中红外光谱包含大量分子的基本旋转和振动能级,因此中红外通常被称为电磁光谱的“分子指纹”区域,可以通过它们独特的光谱特征来检测这些分子存在与否以及含量,从而实现一系列光谱分析、医疗检测和国防传感等应用。近年来,基于差频产生的中红外光源,由于具有结构简单、调谐方便、室温运转和无阈值限制等优点,受到了广泛的关注。随着准相位匹配技术及各种新型周期性极化非线性晶体的应用,中红外差频（DFG）光源发展迅速,已成为当前气体光谱检测的主要光源。鉴于此,本文提出了一种利用优化级联差频结合光学参量振荡器产生高功率、可调谐中红外光的新方法,大幅度提高了中红外光的转换效率。本文的主要研究内容如下:1.通过非线性光学三波耦合方程推导出级联光学差频耦合波方程,构建多波耦合作用模型。通过精确设置非周期极化晶体的极化波矢,在减小斯托克斯（Stokes）级联差频相位失配的同时增加反斯托克斯（anti-Stokes）级联差频的相位失配,引导泵浦光子向高阶Stokes光转移,并同时抑制泵浦光子向anti-Stokes光转移,有效提高级联光能量向目标频率转移的效率。2.设计了一种基于级联差频高效产生中红外光的方案。首先通过两束差频光在非周期极化铌酸锂晶体（APPLN）中经级联差频产生级联光和太赫兹（THz）波,然后通过优化的级联差频过程将大部分的级联光能量转移到高阶Stokes光（即较低频率处）,最后通过调节晶体的极化周期将高阶Stokes光能量聚集到几条谱线。通过改变APPLN晶体极化周期Λ的分布,以及调谐两束差频光的强度能够实现中红外光的宽调谐。3.设计了一种利用优化级联差频结合光学参量振荡产生高功率、可调谐中红外光的方案。通过各阶Stokes光在谐振腔中往返振荡,结合级联差频相位失配优化分布,使级联光能量转移到高阶Stokes光。通过优化谐振腔参数,能够从高阶Stokes光中遴选目标中红外光,达到调谐中红外光的目的。