传统的光纤通信系统中,光与物质的相互作用在光放大器、激光器和频率转换器等方面有着非常广泛的应用。但是这些器件通常需要比较长的增益介质,而且需要较高的抽运功率,因此如何提高集成光子器件的集成度和功耗成了大家共同考虑的一个问题,慢光研究的开始和发展给出了解决这一问题的一个思路。本论文研究了几种光与物质相互作用机制,通过理论分析和数值计算,证明了慢光可以提高光参量增益、增强三次谐波强度以及增强四能级离子系统的有源增益。因而慢光可以有效的降低所需抽运功率或者缩短增益介质长度,这对于推动大容量光传输系统以及集成光子器件的发展具有重要意义。本论文的主要研究内容如下:论文第一章为绪论,首先介绍了光子晶体、光学非线性和光放大器的基本原理和研究进展,然后给出了慢光的理论基础和应用价值,为后文的研究工作做了理论铺垫。在第二章中我们推导了非线性光子晶体线缺陷波导中抽运光群速度与光参量放大增益的理论模型。理论结果表明,慢光抽运可以增强光参量放大效应。为获得相同的增益,当波导长度不变时,慢光波导所需的抽运光功率可以减少为普通波导的(vgn/c)2,当抽运光功率不变时,慢光波导所需的长度可以减少为普通波导的(vgn/c)2,其中n为普通波导的材料折射率,vg为慢光波导的群速度,c为真空中的光速。数值计算结果验证了我们的理论预测。第三章我们从理论和数值两个方面对光子晶体中的三次谐波进行讨论。我们的理论模型主要考虑了色散和群速度对于三次谐波强度的影响,然后我们利用时域有限差分方法进行了数值仿真,数值结果和理论模型吻合得非常好。从仿真中,我们观察到了三次谐波沿着波导的周期性分布,同时也证明了慢光可以增强三次谐波。第四章讨论了如何在MIT开发的有限差分时域方法开源软件(MEEP)的基础上,修改了相应的C++源代码,使其可以完成对稀土掺杂系统的时域仿真。第五章我们用布洛赫-弗洛凯机制和电磁场耦合的谐振子半经典理论,证明了当群速度降低时,离子系统和外场之间的相互作用将得到加强,从而增加有源介质增益。然后我们通过对光纤光栅数值仿真,证明了我们的理论预测。在我们的模拟中,慢光抽运时,有源波导的增益可以被增强9倍,而当抽运光在布里渊区边缘时,增益可以增强20倍。第六章中,我们提供了在光纤光栅中降低色散的一种途径。我们将二能级系统掺杂到光纤光栅当中,用来补偿色散。在未掺杂时,群速度为0.193c,脉冲被展宽53%,而掺杂后脉冲可以在光纤中以0.147c的速度无色散的传播。第七章我们对这篇论文的工作进行了总结,同时对未来的工作进行了展望。