周期极化铁电晶体是20世纪90年代以来飞速发展的一种新型微结构晶体，其极化周期为微米量级。周期极化晶体通过周期性的改变二阶非线性系数的正负来调节互作用波之间的相对相位，广泛应用于产生高频至紫外低频至中红外或太赫兹的相干光源。准相位匹配级联二阶非线性效应产生的非线性相移可以平衡光在介质中传播的线性衍射效应，形成空间光孤子。二阶非线性效应使孤子的激发具有更低的能量阈值，为空间孤子的产生和应用提供了巨大的便利。空间光孤子因其传播和相互作用中的类粒子特性在全光转换甚至全光计算方面具有极大的应用前景。本文采用飞秒脉冲作为光源，研究其在周期极化钽酸锂(PPLT)晶体中产生空间孤子以及非线性频率变换等方面的特性。第二章从Maxwell方程组出发推导出二阶非线性耦合波方程组，推导出相位失配情况下产生的非线性相移，理论上阐述了产生级联二次孤子的原理。推导出准相位匹配条件下空间孤子的归一化方程组，模拟出最简情况下基频孤子和倍频孤子的空间分布。第三章进行空间孤子实验，研究了基频孤子和倍频孤子的形状及能量分布。观测孤子随能量、温度的演变规律，测出孤子产生的能量和温度阈值。分析入射光束形状对多孤子产生的影响以及多孤子潜在的应用。第四章研究了准相位匹配倍频效应。设定PPLT晶体温度为188℃，入射基频光波长为800nm，计算出三阶准相位匹配极化周期，理论分析其温度和周期对转换效率的影响，描绘温度调谐曲线并测量转换效率。介绍非线性光学中的切伦科夫辐射，对其进行实验观察，并计算切伦科夫角的大小。