1、超快脈沖具有優(yōu)秀的時域和頻域特征，自誕生以來一直受到廣泛的關注，其應用已遍布科研、工業(yè)、軍事、環(huán)境、能源、通訊等與人們生活息息相關的各個領域，深刻影響了人類社會。當前比較理想的超快脈沖源是利用半導體可飽和吸收鏡(SESAM)實現的被動鎖模激光器，但是SESAM的制備需要有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)等外延生長技術，過程復雜且成本較高，而且常用的半導體材料吸收帶寬窄，目前只能應用在近紅外波段，這極大限制了超快激

2、光的發(fā)展。所以急需尋找一種新的可飽和吸收體，要求它具有SESAM的各種優(yōu)點，同時還能克服其缺點。最近幾年，人們發(fā)現石墨烯，也即單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的單晶功能材料，具有非常獨特的非線性光學飽和吸收特性。在石墨烯的可飽和吸收過程中存在兩個特征弛豫時間:通過載流子-載流子散射實現的帶內載流子熱平衡，以及隨后的載流子-聲子散射和帶間載流子復合過程。帶內載流子熱平衡的時間極短，在10-170fs范圍內，可以有效產生飛秒脈沖。帶間

3、載流子復合相應時間較長，在0.4-1.7ps左右，可以起到啟動鎖模產生皮秒脈沖的作用。石墨烯非線性可飽和吸收性能的探索已經成為當前激光領域的熱點之一，基于此，本論文對石墨烯在全固態(tài)激光器上的性能進行了理論和實驗研究。系統(tǒng)研究了石墨烯的物理、光學特性;用Nd:GdVO4晶體作為增益介質，實現了1.06μm和1.34μm的調Q激光;實現了1.06μm和1.34μm的石墨烯皮秒鎖模運轉，并與SESAM鎖模的情況進行了詳細的對比和分析;基于腔內

4、色散補償和腔型優(yōu)化，用Yb:KGW晶體實現了石墨烯飛秒鎖模激光并分析了其機理。研究結果說明石墨烯具有制備方法簡單易行，可飽和吸收性能優(yōu)秀，作用帶寬大，非飽和損耗小，損傷閾值高等顯著優(yōu)點，有非常廣闊的應用前景。
　　 其內容總結如下:
　　 1.對石墨烯獨特的能態(tài)結構及相應的電子傳輸性能進行了系統(tǒng)的研究;分析了石墨烯線性吸收、可飽和吸收和超快弛豫過程的相關機理;理論計算了石墨烯在不同光波長的飽和通量和飽和光強;分析了石墨烯

5、極高熱導率的物理機制。利用旋涂的方法將大尺寸的石墨烯樣品在反射鏡片上，分別制備成在1.06μm波段部分透射和在1.34μm波段全反的可飽和吸收鏡，測量了其透射光譜，在寬光譜范圍內，飽和吸收鏡能產生穩(wěn)定的可飽和吸收，并且根據透過率結果可說明鍍在其上的石墨烯層數為2-10層。（第二章）
　　 2.研究了石墨烯調Q脈沖產生的時間特性，分析了不同階段中石墨烯的快飽和吸收效應對脈沖形狀和強度的影響。將石墨烯可飽和吸收鏡作為調Q元件應用在半

6、導體泵浦的1.06μmNd:GdVO4激光器上，實現了穩(wěn)定的調Q運轉，得到2.3W的平均輸出功率，這是當前石墨烯調Q激光中取得的最高功率，測量脈寬為105ns，重復頻率為704kHz，計算單脈沖能量為3.2μJ，光光轉換效率和斜效率分別為35％和37％。首次研究了石墨烯在1.34μm的可飽和吸收效應，實現了在這一具有重要應用價值波段的穩(wěn)定調QNd:GdVO4激光運轉，光束質量接近單橫模，并且對比了不同泵浦功率和不同輸出鏡透過率下的平均功

