液态水是世界上最常见的物质，却具有复杂的分子网络结构以及超快的演化过程。迄今为止，我们对水的了解仍然不全面。长期以来，用液态水来产生或探测太赫兹波一直被认为是不可能的，主要原因是极性液体，尤其是液态水，表现出对太赫兹波的强吸收，阻碍了太赫兹液体光子学的发展。与其他物质状态相比，液体具有许多独特的性质。具体来说，液体的材料密度与固体相当，这意味着与激光脉冲相互作用的分子数量比气体多3个数量级。与固体相比，液体的流动性允许每个激光脉冲入射到介质的新区域，即使使用高重复率激光脉冲，材料损伤阈值也不是问题。液体的引入加深了目前对高能量密度等离子体、激光与物质相互作用过程中电离粒子的超快动力学的理解。太赫兹液体光子学是近年来新兴的课题，它为研究人员从液体材料中获得太赫兹辐射提供了一种选择。这一跨学科、变革性的课题应该会推动太赫兹波传感和光谱技术的发展，并将对太赫兹科学产生重大影响，包括下一代液体源、探测器和系统的开发。

由于原子相干性可以增强光学非线性效应,基于原子系综的四波混频过程是产生压缩态和纠缠态的一项有前景的技术。光参量放大器中的相敏放大器的增益随输入信号相位的变化而变化,且相敏放大过程具有低噪声特性。因此,基于原子系综的相敏四波混频过程在实际应用中有着潜在的应用价值。本文介绍了基于原子系综的相敏四波混频过程的理论方案,概述了该系统输出光场的量子特性,综述了基于原子系综的相敏四波混频过程在实验上的应用,包括在双模相敏放大器中利用干涉诱导增强了量子压缩,对双模相敏放大器的相位进行操纵以实现两种类型的纠缠,以及用直接强度探测法测量明亮注入SU(1,1)干涉仪的相位灵敏度。

为了探究四波混频非线性过程对高功率掺镱光纤激光光谱展宽特性的影响, 采用纤芯和内包层直径分别为20 μm和400 μm的掺镱光纤作为增益介质, 基于四波混频非线性过程建立掺镱光纤激光光谱分析模型, 分析了抽运功率、抽运波长、中心波长和注入模式数参数变化对掺镱光纤激光光谱展宽特性的影响, 得到了1080 nm激光的输出光功率谱以及输出激光线宽随各参数变化的曲线。结果表明, 四波混频非线性过程中, 抽运功率的增大会导致掺镱光纤激光输出光谱线宽展宽; 不同抽运波长抽运的输出光谱线宽展宽速率不同; 不同中心波长的输出激光光谱展宽程度相近; 掺镱光纤激光光谱线宽随着注入模式数增加逐渐展宽。该分析结果为掺镱光纤激光光谱展宽特性研究提供了理论支持, 对高功率光纤激光的工程应用有一定的参考意义。

为提高光载无线(radio over fiber, ROF)中光生毫米波的倍频系数及降低系统的复杂度, 提出了一种基于级联双驱动马赫曾德尔调制器(dual-drive Mach-Zehnder modulator, DMZM)与高非线性光纤(highly nonlinear fiber, HNLF)相结合的24倍频毫米波光载无线通信系统; 通过调节参数使两个调制器均工作在最大偏置点, 产生频谱纯净的四阶光边带, 采用单边带调制的方式将数据信号加载到4阶边带而后两边带耦合传输, 经过HNLF的四波混频效应后滤波得到12阶光边带, 最终由光电探测器(photo detector, PD)拍频生成高质量的24倍频毫米波信号。此外, 分析了HNLF的长度、入纤光功率以及标准线性光纤对系统性能的影响, 仿真结果表明, 当系统处于无差错传输时, 背靠背(back-to-back, BTB)传输与经30 km光纤传输后的功率代价为2.5 dB。该方案结构简单、成本低廉、倍频系数高, 为微波光子学的发展提供了一种新途径。

