由量子理论知,对处于相干叠加态的量子系统进行幺正演化时,不同的状态之间会产生量子干涉。这种干涉效应可以显著地改变介质的光学特性,并且带来许多有意思的光学现象,比如电磁诱导透明、无反转激光、相干布局捕获、高阶非线性增强、无吸收折射率增强、光群速减慢等。另一方面,量子相干效应在线性和非线性光学等领域内的潜在应用引起了人们的广泛关注,这些应用主要包括光电开关的控制、四波或多波混频效应、光孤子、偏振量子相位门等。近年来的研究表明,上述光学现象及应用都已经在原子气体和固态系统中实现。相比于原子气体,全固态系统具有稳定可控的能带结构、较大的电偶极矩、以及在器件上设计的灵活性等优点,因此固态系统方案在实际应用中更有优势。本文主要研究石墨烯系统的非线性光学特性及其应用,更确切的说是在强磁场驱动下单层石墨烯材料中,对高效的四波混频和全光开关的实现做了理论研究。主要内容有:(1)以单模光场与两能级原子相互作用系统为例,利用半经典理论讨论光与原子相互作用,分别可以得到薛定谔表象与相互作用表象下该系统的哈密顿量,并给出了两种常用的描述系统动力学特性的方法,即几率幅方法和密度矩阵方法。(2)提出了在石墨烯系统中基于带内跃迁实现高效四波混频的理论方案。运用薛定谔—麦克斯韦方程,在相互作用绘景下,我们得到探测场和四波混频场具体的解析表达式,并具体讨论了四波混频效率随几个参数的改变。在该系统中,产生的四波混频信号场的效率达到了60%。(3)利用破坏性干涉理论,研究在石墨烯系统中红外探测脉冲和太赫兹脉冲的相干调控。在偶极近似和旋转波近似下,采用密度矩阵方法来描述该系统动力学方程。通过数值模拟,在被量子化的朗道能级的情况下分析这种破坏干涉的物理机制,发现探测场和太赫兹脉冲可以实现透明与吸收之间的阶梯形跳跃。基于这种破环干涉,在该系统中出现的这种阶梯形跳跃可以用来设计一个灵活的全光开关。