三阶非线性光学效应是一种非常基础且具有广泛应用的光学现象，在激光波长拓展、激光调制、光谱分析等众多领域具有重要的应用价值。直接三倍频（THG）是一种典型的三阶非线性光学过程，可以将激光波长缩短至基频波长的1/3，光子能量提高3倍。通过THG过程能够将红外光向更短波长的可见、紫外乃至真空紫外转换，提高激光器件集成度，制作尺寸更小、性能更优的电子和光学元件，满足激光加工、制造等前沿领域对特定波长激光的重要需求。此外，利用THG的逆过程可以实现光学参量下转换，产生多个光子的纠缠态，有望制备高效率、高维度的量子光源，对下一代量子密钥分发、量子隐形传态等前沿应用具有重要意义。本文从直接三倍频产生的基本原理出发，分析了THG过程需要满足的能量守恒和动量守恒条件，总结了体块非线性晶体、拓扑半金属、近零介电常数薄膜和硅基超表面等材料体系THG的发展现状，并综合比较了各类材料体系实现THG的波长范围和转换效率。最后讨论了非线性晶体实现高效THG面临的挑战，并对直接THG的前景和趋势进行了展望。

非线性光学晶体是固体激光器的核心器件，广泛应用于可控核聚变、量子通信、高精度光谱分析等前沿领域。最近研究表明，具有4d⁰和5d⁰电子构型的过渡金属阳离子Zr⁴⁺、Hf⁴⁺、Nb⁵⁺和Ta⁵⁺具有较低的电负性，与高电负性的氟阴离子形成的化学键中的离子键成分增加，有利于拓宽光学带隙，同时其多面体保持了较强的几何畸变，对增强晶体的非线性光学效应和双折射性能发挥关键作用。此类过渡金属氧氟化物的光学透过范围能达到紫外甚至更短的深紫外光谱区，可能是潜在的紫外非线性光学晶体候选材料。本文介绍了基于这些过渡金属的氧氟化物多面体设计合成新型无机紫外透明非线性光学晶体的最新进展，总结了11种最新报道的此类非线性光学晶体，详细介绍了其晶体结构、光学性质（吸收截止边、光学带隙、倍频和双折射等），以及过渡金属的氧氟化物多面体对这些光学性质的影响机制。

磁光隔离器作为激光系统中的关键器件，核心功能依赖于磁光晶体的法拉第效应，能够有效隔离反射光，提升激光系统的稳定性。本文综述了磁光材料的发展历程，重点介绍了稀土石榴石晶体（如TGG、TAG、TSAG、YIG）和氟化物晶体（如CeF₃、KTb₃F₁₀）的磁光性能、生长技术及应用现状。TGG晶体是目前应用最广泛的磁光材料，但其磁光性能在高功率激光器中逐渐面临瓶颈；TAG和TSAG晶体性能更优，Verdet常数要高于TGG晶体30%以上，但生长难度较大；YIG晶体在中远红外波段表现优异，在1 064 nm处的Verdet常数可达-515.82 rad/（T·m），但尺寸限制仍需突破。氟化物晶体（如CeF₃和KTF）凭借高透过率和低光学吸收成为新兴研究方向，尤其在紫外和可见光波段潜力显著，在紫外波段透过率能达到85%。此外，本文探讨了磁光隔离器的工作原理、发展历程及研究进展，并展望了未来高性能磁光材料及器件的应用前景。

有机-无机杂化忆容材料（CETM）₂［InCl₅（H₂O）］因质子迁移诱导的巨大界面极化（P_r=31 654 μC/cm²）而备受关注，但其微观机制尚缺直接实验证据。本文通过重水同位素取代策略，合成氘化晶体（CETM）₂［InCl₅（D₂O）］，系统研究了氘化对结构、相变及电学性能的影响。X射线衍射与差示扫描量热分析表明，氘化后晶体结构（单斜空间群Pc）与相变行为（脱水温度332 K）基本不变。电学性能测试表明：氘化使离子电导率从4.35×10^-7 S/cm降至1.28×10^-7 S/cm，剩余极化强度由31 654 μC/cm²显著降低至18 811 μC/cm²。结合迁移能垒计算，证实极化衰减源于氘原子质量效应及氘键稳定性增强对质子迁移的抑制。本研究首次通过同位素效应实验验证质子迁移主导界面极化的微观机制，为调控忆容材料性能提供新策略。

