频率上转换技术是非线性光学的重要分支,是获得可见和紫外激光的有效方法。采用性能优良的非线性光学晶体和科学合理的光路设计,通过相位匹配技术,可以将激光波长从近红外拓宽到深紫外,满足不同领域的需求。本论文对RExY1-xCa4O(BO3)3系列晶体的多晶料合成工艺和单晶生长工艺进行了探索。采用提拉法首次设计制备了不同组分的LLxY1-xCOB系列晶体,通过对LaxY1-xCOB晶体结构的解析,讨论了稀土阳离子取代对YCOB晶体结构和光学性质的影响,进一步研究了 LaxY1-xCOB晶体的非临界相位匹配特性。为了在GdxY1-xCOB晶体中实现1053 nm激光的非临界相位匹配,生长了一系列GdxY1-xCOB晶体,研究了GdxY1-xCOB晶体1053 nm激光的非临界相位匹配Ⅱ类倍频和Ⅰ类三倍频性能。基于波片能够改变光波偏振态的特性,利用GdxY1-xCOB晶体特殊的非临界相位匹配性质,设计并实现了一种新的单晶体级联光学变频器,随后,将KDP和ADP晶体应用在这种变频器件中,获得了高效的三倍频紫外激光输出。主要的研究工作和结果如下:根据RECOB系列晶体的生长经验和之前的理论研究,设计了初始的LaxY1-xCOB和GdxY1-xCOB晶体组分。按照设计好的LaxY1-xCOB和GdxY1-xCOB晶体组分的化学反应方程式进行配料,采用RECOB系列晶体的多晶制备工艺,通过固相反应合成了单一物相的LaxY1-xCOB和GdxY1-xCOB多晶料。优化提拉炉单晶生长参数,采用b向(Y轴)YCOB籽晶成功生长出高质量、大尺寸的LaxY1-xCOB系列晶体和GdxY1-xCOB系列晶体,晶体尺寸达到直径20 mm-25 mm,长度25 mm-40 mm。采用X-射线荧光分析法测定了所生长晶体的实际化学组成,LaxY1-xCOB系列晶体中La离子组分参数分别为0.151、0.140、0.124、0.120、0.104、0.096和0.089;GdxY1-xCOB系列晶体中Gd离子组分参数分别为0.186、0.156、0.132和0.127。分凝测试结果表明La离子比Gd离子更难进入YCOB晶体的晶格之中。首次报道研究了 LaxY1-xCOB系列晶体的晶体结构、结构与光学性质之间的关系以及非临界相位匹配特性。用具有更大离子半径的La3+离子部分取代YCOB晶体中的Y3+离子,设计生长出不同组分的LaxY1-xCOB晶体。X射线粉末衍射实验和X射线单晶衍射实验结果表明所有生长的晶体都已形成与YCOB具有相同单斜结构Cm空间群的LaxY1-xCOB置换固溶体。室温下采用OPO激光器测试了不同组分LaxY1-xCOB晶体Y轴方向的非临界相位匹配Ⅱ类倍频和Ⅰ类三倍频波长,给出了 LaxY1-xCOB晶体非临界相位匹配波长与组分参数x的关系。根据晶体结构解析结果和非临界波长测试结果,进一步揭示了光学双折射、非临界相位匹配波长和晶体结构三者之间的关系,表明非临界相位匹配波长与晶胞参数比aa/c有关。用Nd:YAG激光器作为基频光源,通过温度控制,在不同组分晶体中实现了 1064 nm激光的非临界相位匹配。30 ℃C时,利用La0.120Y0.880COB晶体实现了 1064 nm非临界相位匹配Ⅱ类倍频,相应的温度接收带宽为38.4 ℃C·cm,角度接收带宽为155.9 mrad·cm1/2(X轴与Z轴的平分面内),转换效率为48.8%;50 ℃时,利用La0.140Y0.860COB晶体实现了1064 mn非临界相位匹配Ⅰ类三倍频,相应的温度接收带宽、角度接收带宽和转换效率分别为31.8℃C·cm、219mrad·cm1/2(θ方向)、118 mrad·cm1/2(φ方向)和32.4%。最后,分析讨论了 La0.140Y0.860COB晶体三倍频实验过程中紫外诱导灰迹损伤的产生机理与消除方法。研究了GdxY1-xCOB晶体1053 nm激光非临界相位匹配倍频和三倍频性能。通过组分调控,设计生长了四块不同组分的GdxY1-xCOB晶体。室温下采用OPO激光器测定了不同组分晶体Y轴的非临界相位匹配Ⅱ类倍频和Ⅰ类三倍频波长,确定了该系列晶体实现1053 nm激光非临界相位匹配倍频和三倍频的组分。用Nd:YLF激光器作为基频光源,测试了其非临界相位匹配性能。28 ℃时,利用Gd0.132Y0.868COB晶体实现了非临界相位匹配Ⅱ类倍频,相应的温度接收带宽为43.5 ℃C·cm,角度接收带宽为162 mrad·cm1/2(X轴与Z轴的平分面内),转换效率为44%;55 ℃时,利用Gd0.132Y0.868COB晶体实现了非临界相位匹配Ⅰ类三倍频,相应的温度接收带宽,角度接收带宽和转换效率分别为29℃·cm、204 mrad·cm1/2(θ方向)、117mrad·cm1/2(φ方向)和29.8%。与LaxY1-xCOB晶体相同,采用晶体升温的方法消除了Gd0.132Y0.868COB晶体1053 nm三倍频过程产生的紫外诱导灰迹损伤,分析了灰迹产生的原因,给出了在不产生灰迹的前提下提高三倍频输出能量和转换效率的解决办法。设计并实现了一种基于晶体双折射相位匹配特性的新型单晶体级联光学变频器,以单块晶体为核心实现了从近红外激光到紫外激光的直接变频输出,同时也是首次在一块非线性晶体中实现级联频率上转换过程。根据GdxY1-xCOB系列晶体组分与其相应的非临界相位匹配波长的特殊关系,利用光学相位延迟器(四分之一波片)调整倍频光的偏振态以满足三倍频过程的偏振匹配条件,通过折返光路实现倍频、和频的级联变频,分别用一块GdxY1xCOB晶体(5 mm)获得了 1064 nm和1053 nm激光具有宽容限角特性的三倍频紫外激光输出,转换效率分别为2.3%和1.8%。随后,分别将KDP和ADP晶体应用在这种特殊设计的光学结构中,获得了高效三倍频输出。用Nd:YAG激光器(1064 nm)作为基频光源,对于KDP晶体(10 mm),最大三倍频输出能量为1.13 mJ,最高转换效率为30.7%;对于ADP晶体(9 mm),最大三倍频输出能量为1.61 mJ,最高转换效率为35%。进一步的理论分析表明这种基于单块KDF和ADP晶体的级联光学变频器在1μm(1000nm～1100nm)波段范围内都能够适用。与目前广泛使用的双晶体级联三倍频结构相比,在保持高转换效率和高抗光损伤阈值的同时降低了制作成本,同时,可以推广到其他级联频率上转换过程或者其他非线性光学材料(如DKDP、DADP、BBO以及BIBO晶体等),只要相关的级联变频过程具有相近的双折射相位匹配方向。这项技术在丰富非线性光学元件设计理念的同时,有望在未来获得实际应用。