激光是人类二十世纪最重要的发明之一,它的诞生推动了人类在照明、通信、天文测距、微观测量、精密加工、医疗和军事等各个领域的进步。其中超快激光微纳加工作为推动集成光子学发展的有利工具备受人们的关注。本论文致力于研究使用飞秒激光直写技术进行的近红外非线性集成光学器件的制备和相应的仿真研究,在掺卤化物GGSI硫系玻璃和铌酸锂晶体内设计制作了用于超连续谱展宽的波导结构和用于二次谐波光束整形的复合叉型光栅结构,进一步拓展了这两种材料在近红外非线性集成光学领域的应用。本论文工作主要包括如下部分:1.红外硫系玻璃材料75GeS2-15Ga2S3-10CsI(GGSI)的飞秒激光直写波导制作以及传输特性研究。使用工作波长800 nm,脉冲宽度50 fs,脉冲重复频率1 kHz的直写光源,分别以0.4μJ、0.6 μJ、0.8 μJ和1μJ的激光单脉冲能量直写单线波导,实验中控制平移台移动速度为60μm/s不变。通过自建的损耗测量系统测得波导传输损耗呈现一种先降后增的趋势,其中使用0.6 μJ脉冲制得的波导传输损耗最低,为1.53 dB/cn。采用数值孔径法测得波导的折射率改变量Δn≈9.1×10-4。2.多边形GGSI光波导的仿真设计。为了调节直写波导的零色散点至实验室现有2μm泵浦光源的附近以获得更好的超连续谱展宽效果,提出了由7根w=2 μm,h=2.25 μm的GGSI单线波导组合而成的多边形波导结构,采用有限元法对其进行数值仿真得到零色散点在2.05 μm,同时以光束传播法模拟验证了基模高斯光束在多边形波导中的良好传输特性。3.多边形GGSI光波导的超连续谱展宽数值仿真研究。使用MATLAB软件编写了 GNLSE数值模拟程序仿真了多边形波导中的超连续谱产生。系统分析了波导色散、波导非线性系数、波导长度、泵浦脉冲初始峰值功率和初始脉冲宽度对超连续谱展宽的影响,最后仿真了以波长2 μm、脉宽50 fs、峰值功率40kW的飞秒激光脉冲入射长度5 mm、非线性系数0.51 W-1m-1、零色散波长2.05μm的多边形GGSI波导,得到了从1.2μm到3.6 μm的跨越2.4 μm波长范围的平坦超连续谱展宽结果。4.铌酸锂晶体内飞秒激光直写三维全息图用于非线性光束整形的理论和实验研究。激光直写的光致折变结构可用直接用于光束整形,无需借助外部光学元件或结构,具有便于集成和稳定性好等优点。但由于是线性衍射,因此这种方法通常无法获得高效的倍频整形光束。为解决该问题,首先实验研究了不同切向铌酸锂晶体中直写参量对光折变结构的分辨率和深度的影响规律,并在x切铌酸锂中刻写了三维全息图将基频高斯光束转换为了十字形分布的涡旋倍频输出。最后从理论上证明可以利用基频光的布拉格衍获得相位匹配的非线性光束整形,并给出了通过调整光栅周期和基频入射角度,在基频光波长为1074 nm到3718 nm之间的范围内产生相位匹配的涡旋倍频输出的计算结果。