铌酸锂以其丰富多彩的光、声、电性质备受关注。基于铌酸锂的电光、声光调制器已经在激光、光通信等领域广泛应用。通过铁电畴调控,形成铌酸锂光学或声学超晶格,可以实现准位相匹配非线性频率变换、电光偏转旋转等新效应。铌酸锂透光范围宽,易于实现波导光路。近年来,无论是在经典的光电子领域,还是在量子信息方向,通过光子、声子与特定畴结构的相互作用,铌酸锂超晶格中的新物性、新应用正不断被发现。这一传统的光电材料,正焕发着新活力。在本论文中,我们面向迅速发展的光子集成应用,探讨了铌酸锂薄膜的相关铁电性质,设计了若干功能集成器件,研究了铌酸锂超晶格中光场(光子态)非线性变换的规律,并且展望了其在太赫兹等新波段的应用前景。1、首先介绍铌酸锂的物理、化学等基本性质,以及铌酸锂超晶格铁电畴制备及相应检测方式。随后阐述了几种常用的位相匹配办法,如双折射位相匹配和准位相匹配。讨论了铌酸锂和铌酸锂超晶格在不同电场方向下的电光响应过程。并介绍基于准位相匹配铌酸锂超晶格的非线性频率变换过程。同时简要评述了铌酸锂超晶格近期发展的一些新趋势。2、介绍新型铌酸锂材料——绝缘体上铌酸锂薄膜(lithium niobate thin film on insulator,简写为LNOI),包括制备、应用前景等。随后重点讨论其铁电性质,使用两种不同厚度,即微米尺度(～28μm)和亚微米尺度(540nm)的LNOI样品,研究其畴反转和稳定性。对于微米尺度的样品,极化图案通过光刻转移到样品上,畴极化通过施加高的直流电压脉冲获得。通过偏光显微镜和腐蚀法分别检测。结果显示,一个月后,并没有出现畴的退化。对于亚微米厚度的样品,铁电畴利用压电力显微镜进行极化,畴稳定性通过加交流电后的机械回复进行测量。研究结果表明亚微米厚度LNOI畴的生命周期只有25小时左右。我们的研究将对LNOI畴相关的研究提供直接的参考,包括非线性频率转换波导、非线性波前调控、电光调制器和压电器件等。3、提出了三种基于铌酸锂超晶格的功能集成光学器件。第一个器件可实现偏振无关光参量放大。铌酸锂超晶格包含四段式结构,第一、四两段被用作准位相匹配的光参量放大,中间两段结构实现电光偏振旋转。晶体中的耦合不仅限于泵浦光、信号光和闲频光,寻常光和异常光也通过电光效应进行能量转换。这种技术也可以被用作复杂波前光束的产生和放大。第二个器件是可调双波长滤波器,利用中心带缺陷的铌酸锂超晶格结构,当电场施加在晶体的y面上时,就可以从实验上看到双谷的透射峰,并分析了其群延迟色散特性。第三个器件为电调平顶宽带滤波器,当缺陷不在样品的中央,晶体呈现出不对称的结构,通过优化设计就可以获得平顶的透射光谱,并可以通过外加电场调制滤波器的对比度。4、首先介绍涡旋光束及其携带的轨道角动量,主要包括产生、传输、探测和应用。重点基于周期极化铌酸锂,研究非线性变换过程中,轨道角动量的变换规律。使用Laguerre-Gaussian(LG)模式对涡旋光束中的轨道角动量进行表述,包括角向指数和径向指数。在研究中,使用的是三波耦合方程。与通常的准位相匹配过程中,能量和准动量守恒不同,尽管在大多数情况下,角向指数和径向指数也是守恒的,但在异步非线性转换中,出现了径向指数的非寻常变化。同时,角向指数为分数的准位相匹配非线性变换也进行了讨论,呈现出一些有趣的性质。相比较于双折射位相匹配,准位相匹配可以避免不需要的光走离效应以获得高质量的LG模式。我们相信准位相匹配是转换、放大涡旋光束的有效方式。5、首先简要介绍了太赫兹的相关背景。随后,测试了同成分比铌酸锂的寻常光折射率和异常光折射率,测试的结果可以通过温度和频率相关的扩展Cauchy公式来很好的拟合。由于最大的偏差小于0.5%,所以这个结果可能是目前最准确的同成分比铌酸锂在太赫兹波段下的折射率公式。在正常情况下,n0大约是7,ne大约是5.4,这些数值比可见光波段大很多。同成分比铌酸锂的双折射也非常大,可能在线性、电光和非线性等领域带来潜在的应用。比如真零级太赫兹波片可以通过很薄的铌酸锂晶体获得。并且工作频率可以通过调整外部温度来改变。另外,因为铌酸锂晶片可以很容易被打磨到需要的厚度,温度不敏感的消色差半波片和四分之一波片也可以通过沿特定角度叠片的方式获得。