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LiNbO3晶体作为一种重要的光学晶体，具有较高的稳定性和优异的光学集成性。本论文通过稀土离子的掺杂使LiNbO3晶体获得上转换白光性能，分析上转换白光产生机制。从晶体结构缺陷和能量传递角度研究不同金属离子对上转换荧光强度和色度的调节作用，为获得高效可调节上转换白光提供了理论依据和实验指导。采用提拉法生长不同浓度Ho3+、Yb3+和Tm3+离子掺杂LiNbO3晶体。通过XRD、OH-红外吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和上转换荧光光谱研究稀土离子对晶体结构缺陷和上转换荧光性能的影响，建立了晶体结构缺陷与上转换荧光性能相关性。研究结果表明晶体中稀土离子团位束的形成是导致上转换荧光性能发生改变的主要原因。Yb3+离子在上转换荧光强度增强方面具有显著的作用，而Ho3+和Tm3+离子在荧光色度调节方面具有重要的作用。通过上转换功率曲线、能级寿命测试并结合荧光稳态速率方程，分析了Ho3+/Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体中上转换白光产生机制。研究结果显示980nm激光激发下，Ho3+/Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体的上转换蓝光为三光子过程，上转换绿光和红光为两光子过程。分析认为Ho3+和Tm3+离子较长的中间态能级寿命导致上转换荧光发射所需光子数小于整数值，Ho3+/Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体的上转换红光主要来源于绿光的无辐射跃迁。研究了泵浦功率对Ho3+/Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体上转换白光性能的影响。研究发现随着泵浦功率的增加，上转换荧光强度逐渐增加。荧光CIE值具有由白光区域经由绿光区域偏移至蓝光区域的趋势，分析结果显示上转换荧光CIE值随泵浦功率的变化是由上转换荧光发射所需光子数决定，泵浦功率越大越有利于具有较高光子过程的上转换荧光输出。探讨了温度对Ho3+/Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体上转换白光性能的影响。研究发现随着温度的升高，上转换荧光强度具有减弱的趋势，荧光CIE值由蓝光区域经由绿光区域偏移至红光区域。研究认为随温度的升高，无辐射跃迁速率的增加是导致上转换荧光强度减弱的主要原因，而LiNbO3晶体的自放热现象使其在550K附近产生小幅度波动。对LiNbO3晶体中Tm3+离子3F2/3和3H4能级的热耦合行为进行了探讨，研究结果表明Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体较高的光学温度探测灵敏度来源于Tm3+离子3F2/3和3H4能级间较大的能级差和基质较高的结晶度，其十分适合用于高温探测。研究了金属离子Li+离子、Mg2+离子和Mn2+离子对Ho3+/Yb3+/Tm3+/LiNbO3晶体上转换白光性能的影响。结果显示具有较小离子半径的Li+离子和Mg2+离子能够很好地调控晶体结构缺陷和稀土离子周围晶体场环境。LiNbO3晶体中Ho3+离子和Tm3+离子中间态能级寿命的增加以及发光能级寿命的降低有利于上转换荧光强度的增强，其可分别通过缺陷浓度的降低和稀土离子周围晶体场几何对称性的降低来实现。Mn2+离子利用其裸露的d轨道进行中间能量传递作用，增加了上转换红光输出几率，通过调节上转换绿光和红光比例实现了优异的上转换白光输出。采用第一性原理预测Yb、Mg和Mn在LiNbO3晶体中的掺杂占位情况，计算结果显示Yb3+、Mg2+和Mn2+离子在晶体中均优先占据Li位，其次占据Nb位。研究了理想LiNbO3晶体和Yb、Mg和Mn掺杂LiNbO3晶体的电子结构和光学性质。研究表明理想LiNbO3晶体为p型半导体，Yb和Mg掺杂LiNbO3晶体仍为p型半导体，Mn掺杂LiNbO3晶体则为n型半导体。Yb的掺杂使得LiNbO3晶体的带隙宽度变窄，其4f轨道起主要作用。Mg的掺杂并未引起LiNbO3晶体的带隙宽度发生明显改变。Mn的掺杂使得LiNbO3晶体的Fermi能级移至导带底，LiNbO3晶体变为n型半导体，Mn的3d轨道穿越Fermi能级。将计算结果与实验结果相结合，分析认为p型半导体更有利于上转换荧光强度的增加。此外折射率计算结果表明Mg2+离子和Mn2+离子可分别作为抗光折变离子和光折变敏感离子应用于LiNbO3晶体材料。