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非线性光学晶体在激光的变频技术中具有重要应用。传统的激光发射波长有限，需要借助非线性光学晶体的倍频和拉曼性质向紫外、可见和红外方向拓展光谱，这些激光波段在通讯、医疗、工业、农业、娱乐、生物、国防和科研等领域拥有广泛的需求。本论文采用提拉法生长了ReCa4O(BO3)3(Re=Tm、Y、Gd、Sm、Nd、La、LaxGd1-x、SmxY1-x、NdxLayGd1-x-y，0＜x，y＜1，x+y＜1)和Ca3(BO3)2非线性光学晶体，对这些晶体的生长工艺和晶体质量进行了研究，测量了混晶LaxGd1-xCa4O(BO3)3(0＜x＜1)、 NdxLayGd1-x-yCa4O(BO3)3(0＜x,y＜1, x+y＜1)、SmxY1-xCa4O(BO3)3(0＜x＜1)的组分x和y的值，测试了晶体的透过率和折射率等基本光学性质，并拟合了晶体折射率色散方程。研究了ReCa4O(BO3)3构型晶体的临界倍频和非临界倍频性能，评价了Nd0.03La0.08Gd0.89COB晶体的自倍频性能。根据实验结果讨论了稀土阳离子半径对晶体双折射的影响，并通过理论推导研究了双折射对非临界倍频波长的影响。测试了Ca3(BO3)2晶体自发拉曼谱，报道了Ca3(BO3)2晶体的受激拉曼散射性质，研究了该晶体结构与拉曼性能的关系，探讨了在含有[BO3]功能基团的硼酸盐中寻找拉曼晶体的方向。论文主要内容如下: 根据ReCOB(Re∶ Tm、Y、Gd、Sm、Nd和La)、 LaxGd1-xCa4O(BO3)3(0＜x＜1)、NdxLayGd1-x-yCa4O(BO3)3(0＜x,y＜1, x+y＜1)、 SmxY1-xCa4O(BO3)3(0＜x＜1)和Ca3(BO3)2晶体的化学反应方程式进行了配料、烧料、压料，合成生长所需的多晶原料。研究了晶体的生长工艺，成功制备了高质量、大尺寸的纯ReCOB(Tm、Y、Gd、Sm、Nd和La)晶体，LaxGd1-xCa4O(BO3)3(x=0.09,0.13), Nd003La008Gd0.89COB和SmxY1-xCa4O(BO3)3(x=0.44，0.55)混晶，以及Ca3(BO3)2晶体，尺寸达到直径20-30mm，长度25-50mm。在生长LaCOB晶体过程中，发现它在降温过程容易沿(-201)晶面解理和开裂，研究晶体结构发现LaCOB在(-201)晶面具有层状结构，同时还因为La3+具有较大的离子半径和较小电负性，导致LaCOB晶体比YCOB和GdCOB更容易解理和开裂。通过减小生长过程的温场梯度波动和放慢晶体生长结束后的降温速率方法有效控制了LaCOB晶体的开裂。采用高分辨X射线衍射对所生长的TmCOB、La0.09Gd0.91COB和Nd0.03La0.08Gd0.89COB晶体进行了测试，所有样品的摇摆曲线半峰宽均小于30"，证实这些晶体具有较高的结晶质量，为后续非线性光学研究奠定了基础。详细研究了TmCOB晶体的结构，它属于点群m，空间群Cm，晶胞参数为a=8.0679(A)，b=16.0140(A)，c=3.5224(A)和β=101.1115°。在TmCOB晶体中由于Tm-O键和Ca1-O键的键长比较接近，所以Tm和Ca1的晶格位置容易发生相互取代，Tm3+被Ca12+离子取代的比例达到22％的，多余的Tm3+占据了Ca12+离子的格位，维持了晶体价态平衡。 在室温下测试了ReCOB与Ca3(BO3)2晶体的透过谱，研究了其吸收峰位置，确认了晶体的应用波段范围。其中GdxY1-xCOB，LaxGd1-xCOB和LaxY1-xCOB系列晶体具有较宽的透过范围，从350 nm到2400 nm波段无吸收峰，SmCOB晶体在366-398nm和421-1054 nm波段具有超过70％的透过率，Ca3(BO3)2晶体在180-2450 nm波段无吸收峰。