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非线性变频技术作为激光技术的重要组成部分,利用光学介质在强光场下的非线性极化,可以有效拓展激光波长,满足不同的应用场景对特殊激光波段的需求。在非线性光学过程中,要使得基频激光的能量最大程度地流向极化产生的倍频光,两者之间必须要满足动量守恒,即相位匹配条件。但是非线性光学材料中的色散性质使得基频光波与倍频光波之间存在着相位差,导致相位匹配通常难以实现。双折射相位匹配是一种有效的相位匹配方式,但是该技术对晶体的各向异性和光波的偏振方向要求较高,使很多非线性光学晶体难以实际应用。1962年,N.Bloembergen提出了通过周期性调制晶体内的非线性系数来弥补色散引起的相位失配的准相位匹配(QPM)技术。1987年,E.Yablonovitch和S.John基于光子晶体提出了能实现该过程的材料模型——非线性光子晶体。铁电晶体中通过控制铁电畴的极化方向可以有效调控非线性光线系数,因此该类晶体被视为优秀的非线性光子晶体材料。经过几十年的发展,随着晶体生长与制备技术的成熟,研究人员利用电场和光场极化引起的铁电畴反转,制备了一批具有实用价值的非线性光子晶体,如铌酸锂(LiNbO3,LN)和磷酸钛氧钾(KTiOPO4,KTP)晶体等。而钙钛矿型铁电晶体拥有极化方向各异的铁电畴结构,在自发极化作用下可以产生多个维度的超晶格,从而提供丰富的倒格矢以满足准相位匹配过程,因此是一种极具潜力的非线性光子晶体。本论文介绍了一种居里温度在近室温下拥有魔方型畴结构的三维非线性钙钛矿型超晶体-钽铌酸钾(KTa1-xNbxO3,KTN)晶体,该晶体内部存在由90°和180°铁电畴共同构成的具有三维旋转的铁电极化配置的立方超晶胞结构,为补偿入射基频光与倍频光之间的相位失配提供了三维超晶格倒格矢,在满足三维准相位匹配的同时实现了高效的二次谐波输出。这种天然的三维非线性超晶体无需外部极化便能直接满足三维准相位匹配条件,为探索丰富的非线性光学效应和钙钛矿型晶体的光电子学应用提供了一种颇具研究价值的材料体系。本文主要研究内容如下:一、钽铌酸钾晶体基础性质表征1、根据KTN晶体的固溶体特征和相变特性分析了适合产生超晶体结构的晶体组分,并利用XPS对实验所用的KTN超晶体进行了组分分析,测得了晶体的光电子能谱,计算了能谱中各个元素电子峰的面积,获得了晶体中元素的比例,分析出晶体的组分为KTa0.56Nb0.44O3。2、结合KTN晶体的组分和相变特性对晶体的居里温度Tc进行了推断,通过KTN晶体的DSC焓变曲线确定了居里温度Tc为近室温的40℃,晶体在室温下处于铁电相变的亚稳态。3、通过电滞回线对KTN晶体的铁电性能进行了研究,测得了晶体的饱和极化强度Ps为16.98 μC/cm2,证明了该材料在室温下具有良好的铁电性。二、钽铌酸钾超晶体内部畴结构的表征与研究通过多种测试手段对KTN超晶体内部的超晶胞铁电畴结构进行了观察与表征。首先使用偏光显微镜和压电原子力显微镜对组成超晶胞的畴结构的宏观形貌和内部的极化分布进行了细致的研究和表征;之后为研究该周期介观结构对晶体光学性质的影响,分别做了可见激光的Bragg衍射实验和二次显微放大表征,从线性和非线性光学两个方面研究了晶体中的超晶胞结构。最后得出了超晶胞结构是由极化方向相互垂直的90°铁电畴镶嵌而形成的三维立方单元,并根据上述表征与分析建立了 KTN三维超晶体模型。三、钽铌酸钾超晶体的三维准相位匹配研究KTN超晶体中周期分布的介观超晶胞结构给晶体的准相位匹配过程提供了丰富的倒格矢。利用高功率的红外基频光对KTN超晶体进行了倍频实验,结合实验结果和晶体超晶胞的铁电畴结构对KTN晶体内存在的准相位匹配模式进行了分析,计算和整合了各个准相位匹配过程中光斑分布模式,以方便与实验结果对照。同时,根据超晶胞结构对晶体内部晶格取向的影响,推导了不同取向区域的非线性系数,分析了极化方向旋转模式的超晶胞结构对于准相位匹配产生的二次谐波偏振性质的影响。在4.12 W基频光入射下,KTN的倍频激光功率为103.67μW,转换效率为 2.52×10-5 W-1。