光学非线性频率变换是随着激光技术发展产生的一门新学科,它使在目前现有激光材料基础上,获得更多波段范围内的激光输出成为了可能,因此自出现以来就备受关注。激光倍频是目前非线性频率变换领域应用最多和最广的技术,由于倍频过程对基频光光强的依赖很高,仅有少数情况能获得高倍频效率的激光输出。外腔谐振倍频理论与技术的出现极大地提高了倍频效率,尤其是在低平均功率、连续输出的基频光倍频过程中,外腔谐振倍频能将倍频效率较单通情况提高两个量级,显示出了其巨大的优越性。本文主要开展了外腔谐振倍频的理论和实验研究。首先,在对国内外研究进展充分调研的基础上,确定了基于PDH技术外腔谐振倍频路线。结合理想平面波倍频结论,建立了聚焦高斯光束倍频理论模型并进行了数值计算；引入BK聚焦因子和多光束干涉理论进一步求解了谐振倍频情况下的倍频效率公式,理论分析了倍频晶体长度、基频光注入功率与束腰半径对谐振倍频效率的影响,并在理想情况下采用LBO晶体长度为30mm、注入基频光功率为10W、束腰半径为50μm时,最佳谐振倍频转换效率达到80%以上；对满足最佳倍频条件的环形倍频腔进行了设计和优化,利用传输矩阵法分析了腔镜曲率半径、间距等对腔模束腰半径的影响,确定了采用“8字”环形腔的谐振倍频腔结构以及满足最佳倍频条件的腔参数,并进一步研究了基频光与环形腔之间的模式匹配特性与阻抗匹配特性。其次,对基于PDH技术腔长锁定理论进行了研究,分析了PDH误差信号的产生原理并进一步研究了环形腔透射腔模信号与误差信号随腔长微小偏移量的变化关系,从而验证了采用PDH技术实现腔长锁定的可行性。设计了适用于外腔谐振倍频的PDH腔长反馈控制系统,并开展了腔长锁定实验。针对影响锁定误差信号的电光相位调制器、调制信号以及扫描信号的频率与幅值、PID控制器参数等进行优化和整定,并通过监测经环形腔某一腔镜的腔内基频光漏光功率和光斑分布判定腔长锁定效果。实验中通过将空间相位调制器更换为光纤相位调制器,调制信号频率与幅值分别设为12.5MHz与0.2V,扫描信号频率与幅值设为10Hz与5 V, PID控制器参数G、P、I、D分别设为21、9500、215、0时获得了较理想的锁定效果。通过监测到的漏光推算出锁定时腔内基频光循环功率为152.69W,谐振增强因子为15.87,且漏光光斑分布均匀,呈基横模分布。最后,在腔长锁定基础上将LBO倍频晶体插入环形腔内开展谐振倍频实验。采用尺寸为8mm×8mm×30mm,类非临界相位匹配的LBO晶体,并将晶体放置于铜制热沉中进行150℃左右温控,实验结果显示晶体内部温度分布均匀,温宽较小；在谐振倍频实验中,分别分析了LBO晶体温度、基频光功率、束腰半径与中心波长和输入耦合腔镜反射率等重要参数对谐振倍频效率的影响,获得的实验结果与理论分析基本一致,且当LBO晶体温度为150℃,注入基频光功率为8.5W,束腰半径为50ìμm,输入耦合腔镜反射率为93%时,获得最高功率谐振倍频绿光输出为4.59W,倍频效率达到54%,比较了LBO晶体单通倍频情况下的实验结果,其倍频效率提高约200倍。最后测量了绿光功率的波长调谐特性、线宽、光束质量和输出稳定性等,均获得了较好的实验结果。在上述的研究工作中,本文取得的主要成果有以下3个方面：1).将聚焦高斯光束理论与谐振腔理论结合建立了外腔谐振倍频理论计算模型,分析了注入基频光功率Pin、倍频腔内最小束腰半径ω0、输入耦合镜反射率r1等重要参数对转换效率的影响并指导外腔倍频实验系统设计。2).采用了基于PDH腔长反馈控制技术,相比于通常基于光强型谱线误差信号反馈控制技术,其鉴相灵敏度高,避免了激光幅度噪声或不稳定性对系统的影响,提高了整个系统的可靠性。3).建立了外腔谐振倍频实验系统,利用“8字”环形倍频腔实现了腔长的长时间精确稳定的锁定,获得了锁定时基频光功率在腔内谐振增强15倍,倍频效率为54%的最高4.59W单频连续绿光输出,外腔谐振倍频效率较单通倍频效率提高了200倍,验证了对低功率连续输出基频光高效倍频技术的可行性。