使用偏光显微镜对ReCOB系列晶体进行了定向，为后续加工、应用奠定了基础。在室温下测试了TmCOB、SmCOB、NdCOB、LaCOB和La0.09Gd0.91COB晶体的折射率，拟合了高精确度的色散方程，便于后续的非线性倍频性质的计算。 系统研究了YCOB和GdCOB晶体在1064 nm和1320 nm波长处的二类倍频性质，发现了这两种晶体的二类相位匹配同一类相位匹配相比具有走离角小和容限角大的优势，便于利用较长晶体提高转化效率。通过设计二类倍频实验验证了d31的符号为负，解决了多年来一直存在的d31符号不一致的问题，确定了YCOB晶体在1064 nm最优二类倍频方向为(112°，81.3°)，该匹配方向对应的有效非线性系数、容限角和走离角分别为0.32 pm/V、6.8 mrad和5.1 mrad，采用该切向24 mm长的YCOB样品，实现了Nd∶YAG皮秒激光器55％的转化效率。计算了TmCOB、LaCOB和La0.09Gd0.91COB晶体的相位匹配曲线和有效非线性系数，确定它们对1064 nm的最优主平面倍频方向分别为(32.5°，180°)、(15°，180°)和(17.5°，180°)，最优空间倍频方向分别为(112.5°，35.9°)、(113.5°，43.8°)和(113.5°，48.6°)。采用Nd∶YAG激光器(1064 nm，35 ps)进行倍频效率测试，转化效率均达到50％以上。研究了Nd0.03La0.08Gd0.89COB晶体的激光自倍频性质，晶体样品未镀膜情况下546 nm自倍频激光输出达到125 mW。 研究了ReCOB(Re∶Tm、Y、Gd、Sm、Nd和La)构型晶体的非临界倍频性质，通过调控Re1xRe21-xCOB混晶组分x，理论上可以实现0.7-1.42μm波段内所有波长的非临界倍频。根据倍频实验结果和相位匹配理论分析，发现ReCOB构型晶体的一个普遍规律，即稀土阳离子Re3+与Ca2+的离子半径越接近，晶体的双折射越小，对应的非临界倍频波长越长。根据相位匹配公式推导了ReCOB构型晶体的非临界倍频角度容限带宽的表达式，代入晶体的折射率色散系数，求得了角度容限带宽的理论值，与实测值符合得较好。对于ReCOB构型晶体，非临界倍频角度容限带宽的范围为40-150 mrad·cm1/2，比临界情况大一个到两个数量级。分别采用OPO和钛宝石激光器实现了ReCOB晶体的高效非临界倍频输出，最高转化效率分别达到20-30％和40-50％。 测试了Ca3(BO3)2晶体的热学、激光损伤阈值、自发拉曼谱，研究了受激拉曼散射性质，讨论晶体结构和拉曼性能的对应关系。Ca3(BO3)2晶体具有适中的热学性质，α11和α33的值分别为α11=5.80356(10-6/℃)和α33=25.0224(10-6/℃)，在室温25℃时，a和c轴热导率分别为3.8 W/(m·℃)和3.7 W/(m·℃)。研究发现Ca3(BO3)2晶体拥有高的抗激光损伤阈值，在入射光为1064 nm(40 ps)时，Y-偏振和Z-偏振的激光损伤阈值分别为49.3 GW/cm2和83.5 GW/cm2，在入射光为532 nm(30 ps)时，Y-偏振和Z-偏振的激光损伤阈值分别为17.8 GW/cm2和35.2 GW/cm2。Ca3(BO3)2晶体最强拉曼峰的频移为927 cm-1，位于X(YY)X配置中，拉曼线宽为6.1cm-1。Ca3(BO3)2晶体在泵浦波长为266 nm、355nm、532 nm和1064nm的条件下，拉曼增益分别为29.6 cm/GW、16.2 cm/GW、7.7 cm/GW和2.0 cm/GW，这些较大的拉曼增益使Ca3(BO3)2晶体实现了深紫外(DUV)到中红外(NIR)的超宽波段受激拉曼散射，其中266.1nm和270.3 nm为目前实现的最短双波长拉曼激光。讨论了[BO3]基团的排列方式对硼酸盐晶体拉曼性质的影响，探讨了在硼酸盐体系中寻找新型拉曼激光晶体的方向。