近十年来,利用激光实现大色域投影显示引起科学界和产业界的极大关注,是当前一个十分活跃的研究领域。激光光源是激光显示的核心技术,当前研究的焦点在于如何实现高电光转换效率、高可靠性、成本低的红绿蓝三基色激光器和如何抑制激光相干散斑效应,实现激光显示的产业化。目前,红蓝半导体激光器关键技术已经获得突破并商业化。现在绿光激光器主要采用的是利用非线性晶体(KTP,LBO,PPLN)倍频得到的。这种激光器具有效率高、功率大、结构紧凑等特点,但是由于这种激光器产生的激光具有很好的单色性和相干性,容易在屏幕上形成耀眼的相干散斑,降低了显示图像画质,引起观看者的视觉疲劳。2012年,日亚公司报道了1.1 W绿光半导体激光器,但依然存在可靠性和成本方面的问题,远没有达到商业化要求。如何获得高效率、高亮度、低相干性绿光激光器已经成为国际上激光显示领域的重大课题。实验研究发现,采用宽线宽、多波长的激光器能够有效地抑制散斑。通过后期处理将激光器的线宽扩展到3nm后,散斑将有明显的下降。本课题组近期发现,钕镁共掺的铌酸锂和钽酸锂晶体具有非常优异的激光特性,包括宽的荧光谱带,较大的吸收截面和激光发射截面,可以实现大功率双波长、宽谱带近红外激光输出。进一步发展,采用周期极化结构的Nd:Mg:LiNbO3晶体,可以实现倍频、和频等多个非线性过程级联耦合,有望获得激光线宽大于5 nm的绿光激光。如此大的绿光线宽在抑制激光散斑等方面具有其它晶体无法相比的优势。随着外加电场极化和生长条纹技术制备周期极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate, PPLN)晶体的发展,近年来周期极化共掺Nd:Mg:LiNbO3晶体的自倍频绿光、和频红光和光学参量振荡都有报道。采用外加电场极化法制备的周期极化Nd:Mg:LiNbO3晶体有潜力实现高效率的激光输出。为了为激光显示提供稳定可靠、有助于减弱散斑的绿光光源,本论文主要开展了以下工作：1、研究外加电场特性对铌酸锂周期极化性能的影响：使用外加电场法制备了周期极化铌酸锂晶体,发现使用单一的脉冲电压,获得的晶体的畴结构不能极化完全,而且靠近+Z面的铁电畴发生了严重的合并,影响了晶体的非线性频率转换效率；施加反向电压后,利用极化反转过程中的自发反向极化,可以有效的抑制+Z面的合并,得到周期性的畴结构；进而改进极化电压波形,使用短脉冲串来进行极化反转,不止抑制了+Z面的铁电畴的合并,而且极大地增加铁电畴的贯穿厚度,最后得到了周期是6.97μm、极化反转深度大于0.9 mm、占空比接近于50%的PPLN晶体,为基于准相位匹配的固体激光器提供了品质优良的非线性晶体。2、研究了PPLN晶体的红外非线性光学特性：采用周期为6.97μm、尺寸为10 mm×5 mm×1 mm (a×b×c)的PPLN晶体,进行了单通倍频实验。泵浦光是重频为10 kHz、脉冲宽度是84 ns的1064 nm声光调Q Nd:YVO4激光。测得随着泵浦功率的升高,晶体的最佳工作温度向着低温方向偏移,温度带宽大约是2℃,获得了最高44.05%的非线性转换效率。分析了影响转换效率的因素,发现对于特定长度的非线性晶体,其转换效率随功率密度的增加并不呈简单地增加趋势。利用具有三个周期(28.5μm、29μm、29.5μm)结构的PPLN晶体进行光参量振荡实验,得到了具有3822.05 nm、4001.46 nm、4159.95 nm三个波长的中红外激光输出。3、研究了共掺晶体Nd:Mg:LiNbO3的光学性质,分析了其不同的偏振特性：对于σ偏振,其吸收光谱的中心是809 nm,发射具有五个独立的发射峰,且强度相当；对于π偏振,其吸收光谱的中心是813 nm,虽然具有三个独立的发射峰,但是在1083.64 nm处的发射峰明显强于其他两个,暗示着晶体在不同方向具有不同的激光运转特性；其荧光寿命为107.64 μs,适合用来作为激光活性介质；使用LASCAD软件对其在激光运转时的热学、力学等特性进行了分析,模拟出了其热透镜焦距;使用c切Nd:Mg:LiNbO3晶体,得到了最高输出功率为1.97W的双波长激光输出,激光波长是1077.5 nm和1093.6 nm；使用a切Nd:Mg:LiNbO3晶体,得到了最高输出功率为1.24W的单波长激光输出,激光波长是1084.7nm。使用c切Nd:Mg:LiTaO3晶体,得到了最高输出功率为2.7W的双波长激光输出,激光波长是1076 nm和1092 nm。多波长激光器,其经过多个非线性过程后,可以获得多波长的绿光或者近红外-中红外激光输出,在激光显示、光电对抗等领域有着重要的应用。4、设计了Nd、Mg共掺钽酸锂与PPLN结合的激光器,研究了其激光特性：采用腔内倍频的方法,以Nd:Mg:LiTaO3为激光晶体,多周期的PPLN晶体为非线性晶体,获得了多波长、宽谱带的绿光激光；从高斯光束传输的ABCD矩阵出发,计算了在不同谐振腔参数下腔内的光束半径,得到了最佳的谐振腔参数；采用具有三个周期(7.55μm、7.38 μm和7.22 μm)结构的PPLN晶体,得到了最高输出功率是62 mW的三波长绿光激光输出,激光波长是538 nm、542 nm和546 nm。对532 nm、546 nm、538 nm和三波长绿光激光的散斑对比度进行了测量,其散斑对比度分别为13.41%、5.16%、5.2%和3.38%。三波长绿色激光的散斑对比度只有532 nm单波长绿光的1/4,证明少量的宽谱带绿光与主波长激光混合可以有效地减弱激光散斑,为激光散斑的消除提供了可靠的解决方案。6、研究了周期极化Nd、Mg共掺铌酸锂晶体的极化特性,首次制备了基于周期极化自倍频激光器：制备了周期极化的Nd:Mg:LiNbO3晶体；在极化反转的过程中发现,其极化电压相比于Mg:LiNbO3略有升高,晶体+Z倾向于形成许多链状畴核点,通过施加负向电压、采用多脉冲串的形式,可以抑制畴核的扩张,增加获得的周期性畴结构的厚度；制备了周期为7.41μm,尺寸为16mm×5mm×1 mm (a×b×c)的PPNdMgLN晶体,并采用腔内倍频的方式进行了自倍频实验,获得了80mW的自倍频绿光,激光波长是542nm。这是国际上首次采用外加电场极化法制备了周期极化晶体并实现了基于准相位匹配的自倍频绿光输出。