1.2　非线性光学的研究现状

1961年，Franken等人首次发现光学非线性现象，之后非线性光学便作为现代光学的一门独立的分支蓬勃发展。此后不久，Giordmaine、Maker等人揭示了光波混频过程中光波色散关系对于获得最大二次谐波的必要性，这一具有里程碑式意义的发现就是著名的光学参量相位匹配关系。1962年，Armstrong等人发表了Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric一文，奠定了光波与物质非线性光学作用的理论基石。

此后50年，伴随新型非线性材料的发展，以及高功率激光的逐步实现，非线性光学的发展远远超出当初先驱们的预料，已经成为一门研究和应用极为广泛的学科。非线性光学器件可以在许多现代实验室中看到，在材料科学、光谱学及生物医药等诸多领域均有着不可替代的地位。

近代物理实验中，非线性光学变频技术已经成为获得新的激光波长的有力工具。早在1992年，美国加州理工学院Ou等人采用一块α切割的10mm磷酸氧钛钾晶体用于波长为1.08μm的Nd：YAlO3激光器倍频，得到560mW的0.54μm二次谐波输出功率，直接光光转换效率高达80%。西班牙Kumar研究小组将三块长度均为30mm的掺氧化镁周期极化钽酸锂晶体（MgO：PPLT）做级联单次穿过倍频，在11W 1064nm单频掺镱光纤激光器基波功率输入下，获得超过6W的532nm的绿光激光，非线性转换效率高达55.5%。澳大利亚Sane研究小组利用1560nm光纤激光器作为泵浦源，经二阶非线性倍频，在30W的基波作用下，获得高达11W的窄线宽780nm激光。2012年，美国斯坦福大学Chiow等人采用两个独立的光纤放大器进行激光相干合成，经两块级联的周期极化铌酸锂（PPLN）晶体倍频，获得峰值功率高达43W的780nm倍频激光，高功率的780nm激光光源可用于铷原子相关实验中。非线性和频技术进一步扩大了人们可获得波长范围，采用两束波长分别为1064nm和1319nm的红外激光，经光学非线性晶体和频作用可以得到适于钠原子冷却与俘获的589nm黄光激光。2004年，来自日本庆应义塾尖端科学技术实验室的Sakuma等人采用布鲁斯特角切割的CsLiB6O10晶体混频1.9W的266nm和内腔循环功率达190W的1064nm激光，首次获得106mW的213nm深紫外激光，相对于266nm基波激光，非线性转换效率达6.8%，为深紫外激光在激光光刻、医药科学等领域的应用提供了便利。基于二阶非线性光频率下转换的光学参量振荡器（OPO），为可调谐激光光源提供了更宽的激光波长调谐范围。1998年，来自日本的Tsunekane研究小组，采用非线性掺氧化镁周期极化铌酸锂（MgO：PPLN）晶体并工作于阈值以上的双共振光学参量振荡器，实现了输出光从788nm到1640nm的大范围波长连续调谐。

此外，在量子信息方面，量子纠缠光同样在各类量子通信任务中扮演关键角色，如量子传送、量子密集编码、量子密码学和量子中继器等领域。频率非简并的紧凑稳定的双色纠缠光源可以作为不同节点间的量子通道，并完成信息的存储和传送。近年来，基于各类腔内的二阶非线性过程，人们已经在实验上成功制备了双色甚至三色连续变量纠缠态。2005年，来自巴西圣保罗大学的A.S.Villar研究小组首次测量到了运转于光学参量振荡（OPO）阈值以上、基于磷酸氧钛钾晶体二阶非线性效应所产生的频率非简并下转换纠缠光场。2012年，山西大学光电研究所彭堃墀院士研究小组采用级联的非简并光学参量振荡器（OPO），在实验上制备了852nm、1550nm和1440nm三色非简并纠缠光束，该三色纠缠态适用于量子信息网络中原子存储单元和长距离的光纤信息传送。此外，在量子计量中，采用非经典压缩态光场还可以提高测量装置的精度。2015年，德国的Baune等人采用1550nm通信波段压缩真空光场和810nm激光在周期极化磷酸氧钛钾晶体中做和频转换，得到低于散粒噪声5.5dB的532nm强压缩真空光，并首次演示了基于频率上转换过程（和频）所得到的量子光场对于提高马赫-曾德尔（Mach-Zehnder，M-Z）干涉仪灵敏度的作用。