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。

基于绝缘体上铌酸锂平台，设计了周期极化的铌酸锂薄膜波导结构，利用铌酸锂良好的非线性性质并结合灵活的相位匹配方案，分析了结构色散对极化周期的影响。此外，借助波导模式有效折射率随温度变化的不同，通过改变材料温度，有效扩展了频率转换的带宽，实现了1.5 ~1.6 μm范围内的倍频，最终获得562%的归一化转换效率，为芯片光子学参量转换的进一步研究提供了理论基础。

在高功率固体激光装置中，大口径KDP晶体的面形畸变控制是影响终端光学组件倍频转化效率的关键因素之一。为了提高大口径KDP晶体的装配附加面形质量，提出了一种点支撑装配附加面形畸变抑制工艺方法。首先，通过遗传算法对支撑点及其分布进行优化设计。然后，采用有限元分析方法对KDP晶体的装配预紧工艺进行优化设计。最后，开展优化后的装配工艺对KDP晶体装配附加面形畸变的抑制和倍频转换效率的实验验证。实验结果表明：提出的工艺方法对KDP晶体装配附加面形畸变具有良好的抑制效果，实测面形PV值为6.51 μm，二倍频转化效率可达72.6%，且重复装配的一致性良好。该方法大幅提升了晶体倍频效率和远场光斑质量，并在工程上得到应用与推广。

报道了利用垂直外腔面发射激光器（Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL）的增益谱与腔模的大失配设计实现VECSEL双波长同时激射的方法，设计了稳定的振荡腔结构，理论预测了这种VECSEL的三种工作状态并进行了实验验证。随着VECSEL泵浦功率增加，增益芯片内部工作温度逐步升高，VECSEL依次出现带边波长激射、双波长激射及腔模波长激射三种工作状态。最初VECSEL的激射波长位于带边模式决定的激光波长（952.7 nm），随着泵浦功率增加，增益芯片热效应增强，腔模波长与带边波长出现模式竞争，此后出现双波长激射现象。双波长峰值强度接近时VECSEL激光输出功率达到359 mW，激光波长分别位于954.2 nm和1 001.2 nm，在该位置附近VECSEL的输出功率曲线呈现明显的二次阈值现象。当泵浦功率持续增加，激光输出波长变为腔模波长激射，激光波长位于1 002.4 nm。在单波长及双波长工作状态下VECSEL的光斑形貌均为高斯形貌的圆形对称激光光束，激光光束发散角半角由5.7°增加到7.9°。这种单芯片双波长输出VECSEL方案未来在抗干扰激光雷达以及频率转换太赫兹激光等方面有着很好的应用潜力。

中红外激光具有多种优势，可以广泛地用到生物、化学、物理等科学研究领域。通常采用直接激射和非线性频率转换这两种方式产生中红外激光，然而，为了实现中红外宽带超短脉冲的发射，非线性频率下转换是现今的唯一方法。脉冲内差频（IP-DFG）是一种简单的非线性频率转换方法，文中对红外IP-DFG的工作做了详细的回顾，从中红外激光晶体和基于IP-DFG产生具有超宽带的中红外超短脉冲的先进工作两个方面做了综述和评论，分别比较了非线性晶体类型、驱动脉冲源、产生超宽带中红外脉冲的光谱范围、转化效率等，并在最后讨论和阐明了IP-DFG领域面临的机遇和挑战。