非线性光学器件是重要的光信息处理功能器件,在光通信、光传感、生物医学、工业加工、国防等领域发挥不可或缺的作用。伴随宽带超快光电器件的应用需求,探索具有高化学和机械稳定性、宽波段工作、超快响应时间、高调制深度、高损伤阈值、低成本等优异性能的非线性光学材料成为非线性光学和光电子学领域的研究热点。半导体异质结精准制备是半导体器件的起点,是现代电子学和光电子学的重要基石。层状范德华异质结构可以借助弱范德华作用力将具有不同性质的材料如积木般相互堆叠在一起,既保留了单层材料优异的物化特性,又具有灵活的可定制性,为新型光电子设备的设计和制造带来曙光。目前,大多数范德华异质结材料可以通过机械剥离及人工堆叠方法实现,但是产率有限,且易引入吸附物。基于化学外延生长或者物理气相沉积方法可以规模化合成范德华异质结,但是制备过程需要精细控制。天然范德华异质结构是自然界稳定存在的层状材料,并可以通过机械剥离等办法直接获得高质量、性能稳定的二维范德华异质结构。目前,研究人员发现硫盐矿物辉锑锡铅矿（franckeite）等材料是天然范德华异质结。但是,其光学特性和应用研究很少,有待进一步研究。本论文围绕宽带超快非线性光学材料的应用需求,实验制备了少层franckeite材料,验证了franckeite是由类SnS2和类PbS层交替堆叠而成的天然稳定存在的范德华异质结构,具有窄带隙（<0.7 eV）和p型掺杂等特点。同时,研究了层状franckeite的宽波段三阶非线性响应能力及其超快动力学特性,并实验验证了其在脉冲激光产生、相位调制器、光二极管等功能光电器件中的应用潜力。主要工作包括:（1）研究了少层franckeite的宽带非线性光学特性和超快响应能力,获得了不同激发条件和材料参数对其宽带非线性光学特性的影响规律。通过液相剥离法制备了少层franckeite纳米片,并对其光学特性进行分析,证明了其是由类SnS2和类PbS层交替堆叠而成的天然范德华异质结构。DFT能带结构分析表明franckeite为Ⅱ型异质结构和p型掺杂半导体,且表现出比类SnS2和类PbS单层更小的带隙。通过非线性光学方法测试,结果表明少层franckeite异质结具有宽带饱和吸收和自散焦特性,计算得到层状franckeite的非线性吸收系数为～10-9 W·m-1、非线性折射率为～10-15 m~2·W-1。超快载流子动力学特性研究表明层状franckeite具有～16ps和～300 ps两个超快弛豫时间,表明了其在非线性光学器件及超快光电子学器件中的应用潜力。（2）基于少层franckeite的宽带饱和吸收的光学特性,实验获得了稳定工作的1μm和1.5μm波段的超快锁模激光输出和～3μm波段的调Q激光输出。基于层状franckeite的宽带饱和吸收特性和超快载流子动力学特性,通过设计优化掺镱、掺铒光纤激光器,成功在1μm和1.5μm波段分别获得了292 ps和798 fs脉冲持续时间的超快光纤激光输出。此外,基于层状franckeite可饱和吸收体,在中红外波段获得了920 ns脉宽的调Q氟化物光纤激光输出,进一步证实了层状franckeite的宽带非线性光学调制能力。（3）研究了层状franckeite的宽波段光学克尔效应,并演示了其在光子二极管等全光器件中的非线性光学调制潜力。通过在光路中级联层状franckeite和C60两种具有相反非线性光学行为的材料,设计并演示了基于层状franckeite的光子二极管的单向传输功能,实验获得了非互易因子为2 d B的非线性无源全光二极管。基于光控光技术,成功演示了基于层状franckeite的光调制器和光开关功能,证明了天然范德华异质结在非线性光电器件中的应用潜力。