前言
二阶非线性光学效应在人类认识和应用激光的过程中发挥着重要的作用，作为扩展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，而且在激光显影、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1.5μm，闲置光0.78μm）。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
2022.12.1