本文在真空条件下采用高温溶液法自发结晶，成功合成了两例新型硫代硅酸盐化合物Rb₂CdSi₃Se₈和K₂HgSi₃S₈，这两种化合物均结晶于正交晶系非中心对称的P2₁2₁2₁空间群。能量色散X射线光谱表征结果证实，两种化合物中各目标元素的比例与理论化学式相符。第一性原理计算表明，Rb₂CdSi₃Se₈和K₂HgSi₃S₈分别具有较大的双折射值（0.167@1 064 nm和0.118@1 064 nm），其光学各向异性主要是由［MSi₃Q₈］^2-二维阴离子层贡献。后续将通过优化助熔剂体系获取两种化合物的纯相粉末。

深紫外激光（波长<200 nm）在光刻、角分辨光电子能谱、激光精密加工等前沿领域具有不可替代的应用价值。为实现实用化、高精度的深紫外激光输出，基于非线性光学晶体的多级倍频技术已成为最具可行性的方案，其极限性能由终端深紫外倍频晶体决定。然而，目前见诸报道的深紫外非线性晶体仅有KBBF（KBe₂BO₃F₂）和RBBF（RbBe₂BO₃F₂）两种，且二者均受层状生长习性限制，仅能获得毫米级厚度的薄片状晶体。针对薄片状非线性光学晶体制作倍频器件的技术挑战，传统解决方案采用在晶体两面光胶两个异质材料棱镜的耦合技术。但该方案存在固有缺陷，形成的两个异质界面引入了额外光损耗，也成为激光损伤的薄弱环节，使器件的损伤阈值比晶体下降超过一个数量级。本研究创新性地提出布儒斯特角的特殊切割方法，可在保证相位匹配的前提下，使晶体获得最大有效通光长度。这种无棱镜的倍频器件摒弃了异质棱镜结构，充分发挥非线性晶体本征的高损伤阈值特性，提高了倍频器件的总透过率，为实现高功率/连续波深紫外激光输出提供了新途径。

Nd∶GdScO₃晶体是一种新型激光材料，其非均匀展宽光谱特性有利于实现新波长跃迁。实验采用提拉法生长了钕掺杂浓度为0.66%（原子数分数）的Nd∶GdScO₃晶体，以未镀膜的b切晶体结合石英双折射片（QBP），在V型折叠腔结构中首次实现了1和1.3 μm波段的多波长激光输出。1 μm波段，在1 085.0、1071.4和1 092.6 nm处分别实现了5.3、3.5和2.3 W连续激光输出，斜率效率分别为61.0%、45.0%和30.0%；1.3 μm波段实现了双波长连续激光输出，输出功率1.25 W，斜率效率39.0%，波长分别为1 353.6和1 375.3 nm。在1 375.3 nm处还获得了调谐范围为4.0 nm的可调谐激光。研究结果表明，Nd∶GdScO₃是一种具有非均匀展宽光谱的新型激光晶体，可以扩展钕离子的激光波长范围。

贝塞尔函数是研究波动、热传导等问题中的重要函数，其高精度计算在工程科学中具有重要地位。本文给出了采用高斯积分来计算贝塞尔函数J_ν（z）、Y_ν（z）、I_ν（z）和K_ν（z）的方法。通过按正弦、余弦函数零点来进行分区数值计算，克服了三角函数振荡对积分精度的影响；通过将［0，∞］积分项变为［0，T］和［T，∞］区间积分，并在［0，T］区间处理三角函数的振荡，实现了对贝塞尔函数的高精度计算。同时，当z的实部很小时，应适当加宽［0，T］积分区间，以使高斯勒让德积分部分占绝大部分，也是提高积分计算精度的重要途径。编程验证了贝塞尔函数的高斯积分，得到的结果与Mathematica高度吻合。该方法不需要讨论级数的收敛和递推问题，对整个复数域和任意阶数的贝塞尔函数都可进行计算，具有通用性和普适性。

