结构安排 13 本章参考文献 13 第2章 1560nm倍频780nm单频激光的实现 15 2.1 引言 15 2.2 单次穿过周期极化铌酸锂晶体和周期极化磷酸氧钛钾晶体倍频 16 2.3 单次穿过掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体倍频 27 2.3.1 掺氧化镁周期极化铌酸锂的光学非均匀性 27 2.3.2 单次（双次）穿过掺氧化镁周期极化铌酸锂级联晶体倍频 30 2.4 外腔谐振倍频 33 2.4.1 光学ABCD矩阵介绍 33 2.4.2 腔设计的先行条件——稳区的计算 39 2.4.3 环形腔的设计 50 2.5 倍频实验系统 54 2.6 铷原子饱和吸收谱 58 2.7 本章小结 63 本章参考文献 63 第3章 单共振和频产生1560nm三次谐波520nm单频激光 67 3.1 引言 67 3.1.1 和频的研究意义和应用背景 67 3.1.2 和频生成的概念及原理 69 3.1.3 周期极化磷酸氧钛钾晶体的结构及其光谱特性 73 3.2 锁腔技术介绍 75 3.2.1 锁相放大器锁频法 75 3.2.2 边带锁频法 80 3.2.3 偏振谱锁频法 86 3.2.4 本书实验锁腔方案的确定 89 3.3 单共振和频理论计算 90 3.4 520nm单频激光的实现 93 3.4.1 不同偏振态的入射光束在不同入射角下的平面镜反射率变化 94 3.4.2 实验装置和实验结果 97 3.5 本章小结 99 本章参考文献 99 第4章 520nm激光泵浦的1560nm+780nm双共振光学参量振荡器 103 4.1 引言 103 4.2 DROPO过程的理论分析 105 4.2.1 DROPO的阈值 105 4.2.2 阈值以上DROPO信号光和闲置光的输出功率 108 4.2.3 DROPO下转换光场的调谐 110 4.3 实验装置和实验结果 113 4.4 本章小结 116 本章参考文献 116 第5章 光通信波段激光测速的应用 120 5.1 基于共焦法布里?珀罗腔的双频激光多普勒测速 120 5.1.1 激光多普勒测速的背景和意义 120 5.1.2 单频激光多普勒测速原理 121 5.1.3 基于共焦法布里?珀罗腔的双频测速方案 131 5.1.4 具体实验方案和结果 141 5.2 基于互补金属氧化物半导体的粗糙曲面散斑分离的激光多普勒测速 143 5.2.1 散斑表面面型测量的意义和研究动态 143 5.2.2 散斑现象的物理背景和数学解释 146 5.2.3 散斑现象的数学描述（随机行走）及理论仿真 148 5.2.4 散斑测速的两种应用方案 157 5.2.5 散斑分离及测量方案 166 5.2.6 仿真计算结果 169 本章参考文献 173 第6章 总结与展望 178 附录 180 附录A 三镜腔腰斑尺寸随腔镜距离的变换程序 180 附录B 腔内腰斑尺寸（距离）随腔前入射激光腰斑尺寸（距离）的变换程序 181 附录C 二维粗糙表面程序（以8?m粗糙度为例，其余粗糙度对应的 程序类似） 182 附录D 观察面上的散斑强度程序 182 附录E 单个及多个散射信号叠加之振幅?频率谱仿真程序 183 附录F 基于CMOS分离散斑和传统激光多普勒分别所得多普勒信号 振幅谱程序 185