本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中，高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型，定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型，理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下，重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率，在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下，在分析频率3 MHz处，直接测得光功率为200 μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB，表明在本文实验系统中，高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。

通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先，通过优化实验系统工作参数，提升反馈控制回路的锁定稳定性，当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时，在分析频率为3 MHz处，获得光功率为200 μW、压缩度为（-10.7±0.2）dB的明亮压缩态光场。然后，根据实验数据，定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗，发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为（9±0.05）%，其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为（5.8±0.05）%，占总光学损耗的（64.4±0.05）%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为（6.0±0.05）×10^-2 cm^-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10^-4 cm^-1。由此可知，当高功率种子光注入光学参量放大器时，绿光诱导红外吸收效应使周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收系数增加了285倍，使内腔损耗成为高功率明亮压缩态光场压缩度的主要影响因素。

基于掺氧化镁铌酸锂晶体,采用临界相位匹配技术以及半整块腔型结构进行外腔倍频实验并制备了532 nm激光。对热透镜效应引起的倍频腔模式失配进行了理论分析。在较高基频光注入倍频腔时,通过重新进行模式匹配,缓解了模式失配对倍频转换效率的影响,最终可实现最大倍频转换效率为(49.3±0.45)%的倍频过程,对应输出功率为567.0 mW。通过模式清洁器改善了输出532 nm激光的光束质量并有效降低了其强度噪声,最终实现了输出功率为470 mW、光束质量因子为1.05的低噪声532 nm激光,其在分析频率1.65 MHz处达到散粒噪声极限。此倍频系统结构紧凑,输出功率稳定,可为集成量子压缩光源提供有效泵浦光场,在量子精密测量以及量子信息科学等领域中发挥重要作用。

采用自零拍探测法和分析腔转换法,分别对适用于音频段压缩态光场制备的全固态单频激光器和光纤激光器的正交分量噪声进行了对比分析。结果表明,1064 nm全固态单频激光器的正交振幅噪声和正交相位噪声分别在分析频率大于1.5 MHz和5 MHz之后即达到散粒噪声基准,光纤激光器在测量带宽范围内均高于散粒噪声基准。采用半导体放大器(SOA) 降噪系统后,光纤激光器的低频段(<620 kHz)正交振幅噪声小于全固态单频激光器。本研究结果为低频段压缩态光场的研究提供了单频光源选择方案;SOA降噪系统可有效抑制低频段激光的正交分量噪声,为音频段压缩态光场的制备提供了依据。

研究了高压缩度压缩态光场制备中高斯光束的空间模式匹配问题。研究结果表明, 对于较小的目标腰斑, 注入光的腰斑位置和大小的允许偏移范围较小, 且模式匹配效率受腰斑位置偏离度的影响大, 而对于大腰斑, 情况则相反。此外, 激光光斑的椭圆率和像散、非线性晶体的热效应均会导致模式匹配效率下降。非对称结构的腔型可以扩大与光学参量腔匹配的激光束腰斑位置所允许的偏移范围, 更易实现高的模式匹配效率。

采用自制的795 nm 连续单频可调谐钛宝石激光器抽运周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体，通过外腔谐振倍频技术获得了功率为103 mW，倍频转换效率为39.6%、光束质量因子M2<1.43 的397.5 nm 紫光输出；与角度匹配的三硼酸铋(BIBO)晶体内腔倍频情况相比，紫光与光学参量放大器(OPA)的模式匹配效率由76%提高到了99%以上。同时，在平衡零拍探测系统中，通过在本底光光路中插入与OPA 腔型相同的模式清洁器，使得本底光与信号光的空间模式完全相同，从而将两束光的干涉效率提高到了99%以上，提高了平衡零拍系统的探测效率。通过对自制的795 nm 和397.5 nm 单频激光系统的优化设计，使该光源满足了小型化795 nm 连续变量压缩源样机研制的要求。

通过理论分析和实验讨论了内腔倍频Nd:YAP/KTP单频激光器的强度噪声特性，并通过减小输出耦合镜对1080 nm基频光的透射率和优化谐振腔参数等办法，使基频光在环形谐振腔内的损耗降低为0.9%，从而减小了真空起伏引入的强度噪声。在输出耦合镜对1080 nm基频光透射率为0.2%时，获得了最高输出功率为420/60 mW的540/1080 nm双波长输出单频激光器，其强度噪声在1.5 MHz之后达到散粒噪声极限。

实验上比较了808 nm和888 nm波长半导体激光器抽运时， Nd:YVO4内腔倍频单频激光器的最高输出功率和光-光转换效率，以及Nd:YVO4晶体热效应的差异。结果表明，888 nm直接抽运是提升高功率激光器性能的有效途径。鉴于888 nm激光抽运时吸收效率和无辐射跃迁过程之间的矛盾，从理论和实验上分析了掺杂浓度对单频激光器性能的影响。理论和实验结果均表明，采用掺杂浓度为0.8%(原子数分数)的Nd:YVO4晶体是实现高功率单频Nd:YVO4激光器的最佳选择。最终，通过采用888 nm波长半导体激光器抽运掺杂浓度为0.8%的Nd:YVO4增益介质，实现了最高功率为21.5 W的532 nm单频激光输出，光-光转换效率为31.6%。