回音壁模式（WGM）谐振腔具有紧凑的结构、超高品质因子、高能量密度等特点,以它为核心可以开发出很多高性能的光电子器件。近十年在WGM谐振腔中产生的光学频率梳,提供了一种性能更优越、实现方式更简便、更具有小型化潜力的光频梳实现方式。基于WGM谐振腔产生的耗散克尔孤子光频梳已经在光谱学、计量学、超精密测量等领域展现出巨大的应用价值。本文针对大尺寸超高品质因子晶体谐振腔加工及其应用中的一些技术难题,开展了实验研究。首先研究了大尺寸晶体谐振腔的加工方法、抛光工艺优化、结构优化,在此基础上对谐振腔中激发非线性效应、生成光频梳、色散调控进行了较为系统的研究,最后对谐振腔光频梳应用于距离测量和稳定耦合封装进行了探索。本论文主要研究内容和创新工作如下:1、研究了大尺寸谐振腔的加工方法、抛光工艺优化。通过自主搭建的加工设备、自主研发的加工工艺,在国内率先研制出超高品质因子大尺寸谐振腔。主要研究内容为:（1）搭建了石英棒型谐振腔加工平台,探索出在高纯度石英棒上制备石英棒型谐振腔的加工方法,加工出具有毫米级尺寸、超高品质因子（＞108）、机械稳定性好的棒型石英谐振腔。（2）针对成品的高精度专用抛光机床在国内很难采购且现有的晶体抛光工艺仅适用于平面抛光的问题,研发了具有自主知识产权的晶体谐振腔加工设备;在对影响谐振腔品质因子的因素进行分析并深入研究抛光机理后,实验总结出曲面超光滑表面抛光工艺,成功制备出毫米级尺寸、品质因子超过108的晶体谐振腔。2、研究了在大尺寸谐振腔中激发非线性效应并生成孤子态光频梳,解决了产生级联布里渊激光过程中需要精确控制谐振腔尺寸的问题,首次在石英棒型谐振腔中产生拉曼孤子光频梳;通过仿真与实验相结合的方法,研究了优化晶体谐振腔边缘结构来调控谐振腔总色散,改善晶体谐振腔光频梳的性能。主要研究内容为:（1）对WGM谐振腔内光场演化模型、波导与谐振腔耦合模型进行构建,从仿真结果分析谐振腔光频梳状态转换的条件和过程,为生成孤子态光频梳提供了理论指导。（2）搭建了谐振腔性能检测系统和非线性实验系统,通过毫米级CaF2谐振腔与锥形光纤之间发生多模谐振来匹配布里渊频移,解决了产生布里渊散射光过程中对谐振腔尺寸有精确要求的技术难题,实现高达5阶的级联布里渊激光。（3）在石英棒腔中研究了克尔光频梳与拉曼光频梳的转换过程,通过增加泵浦功率和失谐有效地激发出光谱范围31 nm的拉曼孤子光频梳,提供了一种生成孤子态光频梳的简便方法;采用快速频率扫描法在MgF2晶体谐振腔中产生具有低相位噪声的孤子态克尔光频梳,光谱范围覆盖1427 nm～1617 nm,为后续谐振腔光频梳应用提供了稳定的光频梳源。（4）针对谐振腔光频梳产生过程中对反常色散的基础性要求,研究了通过改变谐振腔结构来调控谐振腔总色散。通过仿真分析不同边缘外形的谐振腔模型并实际加工出不同边缘形状的晶体腔样品,实验验证了单侧楔形晶体腔总色散的改变。3、将晶体谐振腔光频梳应用于绝对距离测量,实验结果表明晶体谐振腔光频梳完全可以取代传统锁模光频梳;提出一种应用于多光梳测量的晶体腔新结构,实验验证了此种结构完全能够满足多光梳测量的要求;在国内率先实现晶体谐振腔与波导稳定耦合封装,为后续晶体谐振腔脱离实验室环境使用打下坚实基础。主要研究内容为:（1）通过设计并加工精密耦合封装平台和具有抗振动性能的耦合调节机构,实现对晶体谐振腔的稳定耦合封装,并能够长时间保持耦合状态不变。（2）将晶体腔光频梳与色散干涉法结合进行了距离测量实验,实验结果表明测距精度误差优于5 um,重复性为1 um,证实在绝对距离测量应用中晶体腔光频梳完全可以取代锁模激光器光频梳。（3）针对多光频梳测量中对晶体谐振腔尺寸的要求,设计了一种新的晶体谐振腔结构来保持谐振腔在加工过程中的尺寸一致性,通过改进加工设备成功加工出同轴级联结构的晶体腔样品并实验验证了可满足多光频梳测量的需求。本文对大尺寸谐振腔加工工艺、谐振腔光频梳生成与测距应用、谐振腔耦合封装器件的研究和取得的开拓性成果,展示了大尺寸谐振腔独特的物理特性和在高精度光谱测量领域巨大的应用潜力。在未来研究中,可以用超高品质因子的大尺寸晶体谐振腔探索微波光子学应用,发展红外波段的谐振腔光频梳并开发微量气体分子检测应用,在本文的单光梳测距应用基础上还可以发展多光梳多目标绝对距离测量应用。