自20世纪60年代末非线性光学现象被发现以来,人们对红外非线性晶体的特性进行了广泛地研究,其中,对红外非线性晶体光学频率变换的研究备受关注。本文研究了红外非线性晶体对9.6μm CO2激光进行倍频过程中的热光耦合特性。建立了热学各向异性介质中的热光耦合模型,数值模拟了Ga Se、ZnGeP₂、AgGaSe₂三种晶体倍频中的热光耦合特性,研究了倍频效率、温度分布的演化过程,具体的研究工作如下:1、建立了晶体倍频时热光耦合模型。考虑光束走离效应和温度各向异性,建立了新的热光耦合理论模型,利用半解析法对热传导方程进行求解,用数值傅里叶变换方法对倍频耦合方程进行了求解,用等效热源的方法,通过对模型中各向异性的热导率进行迭代计算,研究了光场和温度场的关系。2、理论研究了热学各向异性晶体Ga Se倍频过程中的热光耦合特性。Ga Se晶体具有较大的热学各向异性,横向热导率较小,在倍频时会产生不可忽略的温度梯度,而纵向热导率较大,并且由于纵轴方向热源均匀,所以温度分布比较平坦。数值分析表明,在弱制冷条件下,边界温度不断增加,更多的热量储存在晶体中。在强制冷条件下,因倍频而产生的热量能够迅速散发,晶体中的热量较少,温度稳定时间比弱制冷条件下大大缩短。但两种条件下,温度达到稳定后晶体的温度分布大致相同。研究表明,由于Ga Se晶体对倍频光吸收系数较大,使得温度升高,折射率改变,相位匹配条件被破坏,相位失配,倍频光大大减少。在弱制冷条件下,晶体转换效率快速降低,温度达到稳定分布时,转换效率几乎为0,倍频与倍频倒转返复过程明显。即使在强制冷条件下,想要通过控制温度来恢复倍频转换效率也是困难的。3、理论研究了ZnGeP₂晶体倍频中热光耦合特性。ZnGeP₂晶体热学各向异性较弱,热导率较大,晶体内横向温度梯度相对较小,在纵轴热源均匀的情况下,温度分布比较平坦。数值分析表明,弱制冷条件下,温度达到稳定分布所需要的时间是强制冷情况下的230倍,最大温升是强制冷条件下的34倍。两种条件下,温度达到稳定时,晶体的温度分布无明显差异。在强制冷条件下,ZnGeP₂晶体温度场整体迅速达到稳定,相位匹配效果好,转换效率基本不受影响,输出的谐波光束质量较好。在弱制冷条件下,光能量的吸收以基频光为主,倍频光大大减少,相位失配明显,累积的相位失配引起了晶体中倍频的反转,温度达到稳定时,转换效率几乎为零。4、理论研究了AgGaSe₂晶体倍频中热光耦合特性。AgGaSe₂晶体的热导率较小,吸收系数相对也较小,热学各向异性较弱。数值分析表明,在弱制冷情况,横向温度梯度相对较小,纵轴温度分布均匀。在功率不变的情况下,随着束腰半径的增加,温度达到稳定分布的时间有所延长,稳定后的温度分布大致相同。在束腰半径不变的情况下,随着基频光功率的增加,相位失配愈加明显,倍频光迅速减少。当温度达到稳定分布时,累积的相位失配引起了晶体中倍频与倍频倒转返复过程,倍频光转换效率迅速降低,几乎为0。5、对Ga Se、ZnGeP₂、AgGaSe₂三种典型红外非线性晶体倍频中热光耦合特性进行了对比分析。在强制冷情况下,ZnGeP₂晶体相位失配不明显,转换过程和温度分布几乎没有受到影响,使得它的倍频效率最高。相对而言,Ga Se晶体对倍频光的吸收系数较大,温度升高迅速,相位失配明显,倍频效率较低。在弱制冷条件下,三种晶体温度分布随时间的变化很快,纵轴方向上温度场分布均匀。AgGaSe₂晶体转换效率最低,Ga Se晶体热学各向异性较强,AgGaSe₂和Ga Se两种晶体相位失配明显,会出现倍频与倍频倒转反复过程。