如今,窄带隙材料非线性光学性质的研究已引起世界各国的广泛关注。特别是由于新型窄带隙材料与短脉冲激光相互作用,产生了具有极强非线性吸收特性的光纤孤子脉冲,这些现象在可见光到中红外波长范围内可以完全覆盖,使其成为产生超短脉冲的关键技术。因此寻求优质的二维材料作为可饱和吸收器对于超快锁模激光脉冲的产生和发展至关重要。MnO2作为过渡金属氧化物表现出丰富的微观结构特征、独特的电化活性与非线性光学性质而成为最具潜力的窄带光电材料之一。通过控制MnO2纳米片材料电子结构和表面化学特性,使其应用于产生光纤孤子脉冲等非线性效应中具有广阔的前景,并为窄带光电材料超快光子学发展提供有效且丰富的理论支持。随着光纤脉冲非线性多维相互作用系统的复杂性不断增加,脉冲发生机制将会产生损耗、非线性和色散传播效应,极大地阻碍了超快光子技术的研究和发展。而机器学习的策略因其具有强大的计算能力和硬件的可移植性,为超短脉冲数据的完整性、准确性和稳定性提供了新的见解。使用数据驱动的解决方案改变激光器的设计和操作原则,使光纤脉冲产生稳定、多维,具有特定任务的输出指标。这种方式创造了可支配的工作机制,在激光脉冲的研究中展现出巨大的发展潜力。论文的研究工作主要分为以下三部分内容。1.我们采用工业溶液电解法制备的γ-MnO2纳米片作为可饱和吸收器应用于被动锁模掺铒光纤激光器中。在泵浦功率为303.7 m W时实现光谱以1530 nm为中心,重复频率5.11 MHz的传统孤子锁模。泵浦功率微调至331.4 m W时,光纤产生以连续波波长1558 nm,孤子发射波长为1530 nm、示波器轨迹脉冲间隔为196 ns,对应重复频率为5.1 MHz的双波长孤子脉冲辐射。2.同样泵浦功率条件下,实现高阶束缚态谐波孤子分子锁模脉冲工作,其光谱调制周期为2.4 nm,中心波长为1530 nm。脉冲间隔为8.4 ns,对应的重复频率为119 MHz。此外通过微调偏振态,还产生向左、向右以及静止的孤子雨等非线性现象。光纤孤子脉冲的组合成功地实现了多功能种子源,并为探究产生增强性能和稳定性的孤子脉冲系统的实现方法奠定了工作基础。同时证明了γ-MnO2作为超快非线性光学材料的应用前景。3.在此工作基础上我们研究了机器学习策略下自动化模式锁定的理论研究工作,采用一种电极化偏振控制器作为快速的人工饱和吸收器在腔内进行极化控制。通过设计反馈电路模块,从而达到无需手动偏振控制可以产生各种区域下的脉冲输出,并进行自动初始脉冲锁定和恢复的效果。经过长时间的算法训练不断优化产生所需非线性状态下的目标脉冲模式,为实现机器学习控制复杂激光系统的智能化超快光子技术奠定基础。基于非线性光学、机器学习及材料化学三项前沿学科交叉技术,研究MnO2光纤孤子脉冲产生及机器学习理论应用。通过基础科学研究与机器学习算法相结合,为实现光学模型、激光设备和系统的智能产业化提供理论支持。在未来的超快光子学领域,机器学习技术将在瞬态激光行为、非线性脉冲动力学、跃迁动力学、纳米材料和结构的设计、量子光学和光通信等复杂的光学系统的研究中发挥巨大的作用。