光通信波段激光频率环的实现及测速应用

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。

郭善龙，男，1984年7月出生，山西太原人。2015年7月毕业于山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室毕业，获博士学位。现为太原科技大学物理系副教授。主要从事非线性激光和激光精密检测方面的科研工作。曾主持国家自然科学基金1项、参与完成重量项目3项。目前发表SCI论文10余篇。

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