铌酸锂晶体具有良好的非线性光学特性,非线性系数较大,是人们研究频率转换等非线性过程的典型晶体。除此之外,铌酸锂晶体具有铁电性,即通过施加反向的外电场,其自发极化方向可以发生反向,形成反转的畴结构,实现准位相匹配。准位相匹配技术的提出为铌酸锂晶体畴工程的发展指明了方向,通过调控铌酸锂晶体的二阶非线性系数,引入倒格矢来补偿由于色散造成的位相失配,极大的提高了非线性效应。周期极化铌酸锂晶体只有一组倒格矢、难以实现复杂非线性过程多个参量的位相补偿和调控。通过图案极化,在铌酸锂中引入更为复杂的有序畴结构,形成非线性的光学超晶格,亦即非线性光子晶体,可在光束整形、电光调制、量子光源等应用领域发挥重要作用。本文主要研究厚度约为30-50μm的铌酸锂薄膜畴结构的制备工艺,并结合非线性计算全息理论应用于非线性光束整形。具体包含以下几个部分:1.回顾了非线性光学和光学超晶格的发展历程,以及图案极化铌酸锂晶体在光束整形方面的应用和发展。在理论上分析了非线性光学中的三波耦合过程、倍频效应和准位相匹配技术。介绍了基于图案极化铌酸锂晶体的两种非线性衍射类型,即拉曼奈斯衍射和切伦科夫衍射。介绍了非线性光学计算全息理论,推导出非线性系数分布,为后续阐述第三章的工作奠定理论基础。2.重点介绍了制备图案极化铌酸锂薄膜的工艺流程和详细参数。经过多次尝试,我们建立了一套比较成熟的制备铌酸锂薄膜畴结构的方法,整个流程主要包括清洗、光刻、镀膜和极化等几个步骤。相比0.5 mm厚的铌酸锂晶体,我们使用厚度为30-50μm的铌酸锂薄膜制备的畴结构更加均匀、更易贯穿、稳定性更好,且可以在常温常压下制备,更加安全。除此之外,薄膜也更利于器件的集成。3.重点描述了倍频Ince-Gaussian光束的产生过程。将非线性光学计算全息理论和准位相匹配技术引入到光束整形中,通过选择合适的调制周期,理论模拟出携带Ince-Gaussian光束信息的全息图。在实验上,我们采用外加电场极化的方法,制备出与计算全息图一致的畴结构,该畴结构不仅能够满足横向位相匹配条件,而且记录了Ince-Gaussian光束的振幅和位相信息。将900nm的基波高斯光束经过透镜聚焦到样品上,在样品的出射端放置一个低通滤波片将基波滤掉,用CCD接收到的远场一阶衍射处的光斑即为倍频InceGaussian光束。在该过程中,同时完成了频率转换和光束整形的功能。