光子晶体光纤具有很多传统光纤不具备的优良特性,如:高非线性、可调色散、高双折射、大模场面积等。高峰值强度超短脉冲激光与光子晶体光纤的结合产生了各种光学非线性现象,而基于非线性效应产生的光谱在工业、通信及医学等各个方面得到了广泛的研究和应用。虽然光子晶体光纤产生的非线性光谱种类比较丰富,但是在高效率频率转换、深紫外光谱产生、大范围可调中红外孤子以及中红外超连续谱等领域的研究却相对滞后,成为目前非线性光谱研究领域的热点。本论文主要围绕以上方面的应用展开相应特性研究,主要研究工作如下。首先,结合麦克斯韦方程组,建立光子晶体光纤非线性效应的非线性薛定谔方程。给出群速度色散和光子晶体光纤中的主要非线性效应,如:自相位调制、交叉相位调制、四波混频、孤子、受激拉曼散射。根据模拟结果分析了光纤长度、入射脉冲宽度、入射脉冲峰值功率、入射脉冲波长、初始啁啾参数对光子晶体光纤频谱的影响。其次,采用有限元法对自行研制的光子晶体光纤进行理论模拟,并得出它的高非线性系数、双零色散范围和双折射特性。利用飞秒激光脉冲在光子晶体光纤的反常色散区进行泵浦,得到了高效宽带的色散波。色散波峰值功率与残余泵浦峰值功率之比可达到42.67,带宽可达到81 nm,转换效率超过50%,并且残余泵浦能量小于10%,实现了用较低平均功率获得高效宽带的频率转换。进一步使用衰减片调整平均功率以及使用半波片改变入射脉冲偏振方向来调节高非线性双折射光子晶体光纤中色散波的强度、中心位置并分析引起的原因。这些研究成果可促进高速光通信以及超快光子学中的新型器件的产生。再次,实验研究了高非线性双包层结构光子晶体光纤和具有大空气孔构成节区的PCF产生的中红外孤子自频移现象。当使用飞秒激光器泵浦双包层光子晶体光纤时,发现在泵浦功率为827 nm,功率从0.1 W增加到0.42 W时,中红外第一个孤子随功率增加从1 933 nm移动到2 403 nm,移动范围达到470 nm,为石英基光子晶体光纤在中红外孤子激光器的产生创造了很好的条件。另外目前关于光子晶体光纤的研究和应用,大部分都是利用纤芯传输。然而包层具有大空气孔的光子晶体光纤,其包层三个空气孔所围节区的模场面积比纤芯小很多,相应的非线性系数很大,因此也会形成丰富的非线性效应。然后,通过实验研究了光子晶体光纤中的深紫外频谱展宽效应并分析其产生的非线性机理。泵浦波长为860 nm时,深紫外频谱展宽范围随泵浦功率的增加而逐渐展宽;泵浦功率固定为0.4 W时,孤子与色散波的交叉相位调制使深紫外基模超连续谱扩展到最短波长212 nm。随着泵浦波长的增加,超连续谱范围不仅展宽而且深紫外区频谱的转换效率极大的提高。该研究结果能为光学检测和光信息处理等方面所需的深紫外光源提供良好的解决方案。另外,当泵浦波长远离光子晶体光纤零色散波长时,本文采用对光子晶体光纤进行后处理的方法,即可通过拉锥来改变光子晶体光纤的零色散波长位置进而促进紫外频谱的产生。最后,基于中红外超连续谱的价值,研制了一种光子晶体光纤来产生超连续谱。实验可得超连续谱范围从610 nm一直延伸到2 500 nm。产生的宽带超连续谱,可应用于产生高功率中红外超连续谱光源、光谱分析以及大气探测等。