本文主要从理论上讨论光学超晶格和退火质子交换法制备的LiNbO3通道光波导中的光频率转换。给出了在聚焦高斯光束的作用下，光学超晶格中提高三次谐波转换效率的最佳条件和在一个光学超晶格中实现高效红、绿和蓝光同时输出的最佳条件。分析了退火质子交换的LiNbO3通道光波导的折射率分布特性和模场分布特性；讨论了该波导中三次谐波转换效率与耦合模相互作用长度、波导的制备参数，如掩模板开口宽度和退火深度的依赖关系，同时也说明了基波光波长、器件工作温度和掩模板开口宽度的调谐带宽。全文共分五章： 第一章，介绍了非线性光学频率转换的意义和介电超晶格的概念。说明了使用准相位匹配(QPM)方法、波导结构在实现频率转换方面的优点。 第二章，对光学超晶格中聚焦高斯光束的三次谐波产生进行了讨论。因为在非线性光学混频过程中，为了提高转换效率或信号强度，一般将激光束聚焦射入介质。这时，理论上采用聚焦高斯光束处理相互作用的耦合波是适宜的。本章从麦克斯韦方程组出发，推出了在聚焦高斯光束的作用下，描述光学超晶格中三次谐波产生的耦合波方程。在共焦聚焦的条件下对此方程进行了数值求解，主要得到以下结果：(1)获得最大三次谐波转换效率的优化条件是α/β=2.45，△k1L=0和△k2L=-3.9；(2)在1.45～3.45这个较宽的耦合系数比率范围内，可以得到高效率的三次谐波输出，从而在器件制备上允许一个大的制备容限；(3)对于聚焦的高斯光束，由于Gouy效应，实现高效的三次谐波产生必须要有负的相位失配。这与平面波近似下的结果不同。 第三章，讨论在一个光学超晶格中，用聚焦高斯光束实现红、绿和蓝光(RGB)的产生。首先，利用两个QPM的耦合过程，即参量过程及和频过程，导出了在同一个光学超晶格中实现高效RGB输出的耦合波方程。分别对共焦聚焦(L/b=1)和L/b=2.84两种情况进行了耦合波方程的数值分析。结果表明，在L/b=1情况下实现高效RGB输出的最佳条件是α/β=3.57，△k1L=-9.9和△k2L=-8.4；在L/b=2.84情况下的最佳条件为α/β=2.60，△k1L=-19.55和△k2L=-8.5。此种情况在保持较高红光和绿光效率的前提下，蓝光效率能够得到大幅度的提高。根据Gouy效应，说明了获得高效RGB输出必须引入负相位失配的原因。给出了利用RGB输出的最佳条件确定超晶格结构参数的方法。 第四章，介绍了退火质子交换法制备的LiNbO3波导的折射率分布和模场分布特性，推出了准TM模和准TE模满足的波方程，说明了解此方程所用的标量有限元方法。对选定的制备参数，在λ=1.342，0.671μm和0.447μm三个波长下，给出了波导在宽度和深度方向的折射率增量分布、模场及其等值线分布，同时也计算出了0阶和1阶导模的有效折射率。 第五章，从麦克斯韦方程的横向分量形式出发，导出了描述通道光波导中三次谐波产生的耦合模方程。利用准周期结构提供的两个倒格矢来分别补偿倍频及和频过程中的相位失配，对准周期APELiNbO3通道波导中的ii三次谐波产生进行了理论分析。结果表明：(1)最佳相互作用长度随基波功率的增加而单调减小，这表明高的基波光功率密度能够加速三次谐波的产生过程；(2)掩模板开口宽度和退火深度的增加都导致三次谐波转换效率降低；(3)基波光波长、工作温度和掩模板开口宽度的调谐带宽分别是0.12nm、0.74℃和0.48nm；(4)要实现高效的三次谐波转换，除了需要大的非线性光学系数和QPM条件外，还需要耦合的波导模间有大的交迭积分。