本文主要研究基于非线性晶体光学超晶格的二阶以及高阶非线性效应的特性及其应用，其中包括研制基于非周期性极化铌酸锂的全光多波长转换器件，从理论上研究并设计了4个ITU标准信道之间的全光波长转换；另外，还引入了无周期和超结构光栅等新型结构。同时还研究了基于铌酸锂晶体的直接四倍频效应。 利用光学超晶格的微结构特性，利用空间倒格矢补偿由于色散引起的位相失配，并用模拟退火算法和模拟退火-遗传算法优化得到了能实现宽带倍频的非周期，以及无周期畴反转超晶格结构，从理论上给出了基于非周期畴反转晶体的多波长转换器件；另外使用遗传-模拟退火法优化畴反转的基元的循序和长度，通过无周期结构提供的大量空间倒格矢补偿相互作用光场的位相失配，实现了高转换效率的四波长频率响应，基波波长在这个几个波长处都能实现倍频。 此外，本文从理论上研究了基于周期性极化晶体准位相匹配（QPM）的直接四倍频（FHG）效应。得到了晶体畴反转周期和泵浦波长的关系。计算了的基波波长、温度和入射角带宽。并且通过实验，观察到了丰富的高阶非线性效应，同时给予了恰当的解释。并从中直接观察到了周期性极化铌酸锂晶体中的四倍频效应。