实现高效率非线性频率转换的核心是操控关键的位相匹配条件。然而,在实际的非线性频率转换中,非线性晶体中的温度和色散以及光束的发散性等物理效应均将限制理想位相匹配条件的实现。随着激光平均功率的持续提高以及光谱带宽的不断增大,这些物理效应对位相匹配和频率转换效率的影响越来越显著,高效率频率转换也因此面临着关键挑战。为了实现高平均功率、宽光谱带宽等状态下的高效率频率转换,必须探索位相匹配新方式,开发位相匹配新技术。针对这个研究目标,本文在理论与实验上着重研究了以下四方面内容:1.聚焦涡旋光束倍频中的位相匹配优化研究涡旋光束具有与普通高斯光束不同的强度分布以及光束发散性等特征,这决定了涡旋光束在倍频过程中将呈现新规律。本文第二章理论上研究了聚焦涡旋光倍频中的位相匹配优化。我们发现,在非临界位相匹配条件下,涡旋光束获得最高倍频效率的最佳聚焦参数与Boyd/Kleinman（BK）经典准则预测的高斯光束倍频的最佳聚焦参数完全一致;然而,在临界位相匹配条件下,BK准则却不再适用于涡旋光束。由于光束发散性的影响,涡旋光束倍频的最佳聚焦参数将随着涡旋光束阶次的增大而减小。此外,为了获得最高倍频效率,还需要引入轴上位相失配。在临界位相匹配条件下,随着涡旋光阶次的增大,所要求的位相失配量将逐渐减小。另外,我们还研究了不同位相匹配条件下倍频光的涡旋光束特性。2.倍频中的温度不敏感位相匹配技术迄今为止,高平均功率状态下的高效率倍频仍然是激光技术领域的一个瓶颈性难题。其原因在于,倍频晶体中的杂质缺陷对基频光和倍频光的吸收会形成不均匀的温度分布（温度场畸变）,从而破坏关键的位相匹配（位相失配畸变）。为了提升高平均功率状态下的倍频效率,首先需要增大倍频过程的温度（接收）带宽。针对这一难题,在本文第三章中,我们创新提出利用非共线构型来实现温度不敏感位相匹配技术,大幅度地提升了倍频过程的温度带宽。在基于LiB₃O₅（LBO）晶体的原理验证性实验中,相比于传统的共线位相匹配,温度不敏感位相匹配技术可将倍频中的温度带宽提升13倍至50 K×cm^1/2。我们也研究了温度不敏感位相匹配技术在高平均功率激光倍频中的性能。结果表明,相比于传统共线位相匹配,温度不敏感位相匹配技术在倍频效率和光束质量等方面都具有明显优势。3.光参量啁啾脉冲放大中的温度和波长均不敏感位相匹配技术利用光参量啁啾脉冲放大技术（OPCPA）已经可以获得峰值功率超过拍瓦的超短超强激光。然而,在高平均功率状态下,非线性晶体内由杂质缺陷吸收而引起的热效应会破坏放大过程中的位相匹配,进而降低放大器的放大能力。针对此问题,在本文第四章中,我们同时利用非共线构型和角色散这两个自由度来操控OPCPA中的位相匹配条件,创新提出了对于温度和波长均不敏感的新型位相匹配技术。传统的非共线OPCPA将非共线构型用于实现波长不敏感位相匹配,而本文则将非共线构型用于实现温度不敏感位相匹配。此外,通过利用角色散来修饰信号种子光,我们同时实现了波长不敏感位相匹配。本文在理论和实验上证明了这种新型位相匹配技术的性能,在基于LBO晶体的原理验证性实验中,该位相匹配技术能将OPCPA放大器的温度带宽提升6倍。此外,该位相匹配技术也具有支持宽带激光放大的能力,在近红外波段能产生脉冲宽度小于20 fs的超短脉冲。4.基于温度和波长均不敏感位相匹配技术的高平均功率OPCPA理论设计非共线构型是操控位相匹配的有效手段,之前的研究主要将非共线构型用于实现OPCPA中的波长不敏感位相匹配,而我们发现非共线构型也可以用于实现温度不敏感位相匹配。但是,通常情况下实现这两种位相匹配所要求的非共线角度并不相同,因此仅利用非共线构型难以同时实现这两种位相匹配。针对该难题,我们在第五章中通过整体设计晶体环境温度和信号光波长等位相匹配参数,仅采用非共线构型就可以使得位相匹配对温度和波长均不敏感,首次实现了温度和波长均不敏感位相匹配的“多参数”设计能力。通过耦合OPCPA过程与热传导过程,我们理论上研究了该温度和波长均不敏感位相匹配技术在高平均功率OPCPA中的性能。结果表明,相比于传统的波长不敏感位相匹配,温度和波长均不敏感位相匹配技术在转换效率和脉冲特性等方面都具有显著优势。