二阶非线性光学参量过程的上转换和下转换过程是扩展激光波长范围的一种手段, 其中上转换过程中的倍频与和频可以有效产生短波长激光。本文提出利用1 438.9 nm的基频光场注入内置一块单周期结构的极化铌酸锂晶体(PPLN)的双端光学腔, 在极化晶体的同一周期内, 产生719.45 nm的二倍频光场和479.63 nm的三倍频光场, 得到的两束光场分别从双端倍频腔两端输出。研究设计了晶体的周期结构, 使得二倍频和三倍频的两个非线性光学过程在PPLN晶体的同一极化周期内同时性满足准相位匹配条件, 实现二倍频和三倍频光场同时产生。并计算分析晶体极化周期, 基频光波长和温度三个参数之间的关系, 得到的结论可为单激光在单周期结构极化晶体中产生双波长激光提供理论参考价值。

中层顶区域（80~110 km）的大气探测具有重要的科研和应用价值。长期以来，由于传统探测手段的限制，该区域一直是人类了解相对较少的大气层区域，存在着由流星注入产生的大气金属层。由于金属原子、离子共振荧光散射的散射截面比瑞利散射、拉曼散射大得多，其可以被激光雷达探测到。半个世纪以来，利用原子、离子特定波长的跃迁光谱，向高空大气发射特定波长的激光，并结合遥感技术，开展了大气金属层探测，这些金属原子、离子是大气波动极好的示踪物，可获得大气原子数密度、温度、风场等参量。近年来，随着热层金属层不断被发现，大气金属层的高度范围逐渐拓展，金属层研究又受到人们的极大关注。本文以作者团队及合作者的工作为基础，以大气金属层激光雷达采用的激光器发展历程为主线，介绍了地基激光雷达对大气金属层探测研究的发展过程以及国内外研究现状与发展趋势。

基于非线性频率上转换的太赫兹波探测技术具有灵敏度高、响应速度快、可室温操作等优点,现有理论研究中仅考虑了差频转换或和频转换,而这与实验中观察到的二者共存的物理现实并不一致。本文提出了在非线性频率转换过程中差频与和频共存时的理论方程,并以DAST晶体为例模拟分析了不同晶体厚度及泵浦强度下的太赫兹波探测情况。理论计算表明:和频、差频共存下各波变化趋势与单差频或单和频情况有所不同;和频过程的存在会降低差频过程的效率,若只考虑差频,则结果将有所偏差。在特定实验条件下,同时利用差频光与和频光,总信号输出强度更大,其探测效率高于单差频的情况;存在一个最佳的晶体厚度,使得总信号输出最强。进一步计算表明,基于非线性频率上转换的太赫兹单光子探测有可能实现。

相位测量和频振动光谱(SFG)可以获得物质表面分子取向等信息, 但在实验重复性、 实验设计和界面分析等方面仍有一些关键问题没有解决。 相位误差会引起光谱变化并误导界面结构分析, 因此分析并准确控制误差是相位测量SFG的关键技术。 使用z-切石英作为相位标准, 测量了修饰在熔融石英基底上的十八烷基三氯硅烷(OTS)在C—H振动波段的和频振动光谱, 对OTS的相位光谱进行了解析, 结果表明OTS虚部光谱中, 2 878和2 936 cm-1处的两个正峰分别是末端CH3的对称振动(CH3ss)和费米共振(CH3FR), 2 960 cm-1处的负峰为CH3的反对称伸缩振动(CH3as), 这三个峰的光谱特征和指认与文献一致。 2 910 cm-1附近的负峰为CH2反对称伸缩(CH2as), 与文献比较, 约有20 cm-1的偏移, 且在2 850 cm-1附近还观察到一个负峰, 归属为CH2对称伸缩(CH2ss), 分析认为与文献的差异可能是因为样品制备时间影响了OTS的分子排列结构。 通过建立OTS虚部谱与CH3取向角的关系, 发现CH3的三种振动模式的c轴与表面法线的夹角均小于90°, 其H更多为向上取向且排列有序, 表明相位测量相较于强度测量可以获得更丰富的表面信息。 同时, 讨论了待测样品和参考样品位置的非一致性对相位测量精度的影响。 通过测量OTS在三个不同位置(12.1, 12.3和12.73 mm)的虚部谱, 并与模拟相位误差的引入对虚部谱的影响对比, 发现待测样品与参考样品测量位置间2.5 μm的位移对应于1°的相位误差, 20°相位的偏移会导致零点位置移动约6 cm-1, 从而引起振动峰位置和符号等的改变, 导致对光谱的错误解析。 为了获得界面分子稳定可靠的相位信息, 需要严格控制两次样品测量位置一致。 实验研究结果为提高和频振动光谱相位测量的精度与准确性提供了指导, 为界面分子表面态的检测与分析、 及微小信号的探测提供了有效手段。

宽谱黄-橙激光是生物医学领域中重要的荧光光源。基于周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO∶PPLN)的宽带准相位匹配技术,提出了一种基于变迹步进啁啾MgO∶PPLN的建模方案。在啁啾MgO∶PPLN中实现了C波段(1525~1565 nm)和波长为980 nm激光的宽带和频,通过遗传算法对变迹率和啁啾周期范围增量进行了数值优化,在波长为600 nm附近获得了转换效率约为-11 dB、带顶波动为0.047 dB、带宽为6 nm的光谱输出,提供了一种高转换效率、小带顶波动的宽谱黄-橙全固态激光输出方案。

受激拉曼散射是获得新型波长激光的重要变频手段。腔内拉曼激光同时存在着基频光和多阶斯托克斯光,为通过二阶非线性光学变频获得多种可见光波长激光提供了基础,可满足一些领域对多种波长激光的应用需求,在激光医疗、激光显示、光谱成像和生物光子学等领域具有重要应用。钒酸盐晶体具有优异的受激拉曼散射特性,是钕离子激光驱动的重要固体拉曼增益介质。简要介绍了钒酸盐晶体拉曼光谱特性以及相关拉曼激光研究现状,随后对近年来拉曼倍频与和频激光的研究进展进行了总结,并对基于拉曼选择性混频实现可见光波段可选激光技术的发展及应用前景作了简要分析。