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本论文以大气CO2浓度探测差分吸收激光雷达和混合脉冲多普勒测风激光雷达的应用需求为背景，探索基于纳秒脉冲非线性频率变换技术实现单频脉冲激光输出的研究。重点开展了OPO技术产生单频2.05μm脉冲激光以及和频技术产生大能量355nm紫外激光的理论与实验研究。 本论文的主要工作和创新点包括: 介绍OPO的基本原理与相位匹配技术。采用平面波近似，模拟分析脉冲SRO的泵浦阈值与泵浦脉宽、腔长和耦合输出率关系，研究最佳泵浦脉宽及其影响因素。基于高斯光束高斯脉冲模型仿真了SRO转换效率与泵浦超阈度、耦合输出率、腔损耗的关系。研究纳秒脉冲SRO输出光束质量和光谱宽度的特点，提出改善OPO输出光束质量和压窄光谱宽度的可行方案。 开展了自由运转2.05μm纳秒脉冲SRO输出特性的实验研究。采用平平腔结构，设计并搭建1.06μm单频激光抽运的2.05μm KTP-SRO实验装置，重点研究不同KTP晶体长度、不同耦合输出率时OPO输出特性与转换效率变化规律。在400Hz重复频率下，获得了单脉冲能量为0.9mJ的2.05μm信号光输出，脉宽约3.7ns，对应泵浦光-信号光转换效率约为18％，光束质量因子M2优于3。在此基础上优化设计8字形行波稳定环形腔，开展环形腔2.05μm脉冲KTP-SRO输出特性研究，获得了高斜率转换效率、基横模的2.05μm波长纳秒脉冲激光输出。在20Hz重复频率下，输入泵浦脉冲能量为11mJ时，获得2.4mJ的2.05μm信号光输出，脉宽约24ns，泵浦光-信号光转换效率达到22％，斜率效率达到53％，输出信号光脉冲能量稳定性约为1％。实验结果证实了稳定环形腔的限模特性与高效运转，为后续种子注入奠定基础。 优化设计并搭建1.06μm单频脉冲激光抽运的种子注入纳秒脉冲KTP-SRO实验系统，研究了种子注入前后脉冲SRO输出特性变化规律。在8字形稳定环形腔中，通过Ramp-Hold-Fire锁腔技术，利用种子注入OPO实现了单频窄线宽的2.05μm脉冲激光输出。在20Hz重复频率下，当抽运脉冲能量达到11.4mJ时，种子注入后SRO获得了单脉冲能量为2.6mJ的单频脉冲2.05μm信号光输出，对应泵浦光-信号光转换效率约为23％，脉宽约17.6ns，外差法实测信号光线宽约为26.5MHz，接近傅里叶变换极限，输出信号光光束质量因子M2值小于1.2。为进一步提升单频2.05μm脉冲激光输出能量以满足机载和星载激光雷达应用要求，设计了OPA放大系统提升2.05μm单频脉冲信号光能量。 在平面波近似下，考虑基波损耗与相位失配的模型，分析并模拟倍频效率与非线性驱动、相位失配量的变化关系，指出采用最佳泵浦光斑和最佳晶体长度是获得高效率倍频的关键。基于平面波近似和相位失配模型，仿真分析和频效率与基频光子数混合比、基频光强以及相位失配量的关系。对比研究了不同倍频晶体、和频晶体的特性。 采用双LBO晶体的外腔级联倍频与和频技术方案，以大能量单频1.06μm脉冲激光器为基频源，开展大能量355nm单频脉冲紫外激光器实验及其输出特性研究。使用重复频率为30Hz单脉冲能量为418mJ的基频激光倍频，实验实现最高单脉冲能量达到225mJ的532nm单频脉冲绿光输出，倍频效率达到54％，输出532nm激光光束质量因子M2约为2.5，脉宽约为10.8ns，和频后获得了脉冲能量为226mJ的单频355nm脉冲紫外激光输出，基频光-紫外光的和频转换效率达到55％，实测355nm紫外激光光束质量因子M2约为3.0，脉宽为12.2ns左右。为获取更高能量的单频355nm紫外激光，使用重复频率为100Hz单脉冲能量为772mJ的激光器作为基频源时，级联倍频和频后输出289mJ的355nm单频紫外脉冲激光。实验获得的大能量355nm单频紫外脉冲激光具备应用于星载直接测风多普勒激光雷达的潜力。