石墨烯优良的非线性特性在激光器领域的广泛应用极大激发了人们对低维纳米材料优良光电性能探索的同时,其零带隙特性带来的低开关比以及不能和硅兼容等缺点也在促使人们寻求新的解决方案。除了采用各种方法打开石墨烯的带隙之外,人们也在不断寻求其他性能优越的低维纳米材料,来弥补石墨烯的不足。以二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)为代表的过渡金属硫化物是一类新型的层状材料,能够应用于可见光至近红外波段。而且,随着层数的减少,其能带的跃迁方式逐渐由间接跃迁转为直接跃迁,相应的吸收和发射谱也有很大差异。相应的非线性测量表明,二硫化钼的非线性吸收特性要优于石墨烯。与过渡金属硫化物类似,黑磷也是一种能带结构随层数变化的层状材料,其能带间隙恰好覆盖了中红外波段,填补了石墨烯与过渡金属硫化物之间的能带间隔,加之其各向异性的光学性质和在室温下可达2×105 cm2/V·s的电子迁移率使得黑磷备受研究人员的青睐。本文针对两类典型的新型低维材料在多个波段的非线性光学特性进行了实验研究。对单层二硫化钨二维晶体、多层二硫化钨纳米片、黑磷纳米片以及黑磷量子点的宽波段饱和吸收特性进行了研究,获得了几种低维材料分别在800nm、1550nm以及2μm波段的非线性吸收参数,发现了低维纳米材料对各个波段的非线性吸收规律,剖析了低维纳米材料在每个波段下的非线性吸收过程以及主导的非线性吸收机制,测量了单层二硫化钨以及黑磷低维纳米材料的三阶非线性折射率;根据测量得到的非线性光学参数,讨论了低维纳米材料作为可饱和吸收体用于被动光纤脉冲激光器的性能,并利用黑磷的宽带饱和吸收特性,实现了黑磷可饱和吸收体在2μm波段光纤激光器中的调Q和锁模脉冲输出。具体的研究成果总结如下:1.实验发现了单层二硫化钨原子晶体的宽带可饱和吸收性能。利用不同波段的飞秒激光应用于Z扫描测试系统,对比研究了单层二硫化钨原子晶体和多层二硫化钨纳米片在400nm、800nm、1550nm以及2μm四个波段下的非线性吸收特性,发现单层二硫化钨原子晶体比多层二硫化钨纳米片的可饱和吸收光谱范围大得多;分析认为,这是由于缺陷掺杂等因素引入的表面金属态和材料固有的半导体态共同存在作用的结果。通过对比研究发现,金属态对可饱和吸收波段的拓宽在单层及少层低维材料中比较明显。对饱和吸收参数进行分析发现,低维二硫化钨纳米材料的饱和光强和损伤阈值较高,有助于获得高峰值功率的超短脉冲。2.实验发现了低维黑磷纳米材料在800nm、1550nm和2μm三个波段都具备可饱和吸收特性,获得了相应的饱和光强、调制深度等参数。对饱和吸收参数进行分析发现,在1550nm和2μm两个波段,低维黑磷纳米材料的饱和光强和反饱和光强比较接近,不利于获得高峰值功率的脉冲,但是有助于形成谐波锁模,获得高重复频率的脉冲输出。3.搭建了高精度Z扫描测试系统。首次实验测得了单层二硫化钨以及黑磷纳米材料的三阶非线性折射率。测得单层二硫化钨以及黑磷纳米材料的三阶非线性折射率都在10–13m2/W量级,与石墨烯的非线性折射率比较接近,比一般体电介质高4~5个量级。4.利用黑磷纳米材料的饱和吸收特性实现了2μm波段光纤激光器的调Q和锁模脉冲输出。采用沉积在拉锥光纤上的办法制作饱和吸收体实现了中心波长为1898nm,3dB带宽为3.9nm,脉宽为970fs的锁模脉冲输出,并得到了最高阶数是37的谐波锁模;采用光沉积的方法制作的饱和吸收体实现了中心波长为1912nm,3dB带宽为0.8nm,脉宽为1.21μs的调Q脉冲输出,重复频率为240kHz~600kHz可调。实验结果表明,基于黑磷低维纳米材料的可饱和吸收体在脉冲激光器的应用上具有巨大的潜力。