非线性频率转换是非线性光学中的重点研究内容之一，本文将Gosper分形与Z分形两种超晶格结构引入非线性光子晶体中，理论分析了两种超晶格结构经过准相位匹配进行非线性频率转换的谐波特点。Gosper分形超晶格的倒空间结构整体旋转60°后，依然能够和原图形重合；在准相位匹配的条件下，能够在六个不同方向实现相同的倍频波长输出；在级联三倍频中，实现了波长为711.3 nm、554.7 nm、491 nm的三倍频输出，并理论计算了其偏离角度。在二维Z分形的傅里叶空间中，充分利用了高阶横向倒格矢，能够实现基波波长范围为1.402 μm~1.430 μm的二次谐波频率转换，其中波长间距最小仅有1 nm。最后，为三维Z分形超晶格结构晶体的制备提供了数据支持。

针对水下高速无线激光通信发射功率较低，通信距离受限的问题，该研究采用非线性光学中二次谐波理论，将1064 nm的高速外调制与放大技术和非线性晶体的准相位匹配技术相结合，通过光学设计和系统参数研究，设计了一种532 nm的高速大功率无线激光调制发射系统，并建立了基于温度和角度变换的波长转换效率模型。然后通过仿真分析的方法得到了不同温度下，最大转换效率对应的角度范围。最后对系统的性能进行了系统搭建和实验分析，验证了该系统在常温下可实现1 W大功率532 nm绿光无线输出，且频率大于1 GHz的模拟信号和速率大于500 Mbps的数字信号调制。实验结果表明：常温下，该系统输出的光斑光强分布均匀，光束质量显著好于调制后的基频光模式。系统输出的方波信号上升沿宽度和下降沿宽度会发生压缩，但随着脉冲宽度的减小压缩现象会发生收敛，上升沿宽度收敛于0.27，下降沿宽度收敛于0.06，系统输出的正弦信号随着频率的增加没有发生明显的畸变。研究结果可以为未来水下长距离高速无线光通信应用提供理论和技术支撑。