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第一台红宝石激光器的诞生使光学技术产生了革命性的发展,对光学理论产生了深刻的影响,其应用已经遍及人们生产和生活的各个领域。其中一个重要的分支领域就是非线性光学。非线性光学材料在激光技术、光谱学、光通信、集成光学、光开关等领域有重要作用。因此,寻找具有优异性能的非线性光学材料成了重要目标。石墨烯是一种由碳原子以sp~2杂化轨道组成的蜂窝状二维纳米材料,被认为是构筑富勒烯、碳纳米管、石墨的基本单位。由于石墨烯平面结构稳定、电子迁移率快、比表面积高等,因此石墨烯具有非常优异的热性能、电性能和机械性能。石墨烯在电子产品、光学传感器、纳米电子器件以及太阳能电池等方面备受关注。制备石墨烯的主要方法有五种。分别为微机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉淀法、外延生长法、氧化石墨还原法。本文采用的是氧化石墨还原法。因为氧化石墨烯引入氧原子后改变了碳原子的轨道杂化类型,使得石墨烯内部出现sp~3杂化轨道,这种改变影响了石墨烯的光学特性。因此,探究石墨烯和氧化石墨烯的三阶非线性光学特性非常有必要。寻找三阶非线性系数大和非线性响应速度快的材料已经成为非线性光学的主流目标,三阶非线性光学材料探究主要集中在半导体材料和金属材料上。但是金属表面等离子体峰附近光吸收有着极大的增强。而金属氧化物材料由于具有优良的光、电、磁等性能,成为了新的研究热点。二氧化钛作为金属氧化物,同时也是经典的半导体材料,具有高透射率、高折射率和大的三阶非线性系数,成为了氧化物材料研究的重中之重。与单纯的二氧化钛相比,二氧化钛的纳米复合材料因其在光电子和光电器件中的潜在应用而引起了越来越多人的研究。一些研究表明,二氧化钛复合材料可以抑制电子/空穴对的复合,在带隙中引入新的能级,从而加速光生电子的转移,进而提高材料的三阶非线性特性。本论文所做的主要工作有:第一,对不同还原程度氧化石墨烯三阶非线性光学性质进行了研究。首先用改进的Hummers法制备含氧量较高的氧化石墨烯,然后通过逐渐增加硼氢化钠的剂量来制备不同还原程度的氧化石墨烯。最后用X射线衍射仪、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、透射电子显微镜等对样品进行表征。我们用皮秒激光器Z-扫描法对样品的非线性光学性质进行了测量和分析。测试表明氧化石墨烯在10μJ下Z-扫描开孔图呈现峰状,说明氧化石墨烯具有饱和吸收特性。氧化石墨烯的闭孔Z-扫描图呈现先谷后峰的形状,说明氧化石墨烯有正的非线性折射率,具有自聚焦的性质。我们分析原因,这是因为石墨烯的电子结构为无质量的Dirac费米子。石墨烯导带和价带相交于狄拉克点,石墨烯的带隙为零,很容易吸收任何波长的所有光子。所以石墨烯具有饱和吸收特性,可用于激光调Q技术。在不同还原程度的氧化石墨烯中,由于石墨烯sp~2杂化结构和氧化石墨烯sp~3杂化结构转化,使得氧化石墨烯电子能量结构发生变化,导致了其吸收特性也不断发生变化。第二,二氧化钛和氧化石墨烯复合材料的三阶非线性研究。并使用X射线衍射仪、紫外-可见吸收光谱以及透射电子显微镜等对复合材料的结构和尺寸进行了表征和测试。结果证明了石墨烯和二氧化钛的复合材料开孔Z-扫描图像表现出对称的峰状,呈现出饱和吸收特性,具有自聚焦性质。闭孔/开孔Z-扫描图呈现出先谷后峰的形状,具有负的非线性折射率,且复合材料在反应时间10小时时三阶非线性特性达到最好。我们这是因为复合物在反应过程中抑制了电子空穴对的复合,导致了能级产生了变化,影响了材料的非线性光学性质。第三,总结了本论文的主要工作以及对今后的工作进行了展望。并指出了未来进一步有待研究和解决的问题以及基本思路。