Sheik-Bahae于1989年提出的单光束Z-扫描技术测量晶体的非线性特性具有装置简单、灵敏度高等优点,被广泛应用于晶体材料的光学非线性特性研究。近年来在此基础上发展了多种改进的Z-扫描技术,测量的灵敏度有了极大的提高,并且拓展了测量的内容。本文结合数字图像处理技术对Z-扫描实验系统进行了创新。这种创新方法与以往单纯的改进实验光路或者实验条件有很大的区别。本论文详细介绍了创新实验系统的思路,方法和步骤,以及利用数字图像处理的方法对实验图像的采集、处理等相关算法,并通过实测的数据对新方法与传统方法进行了比较,证明了新方法的正确性和有效性；设计制作了基于新方法的测试系统,包括图像采集部分和图像数据处理部分,实现了数据的自动处理。在一般的Z-扫描实验平台中,都是利用功率计来测量相应的激光功率。本论文是利用CCD摄像机拍摄一系列晶体样品在不同Z坐标的光斑照片,结合数字图像处理技术,通过对所拍摄的图像进行数字图像预处理,改善图像质量。然后,利用图像灰度与光斑强度的对应关系,获得Z-扫描过程中光斑的强度分布,即利用数字图像提取光斑中相应的信息,如得到所研究光斑的激光功率分布,不仅取代功率计的作用,且有所扩展。在完成原有Z-扫描实验平台功能的基础上大大简化了实验的复杂程度,并且可以在一次测量中获取多种所需的数据。采用该方法进行Z-扫描实验,最显著的优点在于省掉了小孔光阑。这样,在所拍摄的激光光斑照片中,通过选择合适大小的光斑区域,表示通过小孔后的激光光斑,因此,本文通过一次Z-扫描实验,拍摄一组实验照片,通过在照片上选取不同大小的区域来等效不同大小的小孔,可以求出相应的多组数据。这种方法具有广阔的应用前景,可以在诸多物理实验中采用类似方法进行改进。最后,搭建了原始Z-扫描平台和创新的Z-扫描平台进行实验测量,将所得的结果进行了对比,并讨论了新方法的误差成因。测量的结果表明,本文的创新方法是成功的。