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脉冲激光光源广泛应用于光通信、外科手术、生物探测、材料的精密微加工和太赫兹波生成等领域。光纤激光器因其结构简单紧凑、稳定性高、散热好、成本低、易小型化,成为了脉冲激光源的理想选择,同时光纤的色散和较大非线性使得脉冲光纤激光器能够产生各种性能的脉冲,可以满足不同领域的应用需求。利用可饱和吸收体实现被动调Q和锁模技术是产生脉冲最简单有效的方法,二维纳米材料可饱和吸收体具有很多优点:工作波段宽、恢复时间快、制备工艺简单、成本低、易集成和全光纤化,已成为当前国际上的研究热点和重要前沿领域。研究这些二维纳米材料可饱和吸收体参数及可饱和吸收元件结构对光纤激光器输出脉冲性能的影响,对可饱和吸收体的制备和脉冲性能的控制有着重要的指导意义和实用价值。本文对二维材料中的拓扑绝缘体和过渡金属硫化物可饱和吸收体应用于光纤激光器产生脉冲展开了理论和实验研究。本文的主要研究内容如下:一、理论上模拟了可饱和吸收体被动锁模光纤激光器中产生的全正色散耗散孤子（1mm波段）和负色散常规孤子（1.5mm波段）的腔内脉冲动力学演化过程。在泵浦和腔条件不变的情况下,详细讨论了可饱和吸收体参数（调制深度和饱和功率）对两类光纤激光器输出脉冲的脉冲宽度、光谱宽度和峰值功率等特性产生的影响,为优化可饱和吸收体参数提供理论指导。模拟结果表明目前用于光纤激光器的二维材料可饱和吸收体比较适合于产生常规孤子脉冲,若想要产生高能量窄脉宽的耗散孤子脉冲,必须选择合适的饱和功率值并适当提高调制深度,因为低调制深度下容易产生多脉冲现象。二、对拓扑绝缘体Bi2Se3可饱和吸收体产生脉冲技术进行了研究。利用溶液化学合成法制备了拓扑绝缘体Bi2Se3纳米片分散液,并用高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）制作了Bi2Se3-PVA薄膜型可饱和吸收元件。利用单个Bi2Se3-PVA薄膜,在掺铒光纤激光器中实现了通信长波段1600 nm、360 fs的脉冲输出;在掺镱光纤激光器中实现了调Q锁模脉冲输出,调Q脉冲的最小宽度为1.12ms,最高脉冲能量为39.6 nJ,重复频率为96-175 KHz;通过增加腔长进一步实现了耗散孤子锁模输出,输出脉冲宽度为210 ps、脉冲能量0.83 nJ,波长调谐范围为1032-1037 nm。利用多层Bi2Se3-PVA薄膜型可饱和吸收元件实现了双波长锁模脉冲输出,两个波长中心分别为1532 nm和1557 nm;通过调整泵浦功率和偏振控制器实现了一种特殊的双波长脉冲输出:一个波长的单脉冲状态和另一个波长的多孤子绑定态同时存在,但孤子绑定态不能长时间稳定,实验和模拟结果发现绑定态脉冲间隔会发生轻微变化,脉冲间的相对相位会发生p跳变。三、进行了过渡金属硫化物可饱和吸收元件的制备及在光纤激光器中的应用研究。利用聚乙烯醇（PVA）成膜剂、光吸附等方法分别制备了WS2-PVA薄膜,WS2-光纤端面、MoS2-微结构光纤等可饱和吸收体元件,并应用于光纤激光器分别实现了调Q和锁模脉冲输出。利用WS2-PVA薄膜型可饱和吸收元件在一个光纤环形谐振腔中实现了纳秒调Q脉冲输出,调Q脉冲的最窄宽度为520 ns、最大脉冲能量64 nJ、重复频率65-172 kHz。根据WS2-光纤端面可饱和吸收元件的测量参数,理论模拟并讨论了可饱和吸收体被动锁模光纤激光器在近零色散点附近脉冲的不同形成机制及输出脉冲特性,并利用光纤谐振腔的优化参数实现了光谱宽度40 nm的脉冲输出,脉冲特性需要进一步的实验研究。利用WS2-PVA薄膜和非线性偏振旋转（NPR）联合锁模机制在正色散掺铒光纤激光器中实现了耗散孤子脉冲输出,脉冲宽度为17.7 ps,光谱宽度为8.2 nm,在腔外用普通单模光纤将脉冲压缩到440 fs。利用MoS2-微结构光纤可饱和吸收元件实现了1.2 ps的常规孤子脉冲输出。四、讨论了非线性偏振旋转锁模技术在长光纤谐振腔中的应用。在掺铒光纤激光器中获得了几种不同特性的高能量脉冲输出,包括窄带类噪声脉冲、耗散孤子共振脉冲、方波类噪声脉冲和纳秒双脉冲。窄带类噪声脉冲的宽度为253-317 ns、3 dB带宽为12 nm,腔内单脉冲能量达到了560 nJ,这种类噪声脉冲没有出现分裂迹象,可随着泵浦功率的增加进一步提高脉冲能量,对比实验表明窄带类噪声脉冲源于弱NPR效应。耗散孤子共振脉冲的脉冲宽度随着泵浦功率的增加由1.6 ns线性增加到21.5 ns,而光谱宽度保持在9 nm基本不变,脉冲峰值功率被钳制在4.5 W,因此可继续增加泵浦功率,通过增大脉冲宽度来增加脉冲能量,而不受增益带宽的限制。方波类噪声脉冲的脉冲宽度为35 ns,3 dB带宽为6.1 nm,单脉冲能量高达840 nJ;当继续增加泵浦功率时,会出现谐波输出,模拟发现这种类噪声脉冲的最大能量取决于脉冲波包内的噪声数量密度,更明确的机制需进一步研究。纳秒双脉冲的主脉冲振幅和脉冲宽度较大,随着泵浦功率的增加,主脉冲宽度由2.1 ns增加到6.2 ns,而次脉冲的振幅和脉冲宽度1.2 ns基本保持不变,相应的光谱宽度由10.5 nm增加到11.7 nm,双脉冲的能量可以达到72.5 nJ,脉冲峰值功率被钳制在39 W,实验表明双脉冲的产生与脉冲分裂有关,取决于腔内的线性相移。这种形式的双脉冲可以提高材料微加工的效率和质量,在微加工领域具有良好的应用前景。