基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法, 在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源, 采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件, 实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明, 当PPLN晶体工作温度为99.5℃时, 闲频光的输出功率为112 μW, 差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃, 泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上, 分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。

研究周期极化磷化镓晶体(GaP)、砷化镓晶体(GaAs)和周期极化铌酸锂晶体(PPLN)准相位匹配级联差频产生太赫兹辐射, 相较于差频过程, 级联过程太赫兹辐射输出功率增大9.5倍。通过分析三波耦合方程, 计算并比较晶体的波矢失配量、极化周期和太赫兹功率, 结果显示, 基于GaP晶体产生的太赫兹功率略大于GaAs晶体输出的功率；GaAs晶体的极化周期最小；PPLN晶体的波矢失配量和极化周期取值范围最小, 而输出的太赫兹功率和转换效率最高。建立基于周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)准相位匹配原理的宽调谐激光系统, 分析吸收因子对输出太赫兹功率的影响, 计算级联差频峰值功率和转换效率。十五阶峰值功率3.72 MW, 泵浦光总能量到太赫兹辐射能量的转换效率是3.72%。

全光或门是全光逻辑信号处理中必不可少的一项基础技术, 以往采用周期性极化铌酸锂（PPLN）波导实现的全光或门的输出光波均是混频波。本文基于PPLN波导的和频+差频效应（SFG+DFG）, 在准相位匹配条件下, 通过三个PPLN波导的级联设计实现了单波长输出的全光或门。通过数值计算和仿真得到了信号波形和眼图, 并通过计算消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间分析了单波长全光或门的性能。结果表明, 本方案能很好地实现单波长输出的全光或门, 其输出光波能直接应用于光域, 从而改善光逻辑器件的衔接, 提高处理速度, 并为研发新型全光逻辑器件提供重要基础。

全光逻辑信号处理是光通信网络中的关键技术，对于实现全光网络具有重要意义。基于周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的和频效应+差频效应，在准相位匹配条件下，采用波导级联的方式设计并实现了全光数值比较器。通过数值计算和仿真得到波形图，并通过讨论眼图、脉冲宽度、消光比以及峰值功率延迟时间等指标分析了全光数值比较器的性能。结果表明，采用波导级联的方法对信号光进行处理，不仅可以完成相应的逻辑功能，而且可以保证信号的传输质量，还扩展了PPLN波导在全光逻辑信号处理方面的应用。

为了使计算系统具有低功耗和容错能力,基于可逆逻辑设计了一种容错的通用移位寄存器。 提出了一种新型的容错可逆逻辑门(Parity-preserving D flip- flop gate, PP- DFG), 利用它和存在的 容错门,完成了寄存器和多路数据选择器的设计。综合上述模块,构建了容错可逆的通用移位寄存器 电路,用Verilog 硬件描述语言建模,仿真显示电路逻辑结构正确。同现有电路相比,根据量子代价、 延迟和无用输出对其进行性能评估,结果表明该电路不仅具有容错功能,而且性能提高了16%～48%。 设计的电路可作为一种重要的存储元件应用于未来的低功耗计算系统。

基于周期极化铌酸锂波导，提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子，进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系，证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明，当上变换（和频产生）泵浦光功率为65 mW、下变换（差频产生）泵浦光功率为150 mW时，由1 550 nm到1 530 nm的单光子波长变换可达到61%的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置，包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统，差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源，采用PPLN晶体作为非线性混频器件，结合准相位匹配技术实现了3.2~3.7 μm中红外相干光源输出，最大差频输出功率约为1 μW.以CH4为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性，选择CH4分子3 028.751 cm－1 v3基频吸收线作为分析谱线，10 cm光程的检测限为0.8 ppm.光谱数据分析表明，系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.

室温工作的连续可调谐相干光源在痕量气体检测技术中有着重要应用价值,光学非线性变换是获得室温运转中红外相干光源的有效途径,是对传统激光技术的有效补充。研究了基于准相位匹配原理的差频激光系统的温度和信号光波长调谐特性,从准相位匹配技术的一般位相匹配关系出发,推导了PPLN晶体差频准相位匹配的温度和信号光波长匹配带宽解析表达式; 建立了基于PPLN晶体准相位匹配原理的宽调谐差频中红外激光系统,实现了3.2～3.7 μm中红外相干光输出,最大输出功率约为1 μW; 对系统温度和信号光波长调谐特性进行实验研究,并与理论结果进行了比较和分析。

以掺镱光纤激光器为抽运源、掺铒光纤激光器后接掺铒光纤放大器为信号源,利用周期极化掺镁铌酸锂晶体,研究了全光纤化差频产生中红外激光器的转换效率特性。结果表明,抽运光和信号光偏振态影响差频产生过程的转换效率,利用偏振控制器,可将抽运光和信号光偏振方向调节到与晶体光轴方向平行,以获得高的转换效率。抽运光和信号光的光束质量既影响差频产生过程的转换效率,又决定晶体纵向位置的容限,当聚焦系统由自聚焦透镜和焦距100 mm平凸透镜组成时,相对转换效率达0.717 mW-2,晶体纵向位置容限为44 mm。此外,差频光在3126.36～3529.6 nm范围内调谐时,转换效率基本保持不变。

围绕全光频率转换技术,简要叙述了基于PPLN波导二阶非线性效应实现的全光频率转换技术的原理及其在全光网中的应用,最后对其发展前景做了展望.