自激光器问世以来,三阶非线性光学材料的研究及其应用引起了人们的重视。随着激光器朝着可调谐、短脉冲和高能量输出方向发展,对非线性光学材料提出了更高要求:快响应、宽工作带宽、较高调制深度、高损伤阈值、低成本。可想而知,传统的非线性光学材料已无法满足。近年来,备受瞩目的原子层石墨烯因其独特的光电学特性在三阶非线性光学领域被广泛研究,然而其零带隙结构以及较低的调制深度,使其在高能量激光应用中受到限制。从而具有石墨烯层状结构同时拥有带隙的二维类石墨烯纳米材料如拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等相继被制备出来。最近,这类材料被相继证实具有优异的三阶非线性光学效应。然而,对该类材料的非线性光学性质研究及相关应用才刚刚开始,缺乏深入系统的探索,其性能依赖条件、提高非线性光学特性及实际应用仍有待研究。而且目前基于该类材料的非线性光学特性研究大都集中在液相剥离二维纳米片上,存在诸多缺点,不利于性能探索和大规模器件化。因此,基于上述存在问题,开展了以下三部分的工作:一、过渡金属硫化物的制备与非线性饱和吸收特性及应用研究采用水热法成功制备了二维二硫化钼(MoS2)纳米片。利用Z-扫描实验装置证实该材料具有宽带可调谐得非线性饱和吸收特性。对入射光子能量小于MoS2带隙时亦具有非线性饱和吸收的情况做了详细解释。在不同波长激光作用下都具有较高的调制深度和较大的饱和吸收强度。将其应用于掺饵光纤激光器中,成功获得被动调Q脉冲激光输出,输出效率可达3.50%,高于同等条件下的液相剥离MoS2纳米片。实验证实采用水热法制得的MoS2纳米片不仅不存在液相剥离所具有的缺点,亦能作为非线性光学材料实现可调谐、短脉冲、高能量的激光输出。通过引入掺杂剂的方法,一方面使结构发生扭曲和断裂,出现更多缺陷和边缘态;另一方面提高材料导电性;从而快速吸收入射光子,有效加快基态电子跃迁速率来增强材料的非线性光学特性。基于此材料实现的被动调Q脉冲输出性能远优于纯MoS2纳米片。表明为增强材料的非线性饱和吸收特性以及实现优异的超快脉冲激光输出提供了一种可行的方法。采用水热法制备了三维MoS2纳米花。证实该材料亦具有优异的非线性饱和吸收特性,较高的调制深度和较大的饱和吸收强度。将其做成膜接入激光腔内,成功实现其在光纤激光器中的被动调Q应用,脉冲输出性能优于上述水热法所制得的二维MoS2纳米片,激光输出效率可高达4.71%。证实过渡金属硫化物的非线性光学特性并不完全依赖其维度结构,拓展了过渡金属硫化物非线性饱和吸收特性及其应用研究的范围,预示着非二维结构的过渡金属硫化物在被动调Q、锁模等光电子学器件中具有巨大的潜在应用。二、拓扑绝缘体的制备与非线性饱和吸收特性及应用研究采用表面活性剂PVP辅助溶剂热法成功制得二维碲化铋(Bi2Te3)纳米片。探索不同分子量和不同浓度PVP对Bi2Te3的影响。证实所制得Bi2Te3具有优异的非线性饱和吸收特性。将该材料作为可饱和吸收体,通过改变激光腔内腔长和耦合器输出端比值,实现低调Q阈值和高功率输出的被动调Q脉冲激光。表明采用溶剂热法制得的二维Bi2Te3纳米片亦是优良的调Q器件。因目前基于拓扑绝缘体的非线性光学特性研究几乎都集中在二元上,三元拓扑绝缘体是否同样具有优异的非线性光学特性尚不明确。为了更全面深入的了解拓扑绝缘体的非线性光学特性,制备了三元Bi2SeTe2纳米片,并证实其同样具有优异的非线性饱和吸收特性。对其超快的非线性光学特性进行了详细解释,带内载流子散射时间可快至50 fs。将其应用于掺饵光纤激光器中亦可实现稳定的超快脉冲激光输出。三、光限幅材料的制备及其反饱和吸收特性研究随着超快高能量的飞秒脉冲激光输出,激光对精密仪器以及人眼等造成严重威胁。因此,研制具有超快响应、超低光限幅阈值、超高损伤阈值、实现通弱光挡强光的光限幅材料具有极为重要的意义。首先,采用固相法成功制备了超薄的MoS2和WS2纳米片。该材料能均匀分散在乙醇或水溶液中,不加任何的其他有机溶剂。利用Z-扫描方法证实所制得的材料对超快飞秒激光具有明显的光限幅效应。结合第一部分实验,证实MoS2的非线性光学特性与其厚度有关。MoS2纳米片分散液具有高的品质因数、大的非线性折射率以及低的光限幅阈值。将同样采用固相法制得的二维WS2与PMMA复合成透明固体薄膜,不仅能长期存放、利于实际应用,其品质因数和非线性折射率比MoS2纳米片分散液高出至少一个数量级,光限幅阈值低至2.4 mJ/cm2,实现对飞秒激光优异的光限幅效应。实验表明为制备光限幅材料提供了一种可行的方法。为了进一步提高MoS2纳米片的光限幅效应。采用静电纺丝与水热法结合实现超薄MoS2纳米片垂直植根于TiO2纤维中。其独特的结构有效促进MoS2和TiO2各自双光子吸收的同时,诱发出激发态吸收,从而增强材料的非线性反饱和吸收特性,能明显防护超快高能量的飞秒激光。显而易见的,为增强材料的光限幅效应提供了一种可行的方法。