研究单层石墨烯的三阶非线性和光双稳态效应。通过理论分析和数值模拟,改变单层三阶非线性石墨烯的费米能级、弛豫时间、双光子吸收系数及温度条件,调制单层三阶非线性石墨烯光双稳态的阈值大小。单层三阶非线性石墨烯的费米能级越大,温度越高,则光双稳态的阈值越大;双光子吸收系数越大,双稳态的低阈值越大;弛豫时间和双光子吸收系数会明显地改变石墨烯结构的光透射率,而光透射率则对石墨烯材料自身温度不敏感。该结论可为设计各类微纳结构的光子器件如光开关和光传感等提供理论依据。

偶氮掺杂液晶具有非常强的三阶光学非线性, 其非线性机理包括光致热效应等多种物理机理。为了测量偶氮掺杂液晶三阶光学非线性, 本文采用非线性干涉法, 定量测量了波长632.8 nm下, 光强变化所引起的折射率改变。为了测量得到热效应对掺杂液晶非线性的贡献, 我们提出了温度等效法, 通过在暗室中加热掺杂液晶样品产生与光照时相同的温度变化, 模拟出等效的热效应, 从而将热效应从多种非线性机理中单独区分出来; 通过测量此时的折射率改变, 以及对应的温度和光强变化, 得到了热效应导致的光学非线性。为了提高非线性干涉方法的灵敏度和消除环境震动带来的误差, 本文采用了双路干涉的方法, 使得测量精确性大为提高。测量结果表明：在波长632.8 nm下, 掺杂液晶三阶非线性系数n2为0.268 cm2/W, 其中热效应的贡献为0.091 cm2/W。

针对脉冲宽度100 fs,带宽25 nm,能量6 mJ左右的超短脉冲基频光(经过透镜缩束后峰值光强为200～900 GW/cm2), 采用单块厚度为1.5 mm的BBO晶体进行了三倍频实验研究。在入射基频光强度约300 GW/cm2时, 得到的三倍频转换效率约0.8%。采用分步傅里叶变换及四阶龙格-库塔算法, 对描述飞秒脉冲单块晶体三倍频的耦合波方程组进行了数值计算。研究结果表明,三倍频光主要是由三阶非线性效应产生的; 基频光带宽较大是限制三倍频转换效率的主要因素之一; 对基频光的入射角度及方位角进行优化, 可较好地补偿非线性相位失配, 提高单块晶体三倍频转换效率。

采用快速傅里叶变换(FFT)算法和Rung－Kutta法对KDP晶体中超短激光脉冲二倍频过程作了研究。详细讨论了群速度失配、群速度色散和三阶非线性相位调制效应对倍频光脉冲波形、光谱及转换效率的影响。研究结果表明：在超短激光脉冲二倍频中，三阶非线性相位调制效应可使二倍频光脉冲形状发生畸变，光谱明显展宽且转换效率降低；当入射基频光功率密度大于100GW／cm²时，三阶非线性效应是影响倍频过程的主要因素。

利用退耦近似方法，数值研究了任意体积分数特别是高体积分数的金属颗粒复合介质膜的有效线性介电函数和三阶非线性效应的变化，得到了非线性增强的最佳体积比。在不同体积分数下研究了复合体系的三阶非线性效应随入射光频率的变化关系，结果表明在表面等离子体共振频率附近，三阶非线性效应随着体积分数的增加而增强，但是当体积分数增加到一定值时由于粒子之间的相互作用对局域场的影响导致了三阶非线性效应的降低。

针对超高强度飞秒激光，对利用单块BBO晶体产生三倍频(THG)的过程进行了分析，比较了单块晶体中三阶非线性效应以及级联二阶非线性效应对三倍频转换效率的作用，讨论了入射基频光光强、晶体厚度、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、群速度失配、失谐角、方位角等因素对三倍频光转换效率、时间波形及光谱分布的影响，在此基础上，提出了提高三倍频转换效率的方法。研究结果表明：入射基频光强一定时，三倍频光的峰值光强、脉冲宽度(FWHM)随晶体厚度变化不明显。通过优化基频光入射角度，可提高单块BBO晶体三倍频光转换效率及峰值光强，并减小三倍频光脉冲宽度。此外，方位角的优化也可在一定程度上提高三倍频转换效率。

为了提高超短脉冲二倍频的转换效率和改善出射倍频光的脉冲形状,对超短脉冲倍频中三阶非线性效应的影响进行了理论分析和数值模拟,并采用初始相位失配的方法来补偿三阶非线性效应的影响.结果表明:用KDP晶体二倍频中心波长为800nm的超短脉冲,当入射功率密度大于100GW/cm²时,三阶非线性效应是倍频转换效率的主要影响因素.对脉宽为50fs,入射功率密度为250GW/cm²的超短脉冲在KDP晶体(2mm)中的二次谐波变换,当初始相位失谐0.9mrad时,转换效率提高了10%,同时由三阶非线性效应引起的强度调制得到明显抑制,出射基频光和倍频光的脉冲形状得到明显改善.