中红外光凭借其独特的光谱特性广泛应用于大气通信、激光雷达、医疗设备等领域,然而高性能中红外光源大都由分立器件组成,需要对准和精准调节,稳定性不高且难以集成,不能适应新型激光器小尺寸、低功耗、大规模集成的发展趋势。本文针对目前中红外激光器的缺陷,提出基于光波导中三次谐波效应来产生中红外激光的方法,并设计了两种结构紧凑、易于大规模集成的非线性光波导结构,并将其应用于中红外三次谐波的产生。本文从光学非线性谐波产生的理论出发,推导了光波导结构中描述三次谐波产生过程的一般性耦合非线性薛定谔方程组,分析得出决定波导结构中三次谐波转换效率的三个关键因素:相位匹配条件、介质材料的三阶非线性极化率、泵浦波与三次谐波之间的模式重叠积分。然后基于表面等离子体激元形成原理,提出了两种满足谐波产生条件的光波导结构,在此基础上利用数值方法研究了波导中三次谐波过程中能量的转换与波导损耗、相位匹配条件以及模式交叠的内在联系,进一步优化了波导结构。本文首先提出了一种聚合物加载型的表面等离子体波导用以实现4650 nm中红外至1550 nm近红外的三次谐波转换。利用金属氧化物材料氧化镉（CdO）在中红外和近红外波段分别呈现金属特性和一般电介质特性的特点,通过波导中表面等离子体传播模式和普通光子模式之间的相互耦合作用,实现了泵浦波基模与三次谐波基模之间的相位匹配,并通过进一步的结构优化,在峰值功率为100 W,脉宽为100 fs的泵浦光脉冲作用下,获得了8.7×10^-5的三次谐波转换效率。为了进一步获得中红外谐波,基于金属对光场良好的束缚能力,我们设计了一种金属-半导体-金属狭缝波导结构来实现10.2μm到3.4μm中红外的三次谐波转换,由于在中红外波段金属银介电常数非常大,因此光场可以被严格约束在两个银层之间的锗狭缝区域中。与此同时,金属也带来了巨大的传播损耗,使得传播损耗成为了限制转换效率进一步提升的主要限制因素,而不再是传统的相位匹配条件。在这种情况下,我们通过泵浦波基模和谐波基模之间的三次谐波转换,从而获得更大的非线性系数。通过进一步优化波导结构,在泵浦光功率为1 W时,实现了转换效率为9.1×10^-4的中红外三次谐波。此外,该波导具备较大的制备容差和波长偏移容限,且在低温下能保持良好的稳定性。本文所提出的非线性光波导有望为大规模集成的中红外光源提供一条潜在的途径。