The terahertz (THz) spectral region is gaining increasing relevance for applications in high-capacity wireless communications, advanced spectroscopy, security screening, and next-generation charged particle accelerators. Nonlinear optical techniques offer a versatile and powerful route to generating THz radiation, either through direct generation by optical rectification (OR) or via difference frequency generation (DFG) from mid-infrared (mid-IR) sources. This thesis addresses key challenges in accessing and controlling radiation with two primary nonlinear optical mechanisms: the development of narrowband, tunable mid-IR sources using optical parametric oscillation (OPO), and the generation and spatiotemporal characterization of structured THz wave packets using OR. 

A power-scalable OPO based on type-II quasi-phase matched Periodically Poled Potassium Titanyl Phosphate (PPKTP), pumped at 1.06 $\upmu$m is investigated. The system achieves precision tunability in the 2 $\upmu$m region with narrow linewidth, strong thermal robustness, and excellent spectral control, that is suitable for applications such as greenhouse gas (GHG) sensing and quantum photonics. The material properties and crystal design parameters are presented to enable accurate targeting of molecular absorption lines. Importantly, due to the narrowband and scalable nature, this mid-IR source is also promising for driving efficient nonlinear frequency conversion into the THz regime via DFG.

The generation of complex few-cycle THz wave packets with vector and scalar field singularities were also explored. A novel approach based on OR along the three-fold symmetry axis of zinc blende crystals enables the direct generation of THz vortex beams carrying orbital angular momentum (OAM). This scheme further allows full control over vector THz beams through a dual-pump configuration, enabling access to the entire higher order Poincaré (HOP) sphere. A comprehensive theoretical framework is developed to describe this nonlinear electric field synthesis. Furthermore, a polarization-resolved time-domain electro-optic sampling technique is experimentally implemented for synthesis and full (2+1)D mapping of the THz electric field amplitude and phase, enabling detailed analysis of structured light propagation. The technique paves the way for THz hyperspectral and vector field imaging. 

This work highlights the versatility of nonlinear optics for spectral control and structured light generation in mid-IR and THz regions and lays a foundation for compact, tunable, and high-performance photonic sources tailored for advanced photonic applications.

Terahertzområdet (THz) i det elektromagnetiska spektrumet blir alltmer relevant för tillämpningar inom trådlös  högkapacitetskommunikation, avancerad spektroskopi, säkerhetsskanning och nästa generations acceleratorer för laddade partiklar. Icke-linjära optiska tekniker erbjuder en mångsidig och kraftfull väg till generering av THz-strålning, antingen genom direkt generering via optiskrektifikation (OR) eller genom differensfrekvensgenerering (DFG) från mellan-infraröda (mellan-IR) lasrar. Denna avhandling behandlar centrala utmaningar vid generering och kontroll av strålning med hjälp av två primära icke-linjära optiska mekanismer: Utveckling av smalbandiga, avstämbara mellan-IR-källor med optisk parametrisk oscillation (OPO), samt generering och rum-tid-upplöst karakterisering av strukturerade THz-vågpaket med användning av OR.

En OPO, skalbar i effekt, baserad på typ-II fasmatchad periodiskt polade kaliumtitanylfosfat (PPKTP), pumpad vid 1.06 $\upmu$m, undersöks. Systemet uppnår precis avstämbarhet i 2 $\upmu$m-området med smal linjebredd, hög termisk stabilitet och utmärkt spektral kontroll, vilket gör det lämpligt för tillämpningar som växthusgasdetektion (GHG) och kvantfotonik. En detaljerad analys av materialegenskaper och kristalldesignparametrar presenteras för att möjliggöra noggrann inriktning mot molekylära absorptionslinjer. Tack vare smalbandigheten och skalbarheten är denna mid-IR-källa också lovande för att genomföra effektiv ickelinjär frekvensomvandling till THz-området via DFG.

Genereringen av komplexa fåcykliga THz-vågpaket med vektor- och skalärfältsingulariteter undersöks också. En ny metod, baserad på OR längs den trefaldiga symmetriaxeln i zinkbländekristaller, möjliggör direkt generering av THz-vortexstrålar som bär orbitalt rörelsemängdsmoment (OAM). Detta tillvägagångssätt möjliggör dessutom full kontroll över vektor-THz-strålar genom en dubbelpumpkonfiguration, vilket ger tillgång till hela den högre ordningens Poincarésfär (HOP). En omfattande teoretisk modell utvecklas för att beskriva denna icke-linjära elektriska fältsyntes. Vidare implementeras en polariseringsupplöst elektrooptisk samplingsmetod i tidsdomänen experimentellt för syntes och fullständig (2+1)D-kartläggning av amplitud och fas i det THz-elektriska fältet, vilket möjliggör en detaljerad analys av strukturerat ljus. Metoden banar väg för hyperspektral- och vektorfältsavbildning i THz-området.

Detta arbete lyfter fram mångsidigheten hos icke-linjär optik för spektral kontroll och generering av strukturerat ljus i mellan-IR- och THz-områdena, och lägger grunden för kompakta, avstämbara och högpresterande ljuskällor anpassade för avancerade fotoniktillämpningar.