本文利用提拉法，研究较优的工艺参数，生长出无明显宏观缺陷、光学均匀性好的镁钕、锌钕和铬钕系列铌酸锂单晶。 X射线粉末衍射实验结果表明Zn：Nd：LiNbO3、Mg：Nd：LiNbO3和Cr：Nd：LiNbO3晶体具有与LiNbO3晶体相同的晶格结构。对生长后的晶体晶胞参数进行计算后发现，晶格常数随着ZnO、MgO和Cr2O3含量的增加而增加。Zn：Nd：LiNbO3、Mg：Nd：LiNbO3和Cr：Nd：LiNbO3晶体的紫外吸收边和红外吸收峰的变化机理也在本文中被讨论。研究显示Zn2+、Mg2+和Cr3+离子优先取代反位铌(NbLi4+)。当ZnO，MgO含量达到其阈值浓度后，所有的反位铌被完全取代，Mg2+，Zn2+离子占据NbLi4+发展到占据Li+位和Nb5+位。在Mg：Nd：LiNbO3、Zn：Nd：LiNbO3荧光光谱得出1.088μ的能级上易实现激光振荡，特别是1.088μ的能级易用于大功率的固体激光器。而掺Cr3+荧光光谱中可以发现Cr3+离子对Nd3+离子起到很好的敏化作用。对Cr3+荧光寿命测试中，共掺Cr和Nd的样品Cr3+离子从吸收泵浦光能量到把能量转移给Nd3+离子的整个时间也小于Nd3+离子本身的荧光寿命，因而也就不会影响把Cr：Nd：LiNbO3制成小型激光器时输出的激光功率密度。 从二波耦合测试结果可以得出，随着Mg和Zn的含量的增加，铌系铌酸锂晶体的光折变效应减弱。在掺Zn的Nd：LiNbO3我们也发现了同掺Mg的Nd：LiNbO3相同的结果。在光激发载流子的测试中发现掺入3mol％和5mol％的时候光激发载流子以电子为主；当超过阀值浓度时，光激发载流子以空穴为主。 利用透射光斑畸变法测试了Mg：Nd：LiNbO3、Zn：Nd：LiNbO3晶体的抗光致散射能力。当ZnO、MgO含量低于其阈值浓度时，晶体的抗光致散射能力变化不大。相反地，当ZnO、MgO含量达到其阈值浓度后，晶体的抗光致散射能力显著增加，比纯LiNbO3晶体提高了二个数量级。 在晶体倍频效率的测试中，我们得出了生长晶体的相位匹配温度和相位匹配角度，掺Mg，Zn的晶体的相位匹配角均明显的小于纯铌酸锂的数值，因而可以通过提高温度实现90°的最优相位匹配。Nd和Cr离子的加入使相位匹配温度下降，在Nd：LiNbO3中掺入Mg与Zn后，随着Mg与Zn的含量的增加，相位匹配温度逐渐升高。 在对Zn(7mol％)：Nd：LiNbO3和Mg(6mol％)：Nd：LiNbO3的倍频转换效率的测试中，得出随入射光功率密度的增加，晶体的倍频转换效率增加，当入射光功率密度大于12Mw/cm2后，倍频转换效率增加的比较缓慢。并且对脉冲次数温度效应与暗迹对倍频转换效率的影响进行了分析。多次脉冲激光照射，晶体温度的改变引起晶体折射率的变化，导致倍频转换效率下降。可以通过调整晶体的相位匹配角使晶体达到一个新的角度相位匹配状态。但晶体的倍频转换效率不能恢复到单脉冲激光照射时的初始状态。本文也利用不同双掺杂的LiNbO3晶体作为全息记录介质和位相共轭镜，并且进行了实时干涉计量、图象边缘增强，关联存储等实验研究。本文对铌酸锂单晶生产过程的环境污染问题进行了探讨并提出了解决办法。