非线性光学主要研究光与材料之间的相互作用,从而实现一些特殊的光学功能,例如利用频率转换实现多波长激光的调谐;利用非线性光学效应进行成像及光信息处理等等。随着光学功能的集成与器件的小型化要求越来越高,天然材料难以满足科技发展需求,因此关于人工微结构材料的研究得到了迅速发展。光学超晶格是一种可实现多种非线性光学效应的人工微结构材料。随着微加工制备技术的不断改进,周期、准周期、非周期超晶格结构的理论和应用越来越成熟。本文围绕非线性光学中相位匹配、光场调控、成像等几个重要应用目标,基于微结构材料开展相关研究,论文的创新点和主要内容如下:(1)将非线性光学与导波光学相结合,利用波导之间的耦合实现相位匹配并提出了一种简单的波导结构设计方案来实现三次谐波的高效输出。通过求解在波导中传输的三次谐波耦合方程组,分类讨论了不同相位匹配条件下三次谐波的振幅解析解。我们发现如果满足倍频与和频双匹配条件,则三次谐波的振幅将随着传输距离的二次方增长,如果只有和频过程满足相位匹配条件而倍频不匹配的话,三次谐波的振幅将以传输距离一次方形式增长。在此基础上我们提出了一种高转换效率的波导结构设计方案,通过同时调节波导宽度以及波导之间的距离来实现双匹配,是一种简单方便的实现相位匹配的方法。(2)研究一维带缺陷光学超晶格结构在非线性光束整形、光场调控等方面的应用,重点研究了基于结构设计实现非线性非互易效应及时间反演效应。这两种新型非线性光学效应的研究为光隔离器,光吸收器及光整流器等器件的研制提供了新的思路。在非线性非互易效应方面,通过解析求解一维带缺陷结构的倍频耦合方程,讨论了这个结构的非互易性质并给出了非互易量的解析解。在解析解的基础上,我们提出了一种获得任意非互易量的晶体结构设计方法。在非线性时间反演对称效应方面,我们设计了两种超晶格结构实现时间反演,分别是相位失配量相等和互为相反数的情况。在这两种结构中,除了时间反演效应之外还存在一种完全互易性。此外,除了两段式结构,时间反演效应还被推广到任意多段级联结构中。(3)提出一种新型的非线性成像原理,在成像过程中衍射效应得到了很好的抑制,能够用来直接并实时地观测二维不规则铁电畴结构。这种基于二次谐波的观测方法具有许多独特的优势,比如简单、稳定、无损、高分辨率,具有很高的应用价值。利用铁电畴畴壁在非线性成像过程中的特殊衍射性质,从解析求解和数值计算两方面分析了单一畴壁结构的倍频菲涅尔衍射情况。我们发现畴壁在倍频过程中始终呈暗场像,其倍频像的线宽在一定区域内与传输距离的平方根成正比,降低了成像过程中的衍射效应。在此基础上,我们将单一畴壁结构推广到复杂的不规则畴结构,进一步通过仿真模拟和实验验证了二次谐波成像过程中畴壁的近似无衍射性质。(4)通过对非线性计算全息理论的研究,提出一种超晶格结构设计新型编码方法,用来实现高质量、高分辨的非线性全息成像。我们称之为准多值化编码方法。通过对准多值化方法的傅里叶谱分析解释了这种编码方法的原理。在理论计算中发现相比于传统的二值化方法,无论光束是沿着极化方向传输还是垂直于极化方向传输,准多值化编码的方法对衍射峰的抑制作用更强,与之相对应的是成像线条更精细,细节更清晰。通过实验上观测图像轮廓进一步验证了准多值化编码在成像领域的优势:有效降低次级衍射,提高成像质量,为实现非线性高分辨成像提供了可能。