非线性光子晶体,也称为光学超晶格,是一种非线性极化率随空间位置变化而折射率不变的非线性光学材料,常用于光学频率转换。非线性光子晶体的调制结构所提供的倒格矢可以弥补非线性光学过程中的相位失配,从而实现高效的频率转换。近年来,随着研究拓展,人们意识到通过对非线性光子晶体的结构进行特定设计还可以在频率转换过程中操控光波的空间和时间特性,特别是调制结构由一维扩展至二维以后,我们可以对光波进行多重操控。本论文正是基于这一研究背景更进一步发展了三维非线性光子晶体的制备方法,并研究了二维及三维非线性光子晶体对经典光场和量子光场的多种调控,主要研究内容分为以下几个部分：1、研究二维非线性光子晶体对纠缠光子空间性质的多功能调控。分析了具有抛物线型横向调制结构的多通道周期极化钽酸锂晶体的结构特点,并理论上研究了这种结构中通过自发参量下转换过程所产生的纠缠双光子态。实验上利用这一结构的非线性光子晶体实现了对双光子的聚焦及分束等功能,展示了非线性光子晶体对纠缠光子的多重操控能力,并实现了双光子NOON态的制备。原则上通过对非线性光子晶体结构的人工设计还可以制备多种类型光子纠缠态。这种将纠缠光子的制备和操控合为一体的集成化也符合量子信息技术领域各类实际应用的需要。2、发展飞秒直写技术制备非线性光子晶体的方法。总结出了一套包括脉冲能量、重复频率以及刻写速度在内的飞秒直写方法制备非线性光子晶体的技术参数。在铌酸锂样品中制备了一维周期结构并利用倍频实验对其进行了表征,结果显示在样品内部很大区域范围内飞秒直写都可以成功地对晶体的非线性系数进行调制,这说明利用该方法制作三维非线性光子晶体也是完全可能的。3、利用飞秒直写技术在实验上首次实现了三维非线性光子晶体。制备了三维正交点阵结构的非线性光子晶体并研究了这一结构中的倍频过程。理论分析了三维非线性光子晶体中的准相位匹配特性,发现在一定近似条件下三波相互作用遵循着与一维及二维情况类似的规律。倍频实验证实了正交点阵结构中有多个倒格矢同时存在,特别是平行于铌酸锂晶体z轴方向的倒格矢,而这种倒格矢是难以利用通常的电极化方法实现的。三维准相位匹配的拓展为非线性光子晶体在非线性光学、量子光学等方面的应用提供了新的自由度和功能扩展。