随着光学调制器需求的增长和发展，电光晶体的研究与探索日益重要。然而，目前实际可用的电光晶体种类有限，因此探索新型电光晶体成为一项紧迫任务。本文采用第一性原理计算软件ABINIT，结合密度泛函微扰理论和2n+1定理，系统研究了ABO₃型钙钛矿结构的绿色能源材料代表CsGeX₃（X=Cl、Br、I）晶体，通过分析电子和离子贡献对电光系数的影响，发现离子位移是影响电光系数的主要因素，其中Ge原子与卤素原子间的伸缩振动起主导作用，该振动增强了畸变八面体的极化率，从而提升了材料的电光性能。计算结果表明，空间群为R3m的CsGeI₃晶体电光系数可达-30.51 pm/V，与典型电光晶体铌酸锂相当，展现出作为潜在电光晶体的应用前景。

本文采用水热法，合成了新型二硫酸氟化铈（Ⅳ）钠（NaCeF（SO₄）₂）。该化合物结晶于非中心对称的P2₁2₁2₁空间群（No.19），晶胞参数为a=8.233 0（2） ?， b=8.591 0（2） ?， c=9.261 1（2） ?， α=β=γ=90°， V=655.03（3） ?³， Z=4。其晶体结构以三维网格骨架为特征，该骨架由［CeO₇F₂］多面体链和［NaO₈］多面体链交织而成；链间空隙处填充以孤立的（SO₄）四面体。该材料实验带隙约为2.70 eV，表现出良好非线性光学性能（1 064 nm激光下，倍频强度约为KDP的2倍）。相较于中心对称母体Ce（SO₄）₂，氟原子作为第二配体诱导结构畸变，促使非中心对称结构NaCeF（SO₄）₂的形成。第一性原理计算研究表明该化合物的带隙主要由Ce-4f、O-2p、S-3p及F-2p所构成的晶体轨道决定；其二阶非线性光学性质主要由［CeO₇F₂］多面体决定，（SO₄）四面体仅起次要作用，二阶非线性光学系数（d₁₄=d₂₅=d₃₆）计算值为-2.672 pm/V。

结构无序晶体因局域环境多样性导致的非均匀光谱展宽特性受到广泛关注，有望在超快激光领域获得应用。本文采用提拉法生长了Yb³⁺掺杂浓度为10%（原子数分数）的Yb∶CaY_0.8Gd_0.2AlO₄ （CYGA）晶体，研究了Yb∶CYGA晶体的偏振光学性能及激光特性，测试了室温下晶体样品的偏振吸收光谱，以及偏振发射光谱和荧光衰减曲线。由于CYGA混晶的强无序性，Yb∶CYGA晶体光谱得到了非均匀展宽，在π偏振方向上吸收光谱半峰全宽达到25.0 nm并且发射光谱半峰全宽达到92.2 nm，同时也在10%（原子数分数）的高掺杂浓度时荧光寿命长达1.04 ms。在短腔及V腔中均实现了~1.05 μm的连续稳定激光输出。其中，短腔中最大激光输出功率为4.400 W，而在V腔中利用双折射滤光片（BF）实现了调谐范围为23 nm的可调谐激光输出。

非线性光学（NLO）晶体因在激光系统中的频率转换能力而受到广泛关注。本文采用高温固相法，在镓基硫族化物体系中引入碱土金属阳离子（Mg²⁺）和具有孤对电子的金属阳离子（Pb²⁺）的多面体结构单元，成功合成了新型NLO晶体PbMg₆Ga₆S₁₆。在结构方面，该晶体结晶于非中心对称的P-6空间群，而其晶体结构的特征是Pb²⁺填充于三维［Mg-Ga-S］_∞框架结构中。光学性能方面，在1 910 nm激光作用下，展现出可相位匹配的二次谐波（SHG）响应（为AgGaS₂的0.1），并具有2.85 eV的实验光学带隙。基于第一性原理的理论计算表明，PbMg₆Ga₆S₁₆ 为间接带隙半导体，电子从布里渊区的G点跃迁至H和K之间，理论光学带隙为2.55 eV。该工作表明倍频响应主要源自［GaS₄］四面体与［PbS₆］多面体结构单元的协同作用。

