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近年来，高功率全固态激光器获得了飞速发展，与之相应的频率转换技术是目前激光领域的热门课题之一。而光学超晶格(又叫准位相匹配材料，QPM)作为非线性频率变换材料之一，具有效率高、设计灵活、结构紧凑等优点，得到了广泛关注。本论文在对超晶格的光致折射率改变性质和极化质量进行表征的基础上，成功研制出基于超晶格的中红外光振荡器和光参量放大器，并提出了基于超晶格的新型偏振不敏感的二阶非线性频率变换方案，主要内容包括以下几点: 1.首先对介电体超品格材料的基本性质和准位相匹配方式进行了简介，总结了超晶格在非线性频率变换领域的优势和发展方向。介电体材料的基本光学性质如光致折射率改变和光损伤阈值是限制超晶格在高功率激光领域应用的重要因素，选择恰当的材料和工作环境能够发挥超晶格的最大潜力。最后对基于超晶格的频率变换过程进行了分类和总结，介绍了超晶格频变晶体在各个波段取得的成果。 2.介绍了利用z扫描方法研究光致折射率改变的基本原理，建立了任意形状光束在厚介质中聚焦传输及z扫描的模拟方法。利用z扫描和强度扫描技术，研究了介电体超晶格在脉冲光紫外光下、准连续绿光下和不同温度下的光致折射率改变性质及其表征方法，对多种介电体超晶格的基质材料进行了比较。 3.提出了一种基于二维傅立叶变换的超晶格极化质量的评价方法，利用此方法对多种一维和二维超晶格的极化质量进行了评价和表征，通过倍频实验对表征结果进行了验证。 4.研制了基于周期极化钽酸锂的中红外光参量振荡器。提出了通过测量闲频光和信号光光子数比值来测量腔内损耗的方法，利用法布里-珀罗腔对基波频谱进行了测量。在此基础上，利用数值模拟算法对中红外光参量振荡的动力学过程进行了模拟。实验上实现了超过1W的中红外光输出，测量了功率及温度调谐曲线。 5.研究了基于周期和扇形极化钽酸锂的光参量放大(OPA)器。提出了利用啁啾和扇形超晶格提高光参量放大带宽和稳定性的方案，利用均匀和扇形极化的超品格进行了倍频和OPA实验，相比于均匀超晶格，扇形超晶格的带宽得到了明显提高，并且具有易于调谐的优点。 6.提出了基于级联和双周期超品格的偏振不敏感二阶非线性频率转换的方案。通过数值模拟对偏振不敏感的和频过程进行了验证。通过级联结构的倍频实验实现了正交偏振态基波光的倍频，证明此方案能够提高倍频的转化效率和稳定性。