近些年来,由于超短脉冲激光技术的不断进步,宽带激光的频率转换受到广泛关注。宽带激光与长脉冲或连续激光的频率变换过程存在明显的不同,其极高的峰值功率产生显著的高阶非线性效应,而这些高阶非线性效应对峰值功率较低的长脉冲或连续激光影响很小。同时,由于频谱很宽,频率转换过程不仅要考虑中心频率,其它频率成分也会产生重要作用,这使得频率转换过程比较复杂。本文针对宽带激光级联二阶非线性效应和三次谐波产生开展了较系统的理论分析和实验研究,包括以下两个方面:1、对宽带级联二阶非线性效应进行了理论和实验研究,分析了光谱展宽、频率漂移和能量转移的产生条件及影响因素。建立了级联二阶非线性过程的耦合波方程,利用分步傅里叶法对其进行数值求解,分析了入射光强、相位失配量、群速度失配、群速度色散、晶体长度等参量对级联非线性过程的影响。实验利用PPLN晶体产生二阶级联非线性过程,获得了300 nm的光谱展宽,光谱展宽主要受类自相位调制作用,其中基频光波中心波长为1550 nm、谱宽为50 nm、脉冲宽度为40 fs。改变入射波长,输出光波发生红移或蓝移,频率漂移量受相位失配量大小及正负的影响,实验获得了50 nm的红移和60 nm的蓝移。2、对宽带级联三次谐波产生进行了理论分析和实验研究,分析了高效三次谐波转换的影响因素。建立了级联方式产生三次谐波的物理模型,解析推导了三倍频光波的表达式;对比了长脉冲和宽带激光入射时,入射光强、相位失配量和传播距离等参量对谐波效率的影响。考虑走离效应,输入脉宽的阈值约为20 fs。当入射强度低于35 GW/cm2时,三次谐波效率主要取决于△k THG,当△k THG=±5cm-1时转换效率最高;当入射强度增加时,转化效率主要取决于△k SHG,当△k SHG=±10cm-1时转换效率最高;随着入射强度进一步增加,谐波转化效率趋于饱和。实验以波长为1550 nm、脉冲宽度为100 fs的宽带激光作为基频光源,在一块多周期5 mol.%Mg O:LN晶体中,实现了转换效率约为10.8%的级联三次谐波产生。在近似满足相位匹配条件的情况下,温度调谐带宽约为120℃,产生三次谐波的谱宽为9 nm。