光学频率转换技术,特别是基于二阶非线性光学效应的光频转换技术,对于扩展激光频率范围有重要的意义。基于此可以获得很宽频率范围的激光输出,覆盖紫外到远红外波段。随着光频转换技术的进一步发展,量子频率转换在1990年被提出（在保持量子态的前提下,将信号光子转换成不同频率的目标光子的过程）,将量子节点与光纤通信波段连接,从而可以构建量子网络。本论文中阐述了采用周期极化准相位匹配块状晶体及波导,在单次通过情形下实现铷原子D2线780 nm波长及铯原子D2线852 nm波长与光纤通信C波段的1560 nm波长之间的光频转换,特别是弱光乃至单光子水平的光频转换。实验基于日渐成熟的光纤放大器和周期极化准位相匹配块状晶体和波导。当前光纤通信市场发展迅猛,光纤通信C波段（1530 nm-1565nm）各类器件性能优良。基于此我们首先研究了780 nm激光（铷原子的5S1/2-5P3/2跃迁（D2线））的实验产生方法,并应用在852 nm激光（铯原子的6S1/2-6P3/2跃迁（D2线））的实验中。利用高功率1560 nm激光经单次通过非线性晶体实现了瓦级输出功率的780 nm激光;通过1560 nm激光与1878 nm激光和频可以实现852 nm激光输出。两者相结合可以同时生成780 nm和852 nm窄带宽可调谐单频激光,这对于铷铯原子冷却、俘获和操控实验有重要的应用前景。另外,该系统在铷铯原子光缔合形成Rb Cs分子和双组分原子干涉仪方面也有巨大的应用潜力。量子态传输是实现量子网络的关键。但是量子节点（比如碱金属原子系统）所发射光子的频率通常比光纤网络中飞行光子（比如光纤通信C波段）的频率高得多。因此,需要将量子节点经过量子频率下转换装置与光纤信道连接,使得信号可以低损耗长距离地传输。同样地,光纤信道中的光子经过量子频率上转换装置与量子节点连接,从而使信息可传递到下一节点中。这样就完成了信息从发射到传递最后接收的量子网络构型。而单光子级频率转换是实现量子频率转换不可或缺的一步,我们在实验上分别实现了1560 nm和852 nm双向单光子级频率转换。并分析选择不同泵浦光对实验中的噪声影响,通过选用窄带宽滤波器以及改变噪声光子偏振的方法有效提高信噪比。基于对铯原子D2线与光纤通信波段的单光子级频率转换的研究,可以实现铯原子节点之间通过低损耗光纤进行连接,并且可以扩展到其他类型的量子节点,为未来混合量子网络的实现奠定基础。接着通过换用周期极化铌酸锂（PPLN）波导提高转换效率,最终基于铯原子磁光阱,实现852 nm到1560 nm的准量子频率转换。本文中有特色的工作如下所述:1).利用1560 nm激光系统（1560 nm分布反馈激光二极管做种子源,掺铒光纤放大器对种子激光进行功率放大）,结合周期极化掺氧化镁铌酸锂（PPMg O:LN）晶体,采用单次通过晶体的方式,实现了高光束质量的窄线宽可调谐单频780 nm激光输出。当基频光功率达到14.2 W时,780 nm输出功率为2.4 W,倍频效率为17.2%,连续可调谐范围大于10 GHz。为了进一步提高转换效率,分别从级联双晶体与改变种子激光线宽两种方案入手,当基频光功率为13.2 W时,利用级联两块晶体的结构可以得到3.5 W的780 nm输出,最大倍频效率为26.8%,在分别利用线宽为1.2MHz（DFB）、200 k Hz（ECDL）和600 Hz（DFB-EDFL）三种激光器作种子源时,得到的倍频效率分别为11.0%、14.3%和16.6%;2).在上述倍频基础上做了扩展,采用非线性光学频率链,结合单次通过晶体和频的结构将1560 nm红外激光三倍频至520 nm绿光,并在选择不同和频晶体（周期极化钛氧磷酸钾（PPKTP）晶体,周期极化掺氧化镁坦酸锂（PPMg O:s LT）晶体）情况下,比较相应输出功率及效率。当倍频前的1560 nm激光功率为11.6 W时,使用PPKTP晶体可产生545 m W的520 nm激光输出;使用PPMg O:s LT晶体时,同样的条件可以产生350 m W的520 nm激光输出。520 nm绿光的连续调谐范围至少为9 GHz。基于PPKTP和双共振光参量振荡器（DROPO）,在特定的温度下获得下转换双色光场（信号光1560 nm,闲置光780 nm）。该系统可应用于铷原子量子存储与光纤量子信道相连接的远程量子信息传输;3).利用1560 nm激光系统（利用1560 nm分布反馈式激光器输出激光,并通过掺饵光纤放大器（EDFA）进行功率放大）和1878 nm激光系统（1878 nm分布反馈激光二极管做种子源,掺铥光纤放大器（Tm DFA）对种子激光进行功率放大）,结合PPMg O:LN晶体,采用单次通过晶体和频的方式,实现了高光束质量的窄线宽可调谐单频852 nm激光输出,并通过消色差的方法提高转换效率。最大可产生276 m W的和频光,和频效率为4.1%,连续调谐范围至少为9.2 GHz。最后通过声光调制器（AOM）将1560 nm激光斩波并衰减至单光子级脉冲光,模拟单光子级频率转换,分析噪声及信噪比。当1878 nm泵浦激光注入150 m W时,得到的信噪比为38.8,相应的转换效率为1.9%;4).实现了与上述相反的下转换过程,比较了选择不同泵浦光下的实验方案。利用852 nm分布反馈激光二极管和1878 nm激光系统（1878 nm分布反馈二极管激光器做种子源,掺铥光纤放大器（Tm DFA）对种子激光进行功率放大）,结合PPMg O:LN晶体。采用单次通过晶体差频的方式,实现了高光束质量的1560 nm激光输出,并通过消色差的方法提高了转换效率。当注入450 m W的1878 nm泵浦光和10 m W的852 nm信号光时,可以得到136μW的差频光。最后通过AOM将852 nm激光斩波并衰减至单光子级脉冲光,模拟单光子级频率转换。比较了不同带宽的滤波器对信噪比的影响,在使用带宽为12 nm的带通滤波器和带宽为0.3 nm的光纤布拉格光栅滤波器的情况下,注入150 m W的1878nm泵浦光,最大信噪比为31.3,转换效率为1.7%。最后改变噪声光子的偏振进一步提高信噪比,在相同条件下,信噪比由31.3提高到58.3;5).基于PPLN波导实现852 nm弱光下转换至1560 nm的实验,通过使用带宽为12 nm的带通滤波器和带宽为0.3 nm的光纤布拉格光栅滤波器,得到的信噪比为91.3,波导内部转换效率最大为6.2%。优化连续光激发磁光阱中冷却与俘获的单个铯原子的单光子源实验装置,通过磁光阱的磁场触发将单原子的概率提高到80%。并在此状态下进行Hanbury Brown-Twiss（HBT）实验,零延时处二阶相干度归一化结果为0.11。将磁光阱系统与频率转换装置连接,实现量子频率转换,并表征实验中信噪比。