石英玻璃材料具有诸多优良特性，如制造成本低、极低的光学损耗、较高的光学损伤阈值，在现代光电子学以及光纤通信领域有着广泛的应用。由于石英玻璃材料的宏观中心反演对称性，石英玻璃以及石英光纤不具有光学二阶以及其它偶数阶非线性效应。热极化技术可打破其宏观反演对称性，诱导出二阶非线性。目前对热极化的机理进行了大量的研究，虽然认为其机理为载流子的迁移，仍有较多极化现象无法解释。另外由于热极化光纤较低的二阶非线性系数，一定程度限制了其应用价值，因此在热极化光纤的优化、新型热极化光纤设计与应用方面有待进一步的工作，以增大热极化诱导二阶非线性系数、提升应用价值。本文针对于热极化光纤的载流子动力学模型、优化以及新型热极化光纤的设计与应用，开展了一系列深入的理论、仿真与实验研究。本论文取得的主要研究成果与创新点如下:　　1.提出并验证了光纤热极化二维载流子动力学模型。模型结果揭示了光纤热极化中的载流子、非线性层的演化与分布，极化诱导二阶非线性系数的演化规律。光纤热极化二维载流子动力学模型对于理解光纤热极化中的现象，为实验设计以及极化结果的优化提供理论指导。研究结果首次给出了极化后光纤电光系数的演化规律。　　2.对双孔热极化光纤的传输特性与极化特性进行了系统的研究。研究了双孔光纤电极孔参数、电极材料的种类对光纤传输特性的影响，给出了双孔热极化光纤传输特性变化规律，在此基础上，研究了电极孔参数对热极化特性的影响，提出了一种具有单偏振特性的极化优化的热极化光纤。　　3.研究了光纤热极化芯包界面阻碍效应的机制，发现芯包界面的低载流子迁移率是影响芯包界面阻碍效应的根本原因。在此基础上，研究了纤芯、包层载流子迁移率、浓度对芯包界面阻碍效应的影响，提出了克服以及增强芯包界面阻碍效应的方案。　　4.研究了光纤热极化窄非线性层形成机制，建立热极化氢类载流子双迁移率模型。通过实验结果，推导了窄非线性层载流子分布特性，由此提出了H+与H3O+载流子双迁移率机制。该模型合理解释了光纤热极化窄非线性层形成的原因，结果表明氢类载流子浓度与Na+浓度相对大小是导致宽非线性与窄非线性层现象差异的根本原因。研究结果对于高度控制非线性层在纤芯中的分布有重要意义。　　5.研究了基于双阳极热极化光纤的二阶模二次谐波产生。首次提出了热极化光纤二阶模二次谐波产生，通过合理的设计双阳极与纤芯间距、热极化时间，双阳极热极化光纤可实现HE11模、TM01模、HE21模的单独与共同产生，可应用于二次谐波产生矢量波束或多波长、超宽带二次谐波产生。　　6.提出并研究了电可调谐热极化双芯光纤耦合器。设计孔-芯-芯-孔结构热极化耦合型双芯光纤，基于光纤热极化载流子动力学模型研究了双芯光纤的极化过程，利用双芯方向相反的电光系数，提出了具有高速调谐功能的热极化双芯光纤耦合器。　　7.实验与仿真研究了多阳极阵列光纤热极化特性。实验制作了含有～50、～500锡电极阵列的钙钠玻璃光纤，极化后利用二次谐波显微镜发现非线性层形成并环绕在～50阳极阵列光纤每个阳极孔、～500阳极阵列光纤外圈阳极孔。基于二维载流子模型的仿真，发现非线性层首先从外圈阳极孔周围形成，在自调节机制的作用下逐渐从外圈阳极孔扩展到内圈阳极孔。