人眼安全1.55 μm波段激光在光通信、激光雷达等领域具有重要应用。本研究采用理论模拟与实验相结合的方法，对1.55 μm激光晶体Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇的构建及性能进行了深入研究。首先，对ScLuSi₂O₇晶体的光学、力学和热学性能进行理论模拟，分析其结构组成与性能的关系。计算得到ScLuSi₂O₇晶体折射率温度系数为4.11×10^-6 K^-1。同时，计算了ScLuSi₂O₇晶体的弹性刚度系数，并基于Voigt-Reuss-Hill近似，得到了该晶体的热力学参数，包括德拜温度（约为554 K）、比热容（0.61 J·g^-1·K^-1@300 K）和平均热导率（8.6 W m^-1·K^-1@300 K）。在实验部分，通过提拉法生长Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇单晶，并研究其作为1.55 μm激光增益介质的光谱特性。采用975.4 nm激光二极管对该晶体进行端面泵浦，获得最高功率为1.06 W和斜率效率为13.53%的1.55 μm波段连续激光输出。

利用水热合成法获得了首例亚碲钼酸钾非线性光学晶体K₆H₄（Mo₃Te₄O₁₈）₂（MoO₆）（H₂O）（KMTO），其结晶于极性的P3空间群，结构由［Mo₃Te₄O₁₈］二维层构成，层间有畸变的MoO₆八面体、钾离子和结晶水支撑。非线性光学测试结果表明，KMTO的粉末倍频强度约为KDP的3倍，且可实现相位匹配。变温单晶X射线衍射、高精度DSC、变温倍频强度等测试发现，KMTO在176 ℃左右发生了单晶到单晶的相变，相变前、后，基本骨架没有发生较大变化，但其结构对称性发生了根本性的转变，空间群由极性的P3转变为中心的P-3，倍频强度在相变过程中逐渐减弱直至消失。当用半径更大的铯离子取代KMTO中的钾离子时，由于层间空间位阻增大，MoO₆八面体被移除，得到了新型亚碲钼酸化合物Cs₂（Mo₃Te₄O₁₈）（H₂O）（P-1）。有趣的是，这三种结构（P3、P-3和P-1）的基本骨架都为［Mo₃Te₄O₁₈］二维层，其结构对称性主要由层间基团的对称性决定。该工作不仅开发了首例亚碲钼酸钾非线性光学材料，还利用多种原位表征方法，研究了材料的构效关系，为新型二阶非线性光学晶体的设计合成提供实验参考。

本研究系统探讨了磷酸二氢钾（KDP）晶体激光诱导体损伤与其四方-单斜相变之间的关联。基于热-力耦合模拟，定量分析了激光辐照下晶体的温度场与应力场分布特征。结果表明，激光辐照中心区域的峰值温度显著超过材料的相变临界温度，但激光诱导的热应力尚未达到引发塑性变形或结构损伤的临界阈值。通过相场模拟发现，四方-单斜相变过程中在相界处会产生显著的应力集中现象，其应力值超过KDP晶体的屈服强度，导致塑性变形发生。值得注意的是，模拟得到的高应力区分布与实验中观测到的特征性十字形损伤裂纹形貌高度吻合。进一步研究表明，随着温度持续升高或位移约束减弱，相变应力可超过材料的屈服强度甚至断裂极限，从而直接诱发裂纹萌生。本研究证实，四方-单斜相变导致的高应力是形成KDP晶体特征性十字形损伤的关键因素，为深入理解其激光损伤机制提供了新的理论依据。

