深紫外激光具有波长短、单光子能量高的特点,在科学研究、军事应用、工业加工以及医学领域有着广泛的应用需求及前景。在惯性约束聚变领域,激光装置的发展促进了物理实验的精密化进程,同时也暴露出极端条件下激光等离子体不稳定性等物理问题,这给高能深紫外激光的发展和应用带来了新的机遇与挑战。由于靶吸收效率与激光波长的平方成反比,且波长越短激光与等离子体相互作用过程中的参量不稳定效应阈值越高,采用更短波长的四倍频激光取代三倍频激光打靶,对于提升现有大型激光装置的物理实验能力以及缓解ICF物理实验研究面临的严重不稳定性问题等方面都具有非常重要的意义。但由于四倍频激光的双光子能量更接近熔石英等透射材料的禁带宽度,非线性效应增强,光学元件也更易损伤,迫切需要新的技术手段来寻求突破点,这也是本论文重点研究的内容。在物理诊断方面,物理学家们认为现阶段对于极端条件下的等离子体物理过程的理解仍然存在较大偏差,获取精确的等离子体状态参数及其演化特性具有极为重要的意义。汤姆逊散射诊断是目前精度最高的等离子体状态诊断手段,采用深紫外激光作为探针束可以穿透更高的等离子体密度,并显著提升测量信噪比。本论文开展深紫外探针技术研究,在促进汤姆逊散射诊断技术发展的同时,也可为深紫外激光驱动束的工程应用积累技术基础。本论文以ICF领域的重大需求为牵引,开展高能钕玻璃激光的高效四倍频和五倍频光产生与应用技术研究,主要研究内容和创新点如下:1)提出了基于非临界相位匹配的聚焦光束四倍频终端技术,通过把聚焦透镜放置到四倍频晶体前面,在不影响转换效率的前提下可以很大程度地缓解紫外元件的负载难题;系统构建了深紫外激光产生的精确模拟能力,优化了聚焦光束四倍频方案,使得能够在相对较小的聚焦光束F数下实现高效转换并保证光束的近场均匀性;该方案有望成为缓解ICF物理实验对深紫外激光打靶的物理需求与激光驱动器负载能力不足之间矛盾的有效手段。2)基于聚焦光束四倍频方案中二倍频光和四倍频光严格共焦的特点,提出了 2ω/4ω复合波长激光打靶和纯净四倍频激光打靶模式快速切换的方案,可为ICF物理实验提供更为广阔的设计空间:当采用复合波长打靶时,由于频率转换过程中的模式混合效应使得两种波长激光的焦斑大小一致但空间频谱成分不同,在提高激光能量的利用率的同时,可为改善焦斑束匀滑特性提供新的技术途径;当采用纯净的四倍频激光打靶时,色分离方式由传统的“焦斑-近场”分离方式变为“焦斑-焦斑”分离方式,仅需将屏蔽片更换成小角度楔板即可实现同等色分离量。3)掌握了基于“双层水循环+真空隔离”的大口径紧凑型晶体均匀温控以及三倍频模拟光源与补偿透镜相结合的光束精确引导等关键技术,获得了最高182J/1ns/130cm2的四倍频激光能量以及82%的2ω-4ω转换效率。4)开展了基于ADP晶体和CLBO的五倍频实验研究,分别获得了最高14%和19%的1ω-5ω转换效率;针对ADP晶体五倍频过程对温度敏感性非常高的问题,提出了一种基于“瓦片型”温度场的聚焦光束五倍频方案,通过优化聚焦光束F数,使得由于温度梯度导致的相位失配能够被聚焦光束的锥角完美补偿,从而提高全光束的转换效率和近场光束质量并降低对温度空间均匀性的要求,这对实际应用非常有利,该设计思路也能用于高重频激光频率转换等存在类似温度梯度问题的系统设计。