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。

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
3.4520nm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
4.2DROPO过程的理论分析105
4.2.1DROPO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
4.2.3DROPO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8μm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