铁电材料是一种用途广泛的功能材料,其具有的压电效应、电光效应、热释电效应、电卡效应等功能特性,使得其被广泛制作为超声换能器、电光调制器、热电传感器、储能器等。在过去的半个多世纪中,固溶体类的钙钛矿结构铁电体由于在相变临界处具有极高的压电、电致伸缩、电光等性能获得了大量的关注。研究结果表明,固溶类铁电体在相变附近的优异性能都与相变过程中出现的极性纳米微区(polar nanoregions,PNRs)具有密切关系。因此探究PNRs的本征特性及其与宏观性能之间的物理关系也成为目前固溶体类铁电体研究中的重要方向,它将为实现铁电材料性能人工调控,新型铁电材料开发,新功能特性的探索提供可行路线。KTa1-x Nbx O3(KTN)晶体是一种具有典型钙钛矿结构的固溶类铁电体,其具备的原子占位清晰、极化贡献主要来源单一、不存在非平衡局域场等优点,简化了相变过程中影响PNRs的因素,同时其相变过程中展现了几乎所有铁电体中与PNRs相关的物理现象,是非常利于探索PNRs起源,演化及与宏观性质关系的研究对象。目前KTN晶体中PNRs的研究大多集中在其起源及演化规律两个方面,对非常重要的PNRs与材料宏观功能性之间物理关系以及PNRs调控机制的研究仍然少有涉及,而这正是进一步展现PNRs相关研究实际价值所必须解决的问题。本论文首先系统研究了KTN晶体在顺电-铁电相变过程居里温度两侧的极化演变特性。在居里温度以上,综合讨论了KTN中PNRs形成、演化的物理机制及材料体系对PNRs影响。在居里温度以下,发现四方相KTN中自发极化具有非常好的可恢复性。结合局域组分波动及朗道相变理论提出了适用于KTN晶体的B位离子局域各向异性分布诱导的非对称极化机制:局域内Nb5+离子的各向异性分布导致区域内自由能势阱的非对称性,区域内自发极化朝更深势阱方向优先取向,为自发极化受外电场影响后恢复初始取向提供了动力。研究了PNRs对KTN晶体折射率的影响机制,分析了外电场下PNRs响应特性及对二次电光系数的影响。采用马赫-曾德尔干涉系统对KTN晶体居里温度附近二次电光系数随温度变化规律进行研究,分析了PNRs随温度变化对二次电光系数的影响。利用塞拿蒙补偿法(Senarmont compensator method)对KTN晶体二次电光系数随外加电场频率变化过程进行研究,分析PNRs的频率响应特性。最后,提出外电场下PNRs取向密度重新分布模型,阐释了居里温度附近PNRs对电光效应的影响机制。研究了KTN晶体中PNRs对电致伸缩效应及机电耦合效应影响。利用塞拿蒙补偿法光路,发现了顺电相KTN晶体居里温度附近仅由10 V/mm的外加交流电场引发的强机电耦合共振现象,通过光强波动与外加电场频率关系证明此机电耦合现象与传统的铁电体中引发机电耦合的压电效应机制无关,仅由KTN晶体中巨电致伸缩效应引发。最后,对KTN居里温度附近巨电致伸缩效应的物理机制进行研究,发现居里温度附近PNRs的局域应变场特性及外电场下PNRs集体性的无序-有序转变过程是电致伸缩效应增强的物理根源所在。研究了居里温度以上KTN中PNRs的非随机取向过程。采用塞拿蒙补偿法,发现顺电相KTN晶体中与PNRs各向异性分布相关的异常双折射现象,测试了双折射大小随温度的变化规律,证明了其随温度变化具有良好的遍历性(ergodicity)。结合PNRs对折射率的影响作用模型,提出了顺电相KTN晶体中PNRs非随机取向引发PNRs各向异性分布,进而导致自发双折射的机制。最后,结合材料体系和点偶极子(point dipole)相互作用模型,提出局域组分不均匀分布引发PNRs非随机取向模型,这一模型经扩展后也可适用其他非固溶类铁电体顺电相中的双折射现象。