空间相干激光通信和激光雷达在未来军事空间领域拥有巨大的发展潜力。为了发展适合于各种卫星平台应用的高码率、小型化、轻量化和低功耗的激光通信和探测终端,必须开展空间三维光学集成器件的研究。本课题组依托中国科学院空间激光通信及检验技术重点实验室,开展了主要针对铌酸锂晶体三维光学集成的基础研究。　　 铌酸锂(LiNbO3)晶体因具有易于生长,尺寸大,物理化学性能稳定,易于掺杂,显著的双折射、光折变效应、光伏、热电、压电、电光、光弹和声光等优点,成为体效应和三维光学集成器件的首选研究对象。目前铌酸锂晶体体效应的研究主要有:晶体微结构控制和人工微结构调制两种方式。本论文一方面利用铌酸锂晶体本身存在的自发极化制备周期结构反转畴实现对晶体微结构的控制,另一方面利用双光束耦合写入光折变体全息光栅的方式实现铌酸锂晶体人工微结构调制。　　 铌酸锂晶体铁电畴工程(Ferroelectric Domain Engineering)通过在微观尺度上对铁电畴结构进行调制,实现铁电畴的周期极化,从而广泛应用于准相位匹配非线性光学和新型集成光学器件等诸多重要领域,已经成为近年来铁电研究的热点和重点。激光诱导畴反转能够为进一步制作较大纵向厚度和更小周期的周期极化铌酸锂提供新的途径。激光诱导畴反转是通过激光和铁电晶体之间复杂的相互作用,在较低的均匀外电场下通过激光辐照使晶体在特定区域发生可控畴反转,实现单块晶体的光学集成。铌酸锂晶体是铁电畴工程中应用最为广泛的材料。随着对周期畴的尺寸要求越来越小、精度要求越来越高,深入研究激光诱导畴反转周期极化过程中反转畴的成核及生长过程,畴反转的新机理,实验方案的优化等基本问题,对于控制周期性反转畴的生长过程,制备尺度更小的亚微米周期畴结构具有重要的意义。应用数字全息干涉术研究激光诱导铌酸锂晶体畴反转动态物理机制目前在国际上尚无报道。在此基础上,本论文进一步深入研究了激光诱导铌酸锂晶体畴核形成和生长的微观动态物理机制,研究了激光诱导掺铪同成分铌酸锂晶体优先畴成核、诱导光偏振态对激光诱导掺杂铌酸锂晶体畴反转的影响和变化的微观动态物理机制等相关方面,不仅为激光诱导晶体铁电畴工程的优化提供重要信息,而且为激光诱导铌酸锂晶体优先畴成核机制的研究提供重要的实验依据。　　 基于晶体光折变效应形成的体全息光栅由于记录全息的可选择性、可擦除性、灵敏的角度和波长选择性等优点,可以用于制作波分复用器件、光耦合器件和波长转换器件等,从而在光通信、集成光学以及光存储等领域有着广泛的应用。近年来,随着光通信和全光网络的迅速发展,光学器件与系统的微型化和集成化已经成为一种发展趋势,在一块晶体中空间选择性地记录边界清晰的局域体全息构成三维集成系统,可以实现单块晶体的光学集成。局域光折变体全息光栅在三维微结构光学集成方面发挥独特的优势,关于它的光折变形成机制的研究已成为当前重要的研究课题。但光折变全息在实际应用中一直存在读出擦除效应(即挥发性)、衍射效率低等关键问题。因此,提高衍射效率仍然是非挥发性光折变体全息光栅很重要的优化方向,具有重要的科学意义和应用价值。鉴于此,本论文采用记录后热固定、原记录光路显影的方法,结合最佳记录-热固定切换方案,研究不同记录光波长下,两束相干光写入稳态相位栅的记录、热固定衍射效率的变化,从而优化出最佳记录波长,目前在国际上尚无报道。　　 相干光通信终端是发展空间相干激光通信和激光雷达的有效技术途径。光学桥接器是相干光通信终端的光学核心器件。高接收灵敏度的相干探测需要使用具有结构简单紧凑,性能稳定可靠,损耗小等优点的光学桥接器。我们实现了适合相干通信使用的集成结构的基于双折射晶体的自由空间2×490°桥接器。　　 本论文研究内容分以下三个方面:　　 1.在国际上首次发展了数字全息干涉术研究激光诱导铌酸锂晶体畴反转的动态特性,突出数字全息干涉术在实现高分辨率的激光诱导铌酸锂晶体畴反转二维和三维位相测量方面的优势,实现无接触和无破坏的高精度位相检测,实现对诱导过程中畴核生长和畴壁运动的实时精确观测,在实验分析的基础上建立理论模型,科学反映了激光诱导过程中畴核和畴壁微观动态物理机制,最终探索了应用数字全息干涉术实现激光诱导铌酸锂晶体畴反转的优化。　　 2.首次提出在单掺杂铌酸锂晶体热固定过程中,结合最佳记录/固定切换方案,进行记录波长优化的理论和实验研究。理论预测了通过优化记录波长,掺铁铌酸锂晶体中进行全息记录/热固定可以获得100%的固定衍射效率。实验采用记录后热固定、原记录光路显影的方法,首次结合最佳记录/热固定切换方案,对两束相干光写入稳态相位栅的记录、热固定衍射效率进行了测量,实验分析和对比了三种不同波长(633nm,514nm和488nm)记录光的记录/热固定衍射效率。研究结果表明,满足布拉格匹配的相同实验条件下,波长488nm的蓝光为获得热固定高衍射效率的最佳记录波长,与理论预期相吻合　　 3.首次实现了集成结构的基于双折射晶体的自由空间2×490°光学桥接器,利用琼斯矩阵对原理进行了数学分析,首次采用外差测量方法对光学桥接器进行简单、精确的快速校准,成功实现90°相移四通道合成光束输出,测试结果表明晶体双折射自由空间2×490°光学桥接器结构简单、运行正确、稳定有效,并给出了相位补偿和进一步优化的方案。