研究了在高抽运功率下，单共振光学参量振荡器（SRO）腔型对其输出特性的影响。在理论分析的基础上，实验搭建了基于掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂（MgO∶PPLN）晶体的两镜驻波腔和四镜环形腔SRO。驻波腔SRO的阈值抽运功率为3.2 W，当抽运光功率为14.2 W时，信号光和闲频光功率分别为5.2 W和2.2 W。当抽运光功率大于15 W时，驻波腔SRO输出功率的实测值随抽运光功率的增大而减小，与理论预测偏差较大。环形腔SRO的阈值抽运功率为7.2 W，当抽运光功率为25 W时，信号光和闲频光功率分别为8.1 W和3.6 W。环形腔SRO输出功率的实测值和理论预测基本一致。驻波腔及环形腔SRO输出的信号光在2 h内的功率波动分别优于±2.76%和±2.53%，驻波腔及环形腔SRO输出的闲频光在2 h内的功率波动分别优于±1.24%和±1.19%。驻波腔及环形腔SRO输出信号光的长期频率漂移分别优于±40 MHz及±28 MHz。

报道了一台基于掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体的1560 nm激光外腔谐振倍频器。理论分析了MgO∶PPLN晶体的极化周期容差、吸收损耗以及热透镜效应导致的倍频腔模式匹配效率变化对外腔谐振倍频效率的影响，实验搭建了由国产的MgO∶PPLN晶体和反射腔镜构成的外腔谐振倍频腔，实验研究了不同长度的MgO∶PPLN晶体对外腔谐振倍频效率的影响，并设计出小型化外腔谐振倍频器。利用长度为10 mm的MgO∶PPLN倍频晶体，控制MgO∶PPLN晶体的温度为53.45 ℃，注入功率为1.7 W的1560 nm基频光，此时最佳谐振倍频效率达84.1%，倍频激光在3 h内的输出功率稳定性优于±0.17%。所研制的小型化稳定输出780 nm激光的外腔谐振倍频器可用于1560 nm非经典光场的制备和基于铷原子的量子存储研究。

本文设计并搭建了一套激励光和超声探测器对向共轴共焦的具备亚细胞尺度成像分辨率和毫米级成像深度的光学分辨率光声显微成像（OR-PAM：Optical-resolution photoacoustic microscopy）系统。与基于多纵模脉冲激光激励的光声成像系统相比，使用自制的单纵模纳秒532 nm 脉冲激励光源，将光声探测的信号强度提高了1.35 倍，测得成像系统的轴向分辨率为18 m，横向分辨率为8 m，成像深度为1:54 mm，成像深度-横向空间分辨率比达192.5。利用研制的OR-PAM 系统对嵌有碳纤维丝的仿体样品以及活体小鼠的耳朵进行成像，获得了高分辨率的图像。

针对用于光声成像的光纤法珀腔传感器, 建立了考虑光电探测器的暗电流噪声和热噪声、探针光源的相对强度噪声和相位噪声的光纤法珀腔传感器的测声信噪比理论模型。理论分析讨论了法珀腔镀膜反射率、法珀腔长、压敏薄膜的厚度和有效半径等参数对光纤法珀腔传感器的测量灵敏度和信噪比的影响, 为光纤法珀腔光声传感器的研制和性能优化提供了理论依据。

本文利用简并光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.5 μm压缩真空态光场, 压缩度为(5.03±0.13) dB。将已制备的1.5 μm压缩真空态光场和同频率本地振荡光采用偏振复用的方式耦合注入单模光纤中进行传输, 在理论和实验上研究了压缩真空态光场在光纤信道传输过程中经典和量子特性的演化, 并讨论了本地振荡光在光纤信道中引起的声导波布里渊散射对传输过程的压缩真空态光场影响。实验测量了1.5 μm压缩真空态光场在单模光纤中传输距离为8 km时, 压缩度为0.14 dB, 压缩特性仍得到保持。该研究为实现基于光纤的城域量子信息网络等奠定基础。

报道了一台激光二极管双端端面偏振抽运的低噪声单向行波环形腔连续波单频Er,Yb∶YAB 1.5 μm激光器。通过精确测量蓝宝石-Er,Yb∶YAB-蓝宝石薄片和铋铁石榴石磁光晶体的热透镜焦距,采用双端面、长聚焦、偏振选择的抽运结构,通过提高可注入的抽运功率、降低激光晶体的热效应,首次实现了基于单向行波环形腔单纵模选择技术的全固态连续波单频1.5 μm激光运转。连续波单频1.5 μm激光输出功率达755 mW,2 h内的功率波动小于±1.2%,激光的强度噪声在分析频率大于5 MHz的范围内达到散粒噪声极限。

高功率低噪声全固态连续波单频激光器在量子科学与技术、冷原子物理、高精度精密测量以及光学传感等领域有着广泛的应用。为了满足应用需求,在泵浦功率增大的条件下,需克服激光晶体热效应的影响,提高激光器输出功率,同时保持单频输出特性和光束质量不变,降低激光器在低频段的强度噪声并扩展激光器的输出波长等。针对这些关键问题,本课题组开展了原理研究和器件设计,研制出一系列具有不同输出波长的高功率低噪声全固态连续波无跳模单频激光器。总结和介绍了本课题组在高功率低噪声全固态连续波无跳模单频激光器方面的研究进展,并展望了单频激光器的发展趋势。

本文设计了马赫-曾德尔干涉仪(MZI)在实验上改善1.5 μm光纤激光器的输出性能,研究了MZI分束镜的反射率以及锁定MZI透过率对抑制激光输出噪声的影响。在MZI运转于最佳状态时,1.5 μm光纤激光器的功率稳定性由±0.20％提升至±0.09％,激光的强度噪声在10 kHz~35 kHz分析频率范围内得到了抑制,在分析频率为15 kHz处,强度噪声降低了约8 dB,为制备1.5 μm非经典光场提供了优质激光光源。

理论研究了LD端面泵浦全固态连续单纵模3 μm激光器的输出特性。基于对Er:YAG激光器的能量过程的分析,建立了考虑晶体热效应影响的速率方程模型,讨论了晶体控温温度、掺杂浓度、晶体长度、泵浦-振荡激光模式匹配比率、输出镜透射率、单向器插入损耗等参数对连续单纵模3 μm激光输出特性的影响,为高功率连续单纵模3 μm激光光源的设计和优化提供了理论依据。

研制出一台全固态低噪声连续单频Nd∶YVO₄-LBO双波长激光器,通过优化三硼酸锂(LBO)的匹配温度,获得了波长为1.06 μm的激光功率为3.8 W、波长为532 nm的激光功率为7.8 W的连续单频双波长激光输出,并有效降低双波长激光的强度噪声和相位噪声。实测的1.06 μm和532 nm波长激光的强度噪声均在分析频率大于3.5 MHz时达到散粒噪声极限,相位噪声均在分析频率大于5 MHz时达到散粒噪声极限。当采用Pound-Drever-Hall锁腔技术锁定激光器的腔长时,1.06 μm波长激光在1 h内的频率漂移小于±0.8 MHz。实测的1.06 μm和532 nm波长激光在5 h内的功率波动分别小于±0.63%和±0.47%,光束质量因子分别为1.04和1.12。