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3-5μm中红外波段处于大气主要透射窗口,在光谱探测、环境监测、医疗诊断以及光电对抗等军民领域具有广泛的应用前景。基于准相位匹配技术的光学参量振荡器（QPM-OPO,Quasi-Phase Matching Optical Parametric Oscillator）具有转换效率高、调谐方式灵活的突出优势,是获得高效可调谐中红外激光的有效方法之一。随着中红外OPO技术发展,整机体积庞大,结构复杂等问题随之而来,极大限制了其拓展应用。对比传统中红外OPO技术,基于Nd3+掺杂MgO:PPLN晶体中红外自光参量振荡技术的提出,实现了增益单元与中红外变频单元的有机融合,形成了一种获取中红外激光的全新技术方法。本论文以该方法为切入点,从Nd3+掺杂MgO:LN基质晶体的激光特性及其准相位匹配理论入手,分析了高功率泵浦热效应对自变频过程的影响,建立了内腔自OPO复合谐振模型,并对其动力学过程进行了研究。通过实验验证了其技术可行性,基于Nd:MgO:PPLN晶体自OPO首次获得了3.8μm中红外激光输出,最高输出平均功率达到瓦级水平。具体开展的研究工作及取得的主要研究成果如下:从Nd:MgO:LN基质晶体激光特性入手,分析了Nd:MgO:LN晶体色散特性,结合激光振荡能级理论,研究了Nd:MgO:LN晶体输出1084 nm、1093 nm基频正交偏振双波长激光形成成因及其调控方法,基于Nd:MgO:LN基质晶体的准相位匹配理论,完成了中红外变频极化结构设计。构建了高功率泵浦Nd:MgO:PPLN晶体的热场模型,数值模拟了不同泵浦结构、不同泵浦功率及不同泵浦光斑组合变量下的晶体温升、热应力、热焦距等变化关系,分析了Nd3+离子掺杂强泵浦下热效应对参量光波长、下转换效率等变频参量的影响,并以此为基础,建立了内腔复合谐振自光参量振荡物理模型,优化设计了复合谐振腔腔长、腔镜曲率、光斑匹配交叠位置等结构参数。构建了基于Nd:MgO:PPLN晶体的自OPO复合谐振动力学模型,模拟分析了自OPO三波耦合过程光子流变化,并进一步研究了自OPO的下转换效率、最佳阈值倍数等提高变频效率的关键优化参量,在此基础上通过引入初始微扰项、泵浦项、调Q动态损耗等参数,建立了内腔复合谐振自OPO主、被动调Q速率方程,数值模拟了自OPO调Q运转下脉冲输出形态。实验方面,通过优化谐振腔热稳区管控基频光波长与偏振态,实现了自OPO腔内单一波长、高光束质量、偏振匹配基频光运转,双端40 W泵浦条件下,获得了最高平均功率13 W,光束质量因子Mx2=1.53,My2=1.55的1084 nm基频激光输出,并在此基础上分别开展了被动与声光调Q运转下自OPO中红外激光实验。依据理论推演,通过优化阈值、谐振参量光透过率,提高了中红外参量光的下转换变频效率并有效抑制了能量逆转换,在声光调Q重频60 kHz、双端40 W泵浦下,实现了最高平均功率1.12 W,脉冲宽度7.5 ns的3.82μm中红外激光输出,光-光转换效率为2.8%。