石墨烯有着独特的能带结构和优异的性质,这些性质使其在光电子器件上有着潜在的应用。然而,因为在溶剂中难溶等问题,石墨烯在光学领域的应用受到限制。将石墨烯进行氧化或杂化,在解决石墨烯溶解性问题的同时,也可以有效的改变其光电性质。为了研究这些石墨烯基材料的非线性光学性质,弄清石墨烯材料非线性光学性质及机制同结构变化的关系,进而掌握通过石墨烯基材料结构变化来调整石墨烯非线性光学性质的规律和方法,有必要对不同的石墨烯基材料的非线性光学性质和机制进行深入的研究,为石墨烯的非线性光学性质应用奠定基础。在本论文中,使用时间分辨泵浦-探测技术和Z扫描技术对氧化石墨烯和石墨烯杂化材料的超快非线性机制和非线性光学性质进行了研究,丰富石墨烯非线性光学研究的内容,比较不同方式制备的石墨烯基材料的非线性机制和性质的差别。具体内容如下：1,对通过化学方法制备的不同氧化程度的石墨烯溶液进行了超快动力学过程和光学非线性的研究,分析氧化石墨烯超快动力学过程和非线性吸收性质同结构的关系。由于GO独特的平面原子结构和电子结构,使其在不同激发光强下的吸收性质不同,这种不同的光子吸收过程和分布源自于GO中的sp2团簇和sp3杂化区域。这个概念的提出,对非化学计量的GO的线性和非线性光学性质的调控提供了可能的方法,即通过调节不同吸收区域的尺寸,形状及相应的位置来调控石墨烯的非线性光学性质。因为GO为非化学计量的结构,需要通过更多实验研究来得到更多的信息,从而更好的理解GO的光电性质。2,研究了不同还原时间制备的氧化石墨烯(通过阱蒸汽还原)的非线性光学性质和超快动力学过程。获得了还原氧化石墨烯的光学非线性和超快载流子弛豫同还原时间的关系。还原后的氧化石墨烯的饱和吸收性质得以增强,载流子弛豫时间得以加快,这些性质的改变是和还原后氧化石墨烯的结构相关。当氧化石墨烯被还原到一定时间,增加还原时问不能将氧化石墨烯进一步还原,只能改变还原氧化石墨烯的官能团。同时,还原氧化石墨烯的载流子弛豫和饱和吸收性质也不会随还原时间发生明显改变。这为通过控制氧化石墨烯的还原时间来控制氧化石墨烯的非线性吸收提供借鉴。3,研究了电弧放电法制备的少层氧化石墨烯(FGO)的超快动力学过程和非线性吸收性质。在少层氧化石墨烯片中,边缘被少量氧化,石墨烯片平面仍保留着大面积的sp2杂化碳原子,层数为3到5层。通过实验结果我们发现FGO保留着本征的石墨烯的良好超快动力学过程和饱和吸收性质。同时,又由于含有亲水基团——含氧官能团,这就解决了石墨烯片可溶性问题,因此,少层氧化石墨烯在光电器件和超快光学方面有着很大的应用前景。4,对三种不同含氧量的石墨烯杂化酞菁材料(G-Pc,GO-Pc和RGO-Pc)的非线性光学和光限制增强效应进行研究,并使用飞秒泵浦-探测测量技术深入地分析了这些材料的光限制机理。结果表明,石墨烯和酞菁共价杂化后,石墨烯和酞菁间存在强相互作用。两者之间具有能量和电子转移,材料的非线性光学性质得到很大的提高。在三种不同含氧量的杂化材料中,RGO-ZnPc在纳秒脉冲下表现出最好的光限制效应,由于它具有高的非线性吸收系数和高的线性透过率,RGO-Pc更适合做光限制材料。这些材料的光限制效果的增强很大一部分是由非线性散射导致的。在飞秒脉冲下,GO-ZnPc由于大的吸收截面,表现出最好的非线性吸收性质。时间分辨泵浦-探测测量结果揭示这种非线性光学性质和光限制效果的增强主要来自于非线性吸收的贡献。