超短脉冲激光在科学研究中有着广泛的应用。采用可饱和吸收体对激光进行被动调Q、锁模实现ns、ps甚至fs的超短脉冲激光的方法简单易行,但目前常用的可饱和吸收体存在着稳定性差、工作波长范围窄以及制备工艺复杂等诸多缺陷。单壁碳纳米管(SWCNT)和石墨烯由于其独特的非线性光学特性可制作宽范围调制可饱和吸收体。本论文通过多种方法及功能化操作技术制备SWCNT和石墨烯,并将其制作为激光调Q、锁模的可饱和吸收体,以实现超短脉冲激光输出；理论研究SWCNT和石墨烯可饱和吸收机理、激光器被动调Q、锁模的动力学过程；实验研究SWCNT、石墨烯可饱和吸收体被动调Q、锁模及激光器的运转规律和影响脉冲输出特性的相关因素,并对可饱和吸收体的制备工艺及激光器相关参数进行优化。这一研究对拓展碳纳米材料的应用领域,推进超短脉冲激光技术的发展具有重要意义。具体工作内容和创新点如下：1)石墨烯的制备和表征对于石墨烯的合成,我们在实验室主要采用两种方法,分别是还原石墨氧化物法和化学气相沉积法。还原石墨氧化物法是经过改进的Hummers方法用强酸对石墨粉末进行氧化,获得氧化石墨,然后对氧化石墨再进行高温还原,所得到的的产物即为石墨烯,这种方法获得的石墨烯一般称之为RGO。化学气相沉积法(CVD法)是我们常用的另一种制备石墨烯的方法,这种方法制备过程更加简洁,并且获得的石墨烯纯度高。2)单壁碳纳米管／石墨烯可饱和吸收体的制备和表征这两种碳纳米材料的形态和性质不同,因此,我们在制备可饱和吸收体时对其进行的处理略有不同；并且不同腔型结构的激光器需要不同形式的可饱和吸收体,固体激光器中一般需要可饱和吸收镜,全光纤激光器中采用可饱和吸收薄膜更加方便,因此,我们将这两种碳纳米材料制备为可饱和吸收液、可饱和吸收镜以及可饱和吸收薄膜,以满足不同的需求,并对制备的可饱和吸收体的性质进行了表征。3)单壁碳纳米管/石墨烯被动调Q激光器从实验上研究了单壁碳纳米管被动调Q侧泵Nd:YAG固体激光器的输出特性,获得了630ns的脉宽,并且对调Q激光器中需要考虑的关键问题进行了分析。将石墨烯作为宽带被动调Q器件用于1μmNd:YAG固体激光器,2μm掺铥光纤激光器以及2μmTm:YAP固体激光器中,研究激光器的输出特性,从而证实了石墨烯的宽带可饱和吸收特性。4)被动锁模掺铒光纤激光器在掺铒光纤激光器中采用非线性偏振旋转和石墨烯两种方式实现了锁模脉冲的输出,对掺铒光纤的荧光和光谱边带进行了数值模拟,根据模拟结果提出了抑制两者产生的方案：对于提高泵浦效率、脉冲稳定性和缩短锁模脉冲有指导意义。5)基于石墨烯锁模的固体激光器谐振腔设计采用ABCD矩阵设计了采用石墨烯作为锁模元件的固体激光器谐振腔,腔型结构设计中考虑了像散、激光增益介质热效应以及色散补偿,根据模拟结果可以对腔内各元件的参数以及位置进行选取,为石墨烯锁模固体激光器建立了理论基础。本文的创新点：(1)可饱和吸收体的创新文中我们采用了新型可饱和吸收体——单壁碳纳米管和石墨烯两种碳纳米材料,对其经过一些处理可以制备为适合各种激光器的可饱和吸收体,在激光器中成功实现了调Q、锁模脉冲的输出。(2)研究内容的创新a)根据原材料形态和性质的不同,以及激光器腔型需求的不同,制备了多种形式的基于单壁碳纳米管、石墨烯的可饱和吸收体,使可饱和吸收体在激光器中的应用更加方便简洁,并且可以降低腔内的插入损耗以及保证光纤激光器的全光纤化。b)文章中把材料的制备工艺与激光器参数结合在一起,根据激光器的输出特性对材料的制备工艺进行研究和改进,确定最适合产生短脉冲的材料参数；在材料参数确定的情况下,不断优化激光器腔型,最终实现稳定的脉冲输出。c)从非线性光学、能带结构的角度出发,分析了单壁碳纳米管和石墨烯的可饱和吸收机理,并从实验上实现了被动调Q、被动锁模脉冲的输出,分析了泵浦光功率、腔型、腔长和输出镜透过率等对脉冲稳定性的影响。d)采用石墨烯可饱和吸收体不仅实现了宽带被动调Q,在1μmNd:YAG固体激光器中获得249ns调Q脉冲；2μmTm:YAP固体激光器中获得1.4μs脉冲,并且在2μm掺铥光纤激光器中获得760ns被动调Q脉冲,这是目前所知最短的基于石墨烯的2μm被动调Q脉冲宽度。采用SWCNT可饱和吸收体实现了脉冲宽度630ns的1.06μm被动调Q。e)在未进行腔内色散补偿的条件下,成功采用石墨烯在1550nm掺铒全光纤激光器中实现了ps被动锁模。根据色散理论,后续若对腔内色散进行补偿,可以实现飞秒脉冲。(3)理论与实验相结合文中从理论和实验两方面出发,一方面从非线性光学,能带结构,泡利不相容原理等出发,分析和探索SWCNT、石墨烯的可饱和吸收机理；另一方面,从非线性薛定谔方程和Haus主方程出发,研究SWCNT、石墨烯可饱和吸收体调Q、锁模的动力学过程；实验上,采用这两种碳纳米材料进行了一些调Q、锁模实验。理论和实验结合,有利于问题的及时发现和解决,可以推动整个课题的顺利进行。