本论文对基于光学超晶格的多重准位相匹配技术进行了理论分析和实验研究。提出了设计光学超晶格的一种新算法——自调整算法(Self-Adjusting Method),通过自调整算法设计出理想的非周期光学超晶格(AOS)和无周期光学超晶格(NOS)结构,通过满足多重准位相匹配过程,实现任意的二阶非线性过程,且转换效率达到理论最大值。基于周期为6.5μm的周期性极化铌酸锂(PPLN),通过实验验证了耦合四倍频效应中包含的多重准位相匹配过程,分析了耦合模式、偏振模式、匹配阶数对于四倍频效应转换效率的影响。最后,本文将准位相匹配原理扩展到左手材料,提出了新型的准位相匹配条件,并分别设计了基于左手材料和左手-右手混合材料的超晶格结构,以实现任意的二阶非线性过程。本论文首先从二阶非线性效应的耦合波方程出发,分析了耦合三倍频与耦合四倍频效应中包含的多重准位相匹配过程,推导并比较了耦合模式与级联模式下的转换效率,证明了可通过设计光学超晶格,满足多重准位相匹配条件,从而实现最高效的三倍频和四倍频效应,且得到了一些新的结论。基于周期为6.5μm的PPLN,进行了四倍频效应的实验,验证了理论推算的结果,分析了不同耦合模式、偏振模式、匹配阶数下四倍频效应的转换效率,通过实验进一步完善了多重准位相匹配的理论。本论文提出了设计光学超晶格的一种新算法——自调整算法。对于预设的任意非线性光学过程,分析了其中的多重准位相匹配条件,将其等效为多波长二倍频过程,通过自调整算法进行优化。本文设计了不同结构的非周期及无周期光学超晶格以实现多波长二倍频、宽带倍频、多波长耦合三倍频、多波长耦合四倍频等非线性过程,且讨论了温度、入射角度、畴结构精度等误差对转换效率的影响。提出了多重准位相匹配“理论最高效率和”的概念,以衡量算法的效率与精确度。理论推导与数值模拟证明,通过自调整算法设计的光学超晶格实现的任意非线性过程,其转换效率逼近理论最高的转换效率。本文首次将准位相匹配理论扩展到左手材料,建立了左手材料中的位相匹配模型。为实现任意波长的二倍频效应,设计了基于左手材料的光学超晶格结构——准位相匹配结构,与基于左手-右手混合材料的光学超晶格结构——空隙位相匹配结构。将左手材料的特殊光学性质与准位相匹配技术相结合,从单一的左手材料光学超晶格发展到左右手混合材料光学超晶格,为左手材料的应用开辟了新的思路。