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短脉冲激光器因脉冲能量大，峰值功率高和持续时间短等优点。被广泛用于工业加工，通讯遥感，国防军事，医疗美容，大气监测及科研等领域。被动全固态调Q是产生短脉冲激光的重要手段，具有结构简单，体积小，可靠性高的特点，更适合苛刻的工作环境，及进行复杂的系统集成。作为被动调Q激光器的核心部件之一，可饱和吸收材料的发展已经在很大程度上影响着短脉冲激光的发展。半导体饱和吸收镜(SESAM)是目前最成熟且商用的可饱和吸收元件。但SESAM制备工艺复杂、价格昂贵，吸收带宽窄，只有在近红外波段有成熟的产品，受材料限制，在中红外和远红外波段的技术仍不理想。随着工业上对高性能低成本短脉冲激光器需求越发迫切，以及短脉冲激光器向中红外，宽调谐发展的趋势，激励着科研人员寻找比SESAM性能更优秀的新型可饱和吸收材料。石墨烯在短脉冲激光器上的优异性能使得人们开始关注其他类石墨烯材料。近年来，拓扑绝缘体(TIs)和硫属过渡族金属化合物(TMDs)被证实具有非常优秀的非线性可饱和吸收性能。拓扑绝缘体的表态无带隙及体态窄带隙能级结构赋予它超宽光谱响应，可满足近红外至太赫兹波段内可饱和吸收体要求，同时硫属过渡族金属化合物缺陷及层数可控的能带结构也表现出宽带可饱和吸收性能。这类材料制备简单，成本低，易操作，并且调制深度大，非线性折射率高，损伤阈值高，饱和弛豫时间短，被认为是理想的可饱和吸收体材料。本论文以拓扑绝缘体(Bi2Te3)和硫属过渡族金属化合物(MoS2)为研究对象，探索新型纳米光电材料在1.0-3.0μm全固态高性能脉冲激光器中的应用。主要研究内容有: 1.优化了可饱和吸收体材料的制备方法，用液相剥离法、水热法、溶剂热法实现拓扑绝缘体Bi2Te3二维薄片、一维纳米线，MoS2多层纳米片、花式微球，Bi2Te3-石墨烯异质结等材料的高质量可控制备，系统表征了材料的微观形貌，物理特性和非线性光吸收特性，测量了不同波段下的宏观非线性特征参数，针对不同目标激光，设计并总结了可饱和吸收体材料的选择和性能优化方法。 2.针对超声剥离的Bi2Te3薄片的低非线性饱和强度，研究了拓扑绝缘体独特的能带结构中体态和表态的复合效应导致的高灵敏可饱和吸收的物理机理。在Nd∶YVO4调Q激光器中，首次实现了1.06μm和1.34μm低阈值脉冲激光输出，1064nm调Q激光阈值仅为31mW，是已知固体调Q激光的最低值。调Q脉宽分别为97ns和93ns。同时也实现了Bi2Te3调制的1.06μm和1.34μm调Q锁模激光，重复频率为～5GHz。 3.首次研究了溶剂热法六方Bi2Te3纳米片的全固态宽带调Q激光，探索了1.0μm处的非线性吸收和调Q激光性能与可饱和吸收体的膜厚的关系，实现了最短370ns的Yb∶GAB三波长调Q激光;采用Bi2Te3/PMMA可饱和吸收体，研究了Yb∶CYB的多波长和可调谐调Q激光，实现从1027.9nm到1040.3nm的连续调谐脉冲输出，调谐范围为12.4nm。在Er∶YSGG晶体中，实现了长时间稳定的2.8μm调Q激光，稳定输出功率为106mW，脉冲宽度为476ns，脉冲能量为2.1μJ，进一步证实了水热法Bi2Te3纳米片的宽带可饱和吸收特性。 4.首次研究了一维Bi2Te3纳米线的宽带非线性吸收性能，并实现稳定的宽带调Q激光输出。在1.0μm Yb∶GAB调Q激光实验中，获得最大输出功率213mW，最窄脉宽303ns，及最高脉冲能量1.2μJ。实验结果与其他可饱和吸收体可比。在2.8μm处，获得了最大344mW的稳定调Q激光输出。对应的脉冲宽度为444ns。脉冲能量为5μJ。实验表明Bi2Te3纳米线可作为优异的宽带可饱和吸收体。本文工作也为研究其他形貌拓扑绝缘体材料的光学性能提供一定参考价值。 5.得益于石墨烯的大尺寸，高热导等优点，及Bi2Te3纳米片的高调制深度，首次获得了基于石墨烯-Bi2Te3复合异质结可饱和吸收体的优秀1.0μm和高性能的2.0μm全固态调Q激光输出。在1.0μm处，获得最大输出功率305mW，最窄脉宽280ns，及最高脉冲能量1.83μJ，较其他Bi2Te3有明显提高。在2.0μm处，获得2.34W最大输出功率，对应峰值功率为91W，显著优于纯Bi2Te3和石墨烯以及其他新型可饱和吸收体。实验证明石墨烯-Bi2Te3是一种优异的宽带，尤其是中红外可饱和吸收材料。异质结复合是优化可饱和吸收体性能的有效手段。 6.首次从MoS2的形貌结构的角度出发，研究了多层纳米片和花式纳米微球在1.0μm全固态调Q激光中的应用。相比之下，二硫化钼微球可以获得更大脉冲能量，更窄脉冲线宽，表现出更优异的光调制潜能。双波长输出时，获得最大脉冲能量为1.36μJ，和最小脉宽198ns。