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由于3～5μm中红外波段激光位于大气的透明窗口，且涵盖了众多原子和分子的特征谱线，因此中红外激光在红外对抗、激光雷达、大气监测、自由空间光通信、激光医疗等领域具有重要的应用价值和前景。基于周期性极化铌酸锂(PPMgLN)晶体的光参量振荡器(OPO)具有转换效率高、调谐范围宽、装置结构紧凑等特点，近年来已逐渐成为获取中红外激光的主要方式之一。 本论文主要围绕1064nm激光泵浦PPMgLN晶体的OPO过程，对光学参量振荡器的基本理论和实验展开了系统研究。首先，介绍了3～5μm中红外激光的应用背景和产生的技术路线，对比分析了中红外光学参量振荡器的优势。然后从稳态的三波耦合方程组出发，获得了光参量振荡的增益，得到了单共振和双共振光参量振荡阈值、转换效率等的解析表达式。比较了双折射匹配技术和准相位匹配技术，阐述了准相位匹配的优势，并对PPMgLN晶体的调谐特性进行了分析。 在理论指导下，对宽调谐、窄线宽、双共振光参量振荡器开展了实验研究，实现了自由运转状态下PPMgLN-OPO近红外和中红外双波段激光同时输出。在PPMgLN晶体周期为30.5μm，温控炉温度为110℃，输出镜透过率为30％的条件下，分别采用两镜腔和四镜环形腔两种谐振腔进行实验。首先采用了两镜腔的腔型结构，测得OPO阈值约为20mW，相应的阈值功率密度2.7 MW/cm2，3.3μm波段空闲光的斜效率为10.8％，1.57μm信号光的斜效率为20.4％，总的光-光转换效率最高可达36.7％。随后以此为基础，从稳态和模式匹配方面设计了四镜环形腔OPO。采用该环形腔结构，最大获得了79 mW的1.57μm信号光和38.5mW的3.3μm空闲光输出，1.57μm信号光最高光-光转换效率为15.4％，3.3μm空闲光最高光-光转换效率为6.9％，总的光-光转换效率最高可达23％。 为压窄输出参量光的光谱线宽，采用了单频种子注入技术。首先介绍了种子注入和谐振探测-峰值保持技术原理，再分别实现了未控制腔长和精确控制腔长条件下，种子注入四镜环形腔双共振OPO的实验运转。当未施加腔长控制措施时，测得OPO输出信号光中心波长为1570.84nm，信号光光谱线宽小于100MHz，10min内OPO信号光的频率稳定性为141MHz;当实施主动控制腔长措施时，实验测得，3.3μm空闲光的转换效率为6.6％，1.57μm信号光的转换效率为16.4％，无种子注入时，3.3μm空闲光的转换效率为4.4％，1.57μm信号光的转换效率为9.8％，采用拍频法对输出信号光的线宽进行测试，测得信号光的线宽为45MHz。实验表明，相同泵浦条件下，种子注入明显降低了OPO的阈值，改善了转换效率，获得了更高单脉冲能量的窄线宽激光输出。