随着激光技术与日俱进的发展,全固态皮秒激光器凭借其窄脉宽、高峰值功率等优点,在激光雷达、精密加工、生物医学、激光测距及军事国防等领域有着重要的应用。然而在高功率超短脉冲固体激光系统中,当光束强度过高时常常伴随着非线性效应的发生。目前非线性效应的相关研究已经获得了人们越来越多的关注。在本文中,我们对全固态皮秒激光器中出现的非线性自聚焦及频率变换进行了研究。在高功率皮秒固体激光系统的功率放大过程中,强激光入射时容易引起折射率变化在介质中产生自聚焦效应,使得输出光强分布不均匀,易对光路中的元器件造成不可逆损伤,最终难以获得高功率超短脉冲的激光输出。因此寻找有效的方法控制自聚焦效应对高功率固体激光系统的影响是一个急需解决的问题。同时为了获得高功率的皮秒绿光输出,寻求如何提高倍频效率的方法也具有重要的研究意义。本文针对这些问题进行了相关理论模拟及实验研究,利用砷化镓材料在高峰值固体激光系统中较好地抑制了自聚焦效应的发生,通过有效改善倍频转换效率的措施最终实现了千赫兹重频下功率为41.1W的532 nm皮秒倍频绿光输出,倍频效率提高到48.93%。论文内容主要分为以下几个部分:1、介绍了国内外抑制自聚焦效应的不同方法及研究现状,在非线性频率变换方面介绍了国内外皮秒绿光倍频的研究现状及应用价值。2、对非线性自聚焦效应理论及应用B积分判据进行补偿的方法进行了介绍,并给出了砷化镓材料厚度与Nd:YAG晶体棒长度在实验条件下的最佳匹配曲线,为后续实验提供理论支持,对非线性介质中的波动方程及数值模拟方法进行了分析与阐述。3、利用分步傅里叶法对自聚焦效应及其补偿过程进行了数值模拟,根据模拟结果对实验进行设计,在入射皮秒激光束中心波长为1064nm,重复频率为1kHz的情况下,有效地抑制了高峰值功率放大器系统的自聚焦效应,保护增益介质不受损伤。4、介绍了非线性频率变换的基础理论,并阐述了倍频效率的计算方法与影响倍频转换效率的因素,分析有效提高倍频转换效率的方法。对比了几种主要的倍频晶体的光学特性,综合考量选定LBO作为倍频晶体并给出相关计算。5、开展了高功率皮秒激光器腔外倍频实验,研究了光斑分布和发散角对倍频效率的影响,提出了改善倍频效率的措施。通过增加4f空间像传递系统和二放模块泵浦光匀化处理,提高了基频光光斑分布的均匀性,最终采用Ⅰ类温度相位匹配,获得了倍频转换效率为48.9 3%、功率为41.1W、脉冲能量为41.1mJ的皮秒绿光输出。