采用提拉法成功生长了一系列不同掺杂浓度的Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂（Yb³⁺∶CLNGG）激光晶体，并对其结构、光谱和激光性能进行了系统研究。X射线衍射结果表明，晶体衍射峰与标准卡特征峰一致，未发现杂相生成。吸收光谱和发射光谱分析显示，Yb³⁺∶CLNGG晶体在近红外区具有宽吸收带和发射带，10%Yb³⁺∶CLNGG吸收半峰全宽可达37 nm，发射带宽达40 nm，5%Yb³⁺∶CLNGG发射截面最大可达1.398×10^-20 cm²，荧光寿命随掺杂浓度升高而增长，10%Yb³⁺∶CLNGG晶体在室温下寿命超过1 ms。低温发射光谱中观察到多个Stark分裂峰，反映出Yb³⁺所处晶体场的非等效多中心环境，表明其发光行为具有明显的协同特征。在Kerr锁模条件下，10%Yb³⁺∶CLNGG晶体实现了中心波长为1 058 nm、脉宽为67 fs、带宽为17.7 nm、平均功率35 mW、峰值功率约6.87 kW的稳定飞秒激光输出，展现出良好的锁模稳定性和宽带增益特性。综合光谱与激光实验结果表明，Yb³⁺∶CLNGG晶体在超快激光和宽带调谐激光器领域具有显著应用潜力。

高温相α-BBO晶体是一种理想的紫外双折射晶体，但晶体生长过程中容易存在残余应力而导致加工开裂现象。本文在晶体生长形貌及生长习性理论指导下，使用提拉法并采用合适的晶体生长工艺生长得到?80 mm×50 mm质量优异完整不开裂的α-BBO晶体。α-BBO晶体呈现三方对称，晶体沿c轴等径方向显露出α相的三方锥面｛1102｝和六方柱面｛1120｝，这样能够保持α相稳定至室温从而解决α-BBO晶体开裂的难题，而且晶面的存在能够大幅度消除晶体内部残余热应力。研究结果表明，生长的α-BBO晶体在200~2 200 nm具有高透过性及优异的晶体质量，在紫外高功率偏振激光器件中具有重要应用价值。

超短脉冲激光因在精密加工、生物医学等领域广泛的应用而备受关注，其发展高度依赖于具有宽带增益光谱的激光增益介质。相比激光玻璃，掺稀土离子的无序激光晶体兼具宽带增益光谱与优异的稳定性，是产生超短脉冲激光的理想增益介质。然而，混晶组分、晶体结构及其对发射带宽及中心配体对称性间的构效关系仍缺乏系统认知。本文对多个掺镱混晶体系，包括Yb∶Y₂（Ca，Mg）₃（SiO₄）₃、Yb∶Ca（Y，Gd）AlO₄（Yb∶CALYGO）及Yb∶（Gd，Y）AlO₃（Yb∶GYAP），开展了系统分析，揭示了混晶组分比例、结构无序度与Yb³⁺增益带宽之间的内在规律。在此理论指导下，成功生长了Yb∶CALYGO和Yb∶GYAP单晶，并分别实现了25和23 fs的超短脉冲激光输出。本研究为超快无序激光晶体的理性设计与其在超快激光应用中的性能优化提供了关键理论支撑和有效实现途径。

本文从固相反应温度、晶转速率、生长速率及降温速率几个方面，探索分析了采用提拉法生长大尺寸Yb∶CALGO晶体的工艺。通过对比不同温度下烧结反应后的多晶料XRD图谱发现，原料在1 350 ℃可以充分反应，根据所生长晶体的开裂截面形貌与晶体表面光滑度来优化晶转速率和生长速率，通过变温拉曼光谱分析降温速率导致开裂的成因，结合不同降温速率获得了不同方向的晶面应力分布图，发现对于沿着c轴生长的Yb∶CALGO晶体来说，降温速率过快更容易导致（001）面的热应力积累，这也是导致晶体在退火过程中开裂的主要诱因。采用多种手段优化晶体生长工艺后，实现了?50 mm×110 mm Yb∶CALGO晶体的稳定生长，晶体具有较低的散射损耗（0.001 796 cm^-1）和较高的光学均匀性（4.21×10^-5），可以实现多种尺寸和形状的晶体元件加工，为进一步研制Yb∶CALGO板条激光器和超快激光器提供技术支撑。