高平均功率固体激光器是激光技术发展的一个重要方向。目前,在聚变能源、国家安全、工业加工,以及基础科学研究这几个方面,它都有着非常重要的应用。由于缺乏合适的激光增益介质,我们只能从激光器直接获得特定的有限波长的激光源。谐波转换技术是一种典型的非线性光学过程,它能够扩展各种激光源的工作波长,从固定波长的激光源得到一系列不同波长的相干辐射,以满足各种实际应用的需要。与此同时,对于超高峰值功率的固体激光系统,随着输出峰值功率的进一步提升,对激光脉冲信噪比的要求也越来越高。非线性倍频转换技术正是一种高效的脉冲净化技术,如果将其适当地应用在啁啾脉冲放大(CPA)系统中,就能够大幅度地提高高峰值功率激光脉冲的信噪比。本文以高功率固体激光器的非线性谐波转换为研究对象。针对当前高平均功率激光谐波转换效率偏低(热致位相失配),以及如何提高高峰值功率激光脉冲信噪比的问题,本文主要进行了以下工作：一、提出了一种基于多种晶体组合实现位相匹配条件对温度不敏感的谐波转换技术,并通过理论计算对其进行了验证和系统研究。造成谐波转换技术不能实现高平均功率输出的原因是多方面的,其中一个主要原因就是非线性晶体会吸收基频光和其谐频光的能量而产生热梯度,进而使得其内部出现温度差。由于晶体折射率会随温度的不同而变化,于是,晶体横截面上折射率的不均匀分布会使得整块晶体不能同时满足位相匹配条件,从而导致谐波转换效率的下降以及光束质量的恶化。对此,本文提出了一种基于多种晶体组合的位相匹配技术。这种技术适用于各种谐波转换过程,包括应用最为广泛的倍频(SHG)以及三倍频(THG)。这种位相匹配技术以热致位相失配量符号相反的两种不同晶体作为非线性材料。于是,在第一种晶体中累积的位相失配量就能够在级联在其后面的第二种晶体中得到补偿,以此来实现对温度变化不敏感的位相匹配。二、通过设计原理验证性实验,对基于双晶体结构的可以实现位相匹配条件对温度不敏感的谐波转换技术进行了实验上的验证。针对典型的1064nm高功率激光,我们通过两个基于不同非线性谐波转换过程的简单的原理验证性实验,倍频(SHG)以及三倍频(THG),对新型的位相匹配技术进行了实验上的验证。在这两种不同的谐波转换过程里,采用双晶体结构的谐波转换装置都获得了约两倍于传统单一晶体结构的温度接收带宽,表现出了更好的温度性能。除此以外,我们还通过验证性实验以及相应的理论研究,对相互级联的两块晶体之间可能存在的、对系统有害的相移及其影响进行了专门的讨论。从结果上看,采用双晶体结构谐波转换装置的温度匹配带宽几乎不会受到这类相移的影响。三、通过研究高平均功率工作条件下,非线性晶体内部的温度分布,对高平均功率激光谐波转换的全过程进行了数值模拟。在实际应用中,由于非线性晶体对不同波长激光源的吸收系数是不一样的,一般来说,波长越短,其吸收系数会越大。再加上晶体内必然存在的热传导机制,这就使得在高平均功率的工作条件下,非线性晶体内的温度分布会随转换效率的变化而不断发生改变。为了验证多种晶体组合位相匹配技术在高平均功率工作条件下的应用前景,我们对高平均功率激光谐波转换的过程进行了数值模拟。采用了一种名为分步傅立叶法(split-step Fourier method)的数值算法,连同热传导方程,对非线性耦合波方程组进行数值求解。在模拟过程中所用到的晶体参数、入射光强等,都是根据真实情况设定的。从模拟结果可以看出,这种位相匹配技术确实能够大大提高谐频光的输出功率。以典型的～1μm波段的高平均功率激光倍频为例,在保证高转换效率(60-70%)的前提下,其可承受的最高输入功率可以超过2kW,是使用传统单一晶体时的两倍多。四、根据非线性倍频转换的特点,提出了一种基于基波／谐波级联啁啾脉冲放大(CPA)的高信噪比超短脉冲产生技术。由于光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的工作波长本质上是可以人为设计的。为此,在这个技术方案中,OPCPA可以工作在两倍于钕玻璃激光的波长,于是,在通过倍频转换提高脉冲信噪比的同时,正好将波长对准钕玻璃激光。通过原理验证性实验,我们最终获得了带宽超过20nm、信噪比大于109的1054nm飞秒脉冲。如果将获得的高信噪比激光脉冲作为种子光注入到下一级的钕玻璃激光放大系统中进行二次CPA放大,就能得到有着高信噪比的超高峰值功率激光脉冲。