7、率、脈寬、重復頻率和脈沖能量。用透過率3％的輸出鏡得到的平均輸出功率為260mW，脈寬為450ns，重復頻率為52kHz，脈沖能量為2.5μJ，光光轉換效率和斜效率是13.5％和21％。（第三章）
　　 3.研究了像散的補償、晶體熱效應的補償，穩(wěn)定區(qū)的選擇對石墨烯鎖模激光器的影響;經過優(yōu)化設計諧振腔，實現了穩(wěn)定的1.06μmNd:GdVO4連續(xù)鎖模運轉，得到了最短16ps的脈寬，中心波長位于1065nm，半高寬為0.58nm，時

8、間帶寬積2.455，說明石墨烯電子聲子的強耦合作用導致了較大的正色散。相應的平均輸出功率為360mW，脈沖能量為8.4nJ,光光轉換效率和斜效率分別為18.9％和22.5％。將鎖模和連續(xù)波運轉情況進行了對比，得到的輸出功率之比高達0.92;用透過率為4％的SESAM進行了對比實驗，得到的脈寬為14ps，平均輸出功率為50mW，脈沖能量為1.2nJ，光光轉換效率和斜效率分別為3.3％和2.6％。結果表明，相比于SESAM，我們制備的石墨烯

9、可飽和吸收鏡能實現更高效率皮秒鎖模。（第四章）
　　 4.首次研究了1.3μm石墨烯鎖模激光特性。用Nd:GdVO4晶體得到了脈寬11ps的穩(wěn)定鎖模，平均輸出功率達到了1.29W，光光轉換效率達到23％，水平和豎直方向上的輸出光束M2因子達到1.0和1.1，非常接近極限值;用傳統(tǒng)的SESAM進行對比了對比實驗，針對SESAM的性質優(yōu)化了諧振腔后，得到了3.3ps的鎖模脈寬，這是當前摻Nd晶體在1.3μm波段實現的最短脈寬，但是激

10、光閾值，平均功率，斜效率等均低于石墨烯鎖模。結果說明，石墨烯在1.3μm同樣具有優(yōu)異的可飽和吸收性能，在高效率低成本鎖模激光器上具有重要應用前景。（第五章）
　　 5.理論研究了飛秒脈沖與介質的非線性相互作用，分析了色散與啁啾、克爾透鏡效應、自相位調制等非線性效應對飛秒脈沖的影響并進行了理論模擬;具體分析了孤子鎖模的機理;在此基礎上用Yb:KGW作為激光晶體，用兩片GTI鏡補償腔內色散，實現了孤子飛秒激光運轉，得到了428fs的

11、鎖模脈沖，平均輸出功率504mW，斜效率27％，連續(xù)激光到鎖模激光的轉換效率高達93％，時間帶寬積經計算為0.335，水平和豎直方向上的輸出光束M2因子分別為1.6和1.4;分析了在更高泵浦功率下脈沖分裂的原因。（第六章）
　　 論文的主要創(chuàng)新工作包括:
　　 1.首次制備了反射式和部分透射式的石墨烯可飽和吸收鏡，能夠作為激光諧振腔的腔鏡使用，大大降低了插入損耗，提高了激光效率。
　　 2.理論研究了石墨烯調Q、

12、皮秒鎖模和飛秒鎖模激光的機理，并詳細給出諧振腔設計思路和優(yōu)化方法。
　　 3.實現了平均輸出功率2.3W的1.06μm石墨烯調Q激光運轉，這是當前在石墨烯調Q激光器中獲得的最高功率。調Q運轉與連續(xù)波運轉的平均輸出功率之比高達92％，是當前被動調Q激光的最高值。實現了1.06μm石墨烯皮秒鎖模激光運轉，脈沖寬度16ps，平均輸出功率360mW。
　　 4.首次研究了石墨烯在1.34μm的調Q和鎖模性能。實現了平均輸出功率1