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近年来超短脉冲（超快）激光在工业精密加工、医疗美容、激光通信、军事武器以及基础科学等领域获得了广泛应用,超快激光器及相关器件正朝着低成本、高性能方向高速发展。探索具有更低成本、更高性能的新型全固态超快激光器以及与之相关的新型非线性光学器件具有十分重要的意义。随着纳米材料的兴起,基于二维（2D）纳米材料的新型可饱和吸收体和新型光限幅器件,已经成为了一个备受关注的研究热点。与传统的非线性光学材料相比,石墨烯及过渡金属硫化物等二维纳米材料具有成本低廉,制备工艺简单,工作波段宽（覆盖紫外到红外波段）等特点,在超快激光领域具有巨大的应用潜力。针对这一背景,本文主要对具有低成本、高性能的新型二维纳米材料超快非线性光学器件以及新型全固态超快激光系统进行探索研究;在新型超快非线性光学器件方面,论文主要对基于二硫化钨（WS2）纳米薄膜的锁模器件,和基于二硫化钼复合有机玻璃（MoS2/PMMA）固态光限幅器件的制备以及超快非线性光学特性展开了系统的研究;在新型超快激光器方面,论文针对具有良好应用前景的低成本、高光束质量全固态Yb:KGW新型超快激光器展开了理论及实验研究。本论文围绕超快激光相关的新型器件与系统展开了较系统的研究,主要研究内容包括以下四个方面:1.基于WS2纳米薄膜的锁模器件的制备和超快非线性光学特性研究。在理论研究方面,我们提出了一个考虑带间激子复合效应的可饱和吸收（Saturable Absorption,SA）理论模型,并成功推导出两个重要解析式,它们能够描述启动阈值Fon及调制深度?T这两个关键SA参数随激发脉冲宽度变化规律;该理论模型及解析式可以用于分析及估算2D纳米薄膜的可饱和吸收行为在飞秒至纳秒区域内随脉宽变化的规律。在实验研究中,我们采用磁控溅射沉积法成功制备了多种厚度的WS2纳米薄膜,并通过控制磁控溅射沉积时间的长短来改变WS2纳米薄膜的厚度及形态,获得了一种可以极大地调控WS2薄膜的非线性SA特性的途径。然后,分别采用飞秒（fs）、皮秒（ps）及纳秒（ns）级别的多种激光脉冲来系统地研究这些纳米薄膜的SA特性。实验与理论研究结果完全一致。这些研究结果对推动基于WS2纳米薄膜的新型可饱和吸收体的发展及相关新型超快激光器的开发有着重要意义。2.基于MoS2/PMMA复合纳米材料的固态光限幅器件的制备和超快非线性光学特性研究。我们将二维层状MoS2纳米片均匀地合成到固态PMMA中,成功制备出MoS2/PMMA复合块状材料;并分别利用皮秒及飞秒激光脉冲对这些MoS2/PMMA复合材料进行激发,对它们的超快非线性光学（NLO）特性进行了较系统的研究,同时对它们的NLO特性随MoS2纳米片浓度及激发脉冲宽度的变化规律进行了研究分析。结果表明,我们制备的少层MoS2/PMMA复合有机玻璃在飞秒和皮秒激光领域均拥有优越的光限幅特性;样品的光限幅响应随着合成到PMMA基质中的MoS2纳米片浓度的增加而增强,并随着激发脉冲宽度的增加而减弱。与10 ps激光脉冲相比,样品在100 fs激光脉冲作用下的光限幅响应要强烈很多。对于100 fs激光脉冲,此MoS2/PMMA复合玻璃展现出21.5 mJ cm-2的启动阈值,315.1 mJ cm-2的限幅阈值及1.6%的钳位透过率（限幅微分透过率）,这些值均低于此前报道的拥有类似透过率（85%）的其他块状纳米材料(Fe2O3,C60,及Se掺杂硅胶等)的对应参数。这些研究结果为MoS2/PMMA复合有机玻璃作为高效的光限幅器件在超快激光领域的应用提供了一个新途径,同时也对研制具有低光学损耗、高可靠度、低成本的固态超快光限幅器件有着重要现实意义。3.高光束质量超快激光谐振腔的解析设计方法研究。我们提出了一种用于设计两端臂像散精确补偿的激光谐振腔的解析法,该方法无需在谐振腔中引入额外的布儒斯特角单元,即可让谐振腔内两曲面镜的像散实现相互补偿,从而使得激光谐振腔两端臂的像散得到精确补偿。我们从谐振腔中两曲面折叠镜的像散能够相互补偿的充分必要条件出发,利用高斯光束传输变换理论推导出了像散相互补偿的解析表达式。利用这些解析表达式,可以直接计算出谐振腔的相关结构参数,从而轻松明了地设计出无布儒斯窗式两端臂像散同时得到精确补偿的激光谐振腔。在实验研究上,根据我们解析表达式所设计的激光谐振腔,搭建了一台典型的侧面泵浦Z型腔Nd:YAG激光器。实验结果表明,激光器两端臂光束的光斑强度分布形变及相位畸变均得到了有效的补偿,理论与实验研究结果完全吻合。本解析设计方法,有望在超快激光谐振腔设计中获得广泛应用,有助于降低高光束质量激光器的设计难度,提高超快激光谐振腔的结构灵活性,以及提升超快激光器的效率,稳定性和光束质量。4.兆瓦级全固态Yb:KGW主振荡功率放大超快激光系统的实验研究。设计并搭建了一套脉冲能量可达微焦量级（峰值功率达兆瓦级）的全固态Yb:KGW超短脉冲激光系统。该激光系统采用主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier,MOPA）结构,由种子源振荡器,脉冲选择单元及多通放大器组成。首先设计并搭建了一台基于半导体可饱和吸收镜锁模的全固态Yb:KGW超短脉冲激光振荡器作为种子源。该Yb:KGW振荡器在1037 nm处实现了平均功率高达2.2 W的超短脉冲激光输出,光光效率高达22%,输出脉冲的重复频率约为43 MHz,单脉冲能量高达51 nJ。通过调整腔内的负色散量,振荡器可以输出395 fs至1.6 ps范围内的超短激光脉冲。种子源采用了高效稳定的温度控制方案和有效的像散补偿谐振腔设计,振荡器具有较高的工作稳定性以及良好的输出光束质量。在放大的过程中,我们利用脉冲选择单元将种子脉冲的重复频率降低到10 KHz以下,再注入到多通放大器中进行放大。多通放大器采用六通式折叠腔结构,并采用输出功率高达20 W的980 nm激光二极管对Yb:KGW激光晶体进行端面泵浦。种子激光脉冲经过六通放大后,脉冲能量高达2.8μJ,相应的峰值功率可达4.9×106 W。实验结果表明,本文开发的全固态Yb:KGW超快激光系统,可以高效稳定地输出中心波长为1037 nm,脉冲能量高达2.8μJ的飞秒或皮秒激光脉冲。此兆瓦级高光束质量全固态Yb:KGW超快激光器,将成为我们研究新型纳米材料的超快非线性光学特性的有力工具,也有望在超短脉冲激光加工,医疗美容以及基础科学等领域获得广泛应用。