由于液体（尤其是液态水）对太赫兹波的强吸收，以液体为介质的太赫兹波产生和探测长期以来被认为是无法实现的。本文综述了基于液体的太赫兹相干探测方法，此方法能在更低的探测激光能量下实现更高的探测灵敏度，可以解决目前基于固体和空气的探测方法遇到的探测频带受限、探测激光能量过高的问题。该探测方法的工作机理被归结为飞秒激光与太赫兹波在液体等离子体中的四波混频过程，因此太赫兹波与探测激光、产生的二次谐波间的场强、偏振具有简单的依赖关系，这使得此方法具有良好的稳定性，并可用于太赫兹波偏振敏感光谱的检测。液态水对太赫兹波的强吸收限制了检测灵敏度的进一步提高，可以利用其他液体或溶液替代纯水来降低太赫兹波的吸收，提高探测灵敏度，这对于该探测方法的进一步推广具有重要意义。

研究了三腔复合光力系统中探测场的透射系数和四波混频现象。结果表明：改变两个光学腔之间的耦合强度，可以使光力诱导透明现象发生显著变化。此外，在共振情况下，通过控制两个光学腔之间的耦合强度并改变机械振子的频率，可以对四波混频谱进行调制。通过双场探测手段，利用四波混频谱中的尖峰位置，实现了机械振子振动频率的精确测量。

基于氮化硅的微腔是一种应用广泛的集成光学器件，不仅可以输出用于精密测距和光钟的光频梳，而且能够作为高效的片上量子光源。微腔中光频梳的稳定性是实际应用的重要条件。在理论和实验上研究了氮化硅微腔中光频梳的演化及热自稳定性。在微腔非线性过程和热动力学的基础上，分析了在不同功率和失谐的连续光泵浦下微腔中光频梳的梳态演化和热自稳定性。结果表明，可以通过精确控制微腔的泵浦功率和失谐量调节“图灵环”态的输出，同时微腔系统可通过功率和波长扰动导致的共振漂移补偿噪声的影响，实现稳定运转。该研究为基于微腔量子光源的实验提供了必要基础。

高精度的干涉仪在精密测量领域有着非常重要的作用。相位估计的不确定度通常用来判定一个干涉仪测量的精密程度，相位估计的不确定度越小意味着相位灵敏度越高。在理论上提出了由光学参量放大器和线性光学分束器（BS）组成的非线性干涉仪。基于热85Rb原子系综四波混频（FWM）过程的光学参量放大器用来实现干涉仪中光束的合成与分离。BS作为反馈控制器，通过控制器件的反射率，来控制FWM过程的出射光返回到入射光端口的比例。与传统干涉仪的相位灵敏度相比，通过理论计算证明了基于光学参量放大器反馈的非线性干涉仪相位灵敏度更高。本研究结果在量子精密测量领域有着潜在的研究价值。

基于中距相位共轭（OPC）结合色散管理的光纤非线性补偿方案，可满足OPC的传输对称性，改善非线性补偿效果，但是该方案用到了大量的反向色散光纤（IDF），不仅不便于对现有线路的升级改造，而且IDF尚未形成量产。采用色散补偿光纤（DCF）代替上述方案中的IDF，对两种方案（分别称为IDF方案和DCF方案）的非线性补偿性能进行了比较，详细考察了两种方案对信道内四波混频（IFWM）的补偿。通过数值计算发现，如果在DCF方案中采取非对称功率传输，则可获得接近于IDF方案的理想补偿效果。

量子-经典信号共纤传输技术对实用化量子保密通信网络建设具有重要意义。针对经典光在光纤信道中的拉曼散射（RS）、四波混频（FWM）以及交叉相位调制（XPM）等非线性效应对量子信号的噪声干扰，构建了量子-经典信号共纤传输连续变量量子密钥分发（CVQKD）系统的安全密钥率仿真模型，重点分析了经典光功率、信道间隔和探测方式对系统噪声和密钥率的影响。结果表明，在近距离传输时，FWM噪声占主导地位，在传输距离大于10 km时，XPM噪声大于RS和FWM噪声。系统总噪声与经典光功率正相关，与波分复用信道间隔反相关。零差和外差检测下，随着传输距离的增加，安全密钥率整体变化趋势接近，零差检测方式具有更大的极限传输距离。该研究工作可为实用化量子-经典信号共纤传输CVQKD系统的优化设计提供参考。