2004年,石墨烯由英国科学家首次通过机械剥离法制备成功。由于其独特的二维晶格结构,电子的运动维度受到限制,使得石墨烯呈现出与石墨显著不同的光、电、热、磁、力等特性。石墨烯具有零带隙的特殊能带结构,在K空间中,能量和动量满足线性色散关系,具有超高的电子迁移率和超宽的光电相互作用波段,因而在宽波段的光探测、光吸波体、传感器、饱和吸收体等方面具有重要应用。论文基于石墨烯设计了光子晶体、超材料吸波体、传感器、调制器等器件模型结构,研究了这些石墨烯功能器件在太赫兹波段的传输、吸波、滤波、调制等方面的光电特性。在此基础上,将吸波体结构应用于太赫兹波段传感器进行分析和研究;基于THz-TDS系统对调制器的调制特性进行了测试分析;将石墨烯作为可饱和吸收体应用在1.3 μm波段的激光调制,并与V3+:YAG可饱和吸收体的调制特性进行了比较。论文的主要研究内容和成果包括:1、利用传输矩阵方法,研究了 Thue-Morse与Fibonacci结构两种石墨烯光子晶体的传输特性。基于Thue-Morse结构的石墨烯光子晶体实现了一种对偏振和入射角度不敏感且频率可调谐的石墨烯光子晶体带隙;基于Fibonacci结构的石墨烯光子晶体实现了可调谐的THz反射和滤波器件。这两种结构的优点在于可通过在石墨烯上施加偏置电压实现对全向带隙、布拉格带隙及滤波器频率的灵活调谐。2、对基于石墨烯超材料的可调谐THz吸波体及其传感方面应用进行了研究。设计了一种基于石墨烯的、偏振无关宽带可调谐THz超材料吸波体,通过数值模拟,发现该吸波体在垂直入射下吸收率95%以上的吸收带宽为1～1.64THz,带宽达到0.64 THz。另外,将石墨烯的费米能级从0.1 eV调节到0.5 eV,可以实现吸波体的吸收峰值从30%～100%的调节;提出了一个独立可调、双频的互补石墨烯超材料THz吸波体,研究了不同叉指结构在不同石墨烯费米能级下的吸收情况,结果显示两个共振频率的吸收率可达75%且独立可调。又研究了双带独立可调吸波体结构在传感方面的应用,讨论了待测样品折射率对频率灵敏度和振幅灵敏度的影响,当待测样品厚度为17μm时,该传感器的折射率振幅灵敏度为57.2%/RIU,折射率频率灵敏度为28.43 GHz/RIU。3、研究了一种基于石墨烯的开口金环超材料结构THz调制器。基于THz-TDS系统测试分析了不同偏置电压下通过SiC基石墨烯样品的时域谱和频域谱。通过改变石墨烯的费米能级来实现对THz波振幅的调制,研究结果表明:当偏置电压从0增加到20 V时,调制深度可达到66%;最后测量了石墨烯超材料调制器调制速率响应,测量值可达10 MHz。4、对Nd:ScYSiO5（Nd:SYSO）晶体的偏振吸收和发射光谱、连续波激光、V3+:YAG被动调Q激光特性进行了系统研究。从偏振光谱结果来看,Nd:SYSO晶体具有明显的各向异性特点。实现了 1.28W的连续波激光功率输出,其斜效率达12.7%,同时研究了激光光谱随泵浦功率的变化。利用脉冲LD和V3+:YAG晶体,实现了高脉冲能量、高峰值功率的调Q激光输出,获得的最大调Q脉冲包络能量为1.63 mJ,单脉冲能量达到273μJ,峰值功率达到39 kW。5、研究分析了基于石墨烯可饱和吸收的Nd:SYSO晶体1.3μm调Q激光输出特性,并与石墨烯晶体调Q结果进行比较,得出石墨烯在1.3 μm调Q激光器中的应用优势。采用液相剥离法制备性能优良的石墨烯可饱和吸收镜;在Toc=1%透过率下,得到的最大调Q激光输出功率为0.84 W,其开关效率达90%;在Toc=8%透过率下,得到的激光输出最短脉冲和最大重复频率分别为111 ns和381 kHz,对应的最高单脉冲能量和峰值功率分别为1.54μJ和1.38 W。同时发现,石墨烯调Q激光的脉冲重复频率与常规的V3+:YAG调Q晶体相比明显变大,这主要是由于石墨烯具有较低的饱和光强和较快的电子-空穴弛豫。