二阶非线性光学参量过程的上转换和下转换过程是扩展激光波长范围的一种手段, 其中上转换过程中的倍频与和频可以有效产生短波长激光。本文提出利用1 438.9 nm的基频光场注入内置一块单周期结构的极化铌酸锂晶体(PPLN)的双端光学腔, 在极化晶体的同一周期内, 产生719.45 nm的二倍频光场和479.63 nm的三倍频光场, 得到的两束光场分别从双端倍频腔两端输出。研究设计了晶体的周期结构, 使得二倍频和三倍频的两个非线性光学过程在PPLN晶体的同一极化周期内同时性满足准相位匹配条件, 实现二倍频和三倍频光场同时产生。并计算分析晶体极化周期, 基频光波长和温度三个参数之间的关系, 得到的结论可为单激光在单周期结构极化晶体中产生双波长激光提供理论参考价值。

宽谱黄-橙激光是生物医学领域中重要的荧光光源。基于周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO∶PPLN)的宽带准相位匹配技术,提出了一种基于变迹步进啁啾MgO∶PPLN的建模方案。在啁啾MgO∶PPLN中实现了C波段(1525~1565 nm)和波长为980 nm激光的宽带和频,通过遗传算法对变迹率和啁啾周期范围增量进行了数值优化,在波长为600 nm附近获得了转换效率约为-11 dB、带顶波动为0.047 dB、带宽为6 nm的光谱输出,提供了一种高转换效率、小带顶波动的宽谱黄-橙全固态激光输出方案。

阐述了一种基于单块周期极化铌酸锂晶体级联三倍频实现440 nm蓝光输出的实验方案。根据周期极化铌酸锂晶体的Sellmeier方程以及倍频与和频的相位匹配条件，在一块周期极化铌酸锂晶体上设计了两段不同的极化周期，使其在同一工作温度下能分别实现倍频与和频，在先后经过倍频与和频后，实现级联三倍频输出。实验采用Nd:YAG产生的1319 nm光作为基频光，重频400 Hz，脉宽110 ns，横向和纵向光束质量因子分别为1.81和2.65。耦合进周期极化铌酸锂晶体后，出射光中检测到660 nm的红光和440 nm的蓝光。通过调整工作温度和入射基频光功率，得到2.4 mW的最大蓝光输出，此时工作温度55.5 ℃，基频光功率530 mW。实验结果验证了单块晶体实现级联三倍频440 nm蓝光输出的可行性。

宽带准相位匹配(QPM)在多波长和超短脉冲倍频等领域有着广泛应用。分析了铌酸锂晶体的准相位匹配和群速度匹配条件，利用遗传算法，对非周期极化铌酸锂(APPLN)晶体的结构进行优化设计，并提出了一种通过适当调整基波的位置和数量来优化非周期极化铌酸锂晶体倍频带宽的设计方法。研究表明，对于0型(e+e→e)准相位匹配，在群速度匹配点附近，周期极化铌酸锂(PPLN)晶体倍频带宽为167 nm，而非周期极化铌酸锂晶体最大倍频带宽可达440 nm，带宽增加了273 nm；I型(o+o→e)准相位匹配下，周期极化铌酸锂晶体在群速度匹配点附近的倍频带宽为59 nm，而非周期极化铌酸锂晶体最大倍频带宽可达153 nm，带宽增加了94 nm。

以周期极化晶体MgOsPPLT为研究对象，根据该晶体的折射率随波长、温度变化的色散方程及极化周期随温度的热膨胀关系，并紧密结合频率变换过程中的能量守恒条件，给出详细算法，得到了532 nm抽运光的光参量过程近红外波段温度调谐特性。通过增加极化周期，进一步得到1064 nm抽运该晶体的光参量过程中红外波段温度不敏感特性。调整或忽略极化周期项，更换晶体的色散方程，该研究方法可推广到其他准相位匹配或相位匹配非线性晶体的参量变换调谐特性研究。

通过深入分析二次谐波转换效率，以周期极化晶体MgO:sPPLT 为研究对象，结合其斯涅耳方程和极化周期随温度的热膨胀关系，得到了基频光正入射时周期极化晶体的最佳匹配温度；当基频光倾斜入射时，极化周期等效变大，最佳匹配温度降低。利用归一化倍频效率图形，可以方便地得到给定晶体长度的温度和波长接收带宽；同时晶体通光长度越长，温度和波长接收带宽越窄。只要更换晶体的斯涅耳方程和极化周期随温度的热膨胀关系，所使用的研究方法可方便地推广到其他周期极化晶体的倍频研究当中。所得到的这些结论对于使用周期极化晶体进行倍频，尤其是连续光纤激光器腔外倍频有一定的指导意义。

利用二维环形周期极化铌酸锂，提出一种角度不敏感的Solc型电光滤波器。发现二维环形周期极化铌酸锂能够克服角度依赖问题，它能为不同方向入射的光提供不变的倒格矢以维持准相位匹配。计算表明，利用二维环形周期极化铌酸锂制作而成的Solc型电光滤波器，其中心透过波长在偏离正入射情况下仍然保持不变。这种新型的角度不敏感Solc型滤波器可在多角度、多光束同时滤波。

利用KTiOPO4(KTP)材料非线性系数d33对应的二阶非线性0-类准相位匹配，理论上设计构造了一种周期极化KTiOPO4晶体(PPKTP)，当晶体温度为20℃时，晶体准相位匹配格子的周期为10.70 μm。波长为550 nm的激光泵浦由该晶体组成的光学参量振荡器能产生含852 nm信号光和1550 nm的闲置光的双色纠缠，其中信号光对应 Cs原子吸收线，闲置光1550 nm对应光纤通讯波长。该纠缠光对量子信息网络和原子信息存储有非常重要的意义。

研究了一种基于周期极化掺镁铌酸锂（PPMgLN）晶体做倍频器件的新型、紧凑和高功率连续绿光激光器。利用外加电场极化法成功制备了厚度为1 mm，短周期为6.95 μm，占空比接近50%，大面积均匀的PPMgLN；在6.8 W单管激光二极管(LD)抽运的情况下，利用通光长度仅1 mm的PPMgLN，腔内倍频获得了3.8 W的绿光532 nm激光输出，光光转换效率高达56%。

从PPLN波导微结构出发分析准相位匹配倍频过程中的相位补偿机理,以极化畴为单元,通过耦合波方程计算极化畴内产生的二次谐波电场,通过电场相干叠加计算倍频效率。分别在小信号近似和基频光高消耗情况下计算准相位匹配倍频效率,结果显示:倍频效率小于5%时,两种情况下的计算结果吻合得很好;随着转换效率增大,小信号近似不再适用,需要在基频光高消耗情形下计算倍频效率。研究了基频光功率密度与准相位匹配倍频效率的关系,定性分析了极化周期存在误差时,误差对倍频效率的影响。