激光是现代科技的重要光源,不同波长的激光有不同的应用需求。非线性光学频率变换是拓展激光波长的重要技术。为获得有效的频率变换,非线性过程中参与的光子必须遵守动量守恒定理,即为位相匹配条件。由于材料的色散特性,不同波长的光波在非线性介质中传播时,通常会产生位相失配,难以获得高效率的非线性频率变换。目前,主要的位相匹配技术有两种:一是基于非线性光学晶体固有的自然双折射属性,通过选择特定的入射角度和偏振方向,实现基频（倍频）o光与倍频（基频）e光的折射率相等,该位相匹配方式要求晶体具有合适的双折射率;二是通过对材料进行有效非线性系数的周期性调制,产生可补偿位相失配的倒格矢,从而实现准位相匹配,该方式要求晶体是铁电晶体且具有可翻转的铁电畴。非线性光学效应发现60年来,基于上述两个位相匹配方式,紫外到近红外波段激光已经发展成熟,中红外激光获得重要进展。非线性频率变换正朝着深紫外甚至真空紫外和远红外乃至太赫兹波段的“两极”方向拓展。同时,上述两种技术也排除了大量不具有适当双折射或可翻转铁电畴的非线性光学晶体,限制了可实用非线性晶体的种类。从非线性光学基本理论来看,具有非中心对称的晶体即可产生二阶非线性效应,也就是说在32个点群的晶体中,有20类数以千计的晶体能实现非线性频率变换,而主要受限于位相匹配条件和禁带宽度等因素要求,仅有10余种非线性光学晶体材料能获得应用,而真正实现商品化规模生产的仅有BBO、LBO、KTP、PPLN等几种晶体,这决定了当前通过非线性频率变换技术所获得的激光波长范围。因此,发展新的位相匹配方式有重要的科学意义和实用价值,特别是波长小于200 nm的真空紫外激光,由于其光子能量高、波长短等优势,在激光光刻、超导、能带测量等方面有重要应用需求,一直是本领域的研究热点,而该波段已经达到了大部分非线性晶体的吸收极限,对材料也提出了更加苛刻的要求,往往存在晶体禁带宽度合适,但双折射不合适或不具有可翻转铁电畴的现状。因此,开发新的位相匹配技术可以拓展可实用非线性光学晶体种类并实现真空紫外波段的频率转换拓展可获得光谱范围。本论文从非线性频率变换的基本原理出发,提出添加周期性位相这一新型位相匹配方式,通过在非线性光学晶体中引入周期性有序/无序位相光栅序列实现频率转换和位相补偿的分步操控。利用飞秒激光直写技术在非线性光学晶体中加工周期性位相光栅结构进行精准位相添加,实验实现了可见光、紫外和真空紫外波段激光的非线性频率转化。紧接着引入角度调谐新机制,阐述了角度对位相调控的基本原理和实现方法,发展和丰富了添加周期性位相理论并为可调谐频率转换奠定理论基础。最后,针对紫外可调谐波长单一且相对离散的现状,通过角度位相调控实现了宽波段可调谐紫外频率转换。主要工作如下:1.添加周期性位相的位相匹配非线性光学频率变换是利用非线性光学材料的二阶非线性效应获得不同波长的激光。非线性频率转换效率强烈依赖于入射光波和产生光波之间的位相关系。高效的频率变换必须满足位相匹配条件,为了摆脱传统双折射位相匹配和准位相匹配理论对材料双折射和铁电畴的依赖,我们提出添加周期性位相这一新型位相匹配理论。在非线性介质内部引入周期性的有序/无序位相光栅序列结构,其中有序晶格结构发挥非线性频率转换功能进而拓展激光波长,而无序不定型结构不参与非线性频率转换过程,仅进行耦合波的周期性位相添加,补偿有序结构中的位相失配,实现了非线性频率变换和位相调制的分步操控。添加周期性位相能够有效拓展可实用非线性光学晶体的种类,使得频率转化不再局限于有限的双折射晶体和铁电晶体,极大地放宽了非线性光学频率变换的要求,有望获得材料光谱透过范围内任意波长的频率转换。2.可见、紫外、真空紫外波段频率转换首先我们以铌酸锂晶体和石英晶体为非线性介质在可见波段验证添加周期性位相理论,根据添加周期性位相理论设计并加工周期性有序/无序位相光栅结构,表征并分析了不同加工能量下位相光栅结构的透过率、折射率、各向异性、加工周期误差等参数。实验实现了波长为532 nm的二次谐波绿光输出,转化效率分别为2.07%和1.45%,有效验证了添加周期性位相思想的可行性。考虑到石英晶体在紫外波段的优良光学性能:较高的透过率（200 nm以上＞80%）和较短的紫外截至边（～146 nm）,紧接着我们在石英晶体上设计并加工了紫外波段频率转换的周期位相光栅,获得了倍频波长分别为242 nm和214 nm的紫外激光,光学转换效率分别为1.24%和0.55%。最后,通过精确结构设计和光位相添加,实现了波长为177.3 nm的真空紫外激光有效输出,转化效率为1.07‰。这是国际上首次在石英晶体上实现了 177.3 nm真空紫外波长转换,打破了真空紫外壁垒。3.周期性位相的角度调控研究基于位相与角度的依赖关系,提出周期性位相的角度调控技术,理论推导出角度调谐下作用波的三波耦合方程。在添加周期性位相理论中引入角度调谐这一自由度,能够有效调谐位相光栅周期长度实现宽波段位相调制。讨论了非线性介质材料二阶有效非线性系数分布的一般形式,并以石英晶体为例,给出多种偏振组合形式下角度位相调控的有效非线性系数,为石英晶体宽波段频率转化实验研究提供理论指导。4.紫外宽波段可调谐频率转换研究针对紫外波段可获得波长单一离散的现状,以石英晶体为介质开展紫外可调谐频率实验。首先探究了高增益、低损耗APP功能结构制备参数,通过角度位相调控和飞秒激光加工误差引入的位相起伏共同调制作用,实现了倍频波长为221-332 nm的紫外可调谐超宽波段激光输出,111 nm的调谐范围几乎覆盖整个紫外波段,二次谐波转化效率和峰值功率分别超过1%和1 kW;研究了固定位相匹配角度下二次谐波的不同偏振态强度输出和方位角的关系,实现了不同位相匹配类型同时参与下激光偏振分布强度的可控输出。测试并分析了角度调谐下位相匹配的允许角以及温度因素对位相匹配波长的影响。