二维材料是由单层原子组成的晶体材料,由于其独特的力学、光学和电学等特性,已成为当前研究的热点课题。目前,对石墨烯的研究在光学、材料学、电学等多个领域内迅速发展,比如在显示和照明市场,作为透明的电极和柔性的基底应用在LED等照明设备中,同时也可以作为这些器件的背板;石墨烯也可以用作超级电容器,作为常规电解电池的替代品。全球石墨烯市场迅速扩大,在半导体、电子、电池、储能和能量转换以及复合材料等领域所占份额不断增加。石墨烯的快速发展的同时推动了其他具有和石墨烯类似层状结构的材料的研究和发展。随着化学气相沉积(CVD)工艺的进步,通过这种廉价且快捷的制备方法已经合成出石墨烯。这些二维材料独特的光学和非线性光学性质引起了越来越多的研究人员的关注。由于二维材料所具有的单原子层的厚度和与原子层数相关的光学性质,使得其在集成光子学领域具有巨大应用前景。光波导与光纤十分相似,是光子器件的基本元件,是由折射率较低的区域包覆具有较高折射率的波导区域所形成的结构。光波导结构可以将光传输限制在微米或者亚微米量级的极小区域内,从而获得超高的光功率密度,这一点是在体材料中无法轻松做到的。所以,基于光波导结构,并结合一些功能性的光学材料,即可以实现或者增强诸如非线性光学效应或者波导激光等应用,这极大地扩展了光波导在集成光子学系统中的应用。目前,波导激光器为集成光学系统的微小型化、高功率激光光源集成提供了解决方案。与自由空间激光器不同,波导激光因光束被束缚在微米级的空间中激发和传输,波导中的光密度较大,泵浦光模式与波导的导模重合度较高,可以有效地降低激光振荡的阈值,实现高亮度的微型化激光光源。由于波导激光器等集成化光子学器件的尺寸小、集成度高,系统中两个元件之间的微小差异就可能引起整个系统的效率大幅度降低。所以对集成系统内部的各个元件设计要求非常,对于传统的空间光路中的元件而言,往往很难达到这些设计要求。但是对于仅具有原子层厚度的二维材料,尺寸限制显然不是问题。在本文中,使用二维材料替代的传统染料或半导体可饱和吸收镜(SESAMs)在波导激光系统中的可饱和吸收体。既解决了传统元件难以高度集成或者承受高功率密度问题,又体现了二维材料宽吸收光谱范围的特点。仅在波导激光这一方面,二维材料和波导激光平台结合,就兼得具有得天独厚的优势和事半功倍的效果。本论文的主要内容包括过渡金属硫族化合物(TMDCs)、二硒化锡、六方氮化硼等二维材料的非线性吸收、可饱和吸收性、拉曼光谱、吸收光谱等光学性质的测试,以及将二维材料结合晶体光波导,实现波导激光中的相关应用。同时还包括使用飞秒激光对二维材料进行修饰,使其产生微米级的周期性结构,在微米尺度对修饰结构进行测试。根据材料的不同分类和测试性质,可以将本论文的主要工作归纳为如下内容:利用CVD在石英衬底上制备了几种TMDCs二维材料薄膜,包括少层二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼(MoS2、WSe2、MoSe2)薄膜。测试了这几种二维材料薄膜的表面形貌、拉曼光谱、可饱和吸收性等性质,在Nd:YAG晶体光波导中,使用这几种材料作为可饱和吸收体实现了被动调Q波导脉冲激光。实验结果表明,TMDCs具有独特的可饱和吸收性,可以应用于集成波导激光光源。具体来说,测试了 CVD制备的少层MoS2薄膜的表面形貌和拉曼光谱;使用MoS2作为可饱和吸收体在808 nm波长激光泵浦下,实现了 1 μm被动调Q脉冲激光输出;平均输出功率达到84.0mW。单脉冲能量为89nJ,具有203 ns和1.10MHz的脉冲宽度和重复频率;改变泵浦光功率,可以得到0.51 MHz调节到1.10MHz可变的重复频率。测试了 CVD制备的少层WSe2和MoSe2薄膜的表面形貌和拉曼光谱,利用1.06 μm的皮秒激光(脉冲宽度22 ps),测试了两种样品的非线性吸收,分别得到了 0.007 GW/cm2和0.006 GW/cm2的可饱和吸收强度,5.4%和11.4%的调制深度;在波导激光平台中,利用WSe2和MoSe2作为可饱和吸收体在808 nm激光泵浦下实现了 1.06 μm的调Q脉冲激光输出,其最大输出功率分别为115.1 mW和45.7 mW,斜效率为7.4%和7.0%,最小激光阈值为189.7 mW和 275.1 mW;两者具有 35.9 nJ、0.995到3.334 MHz(MoSe2)和 19.0 nJ、0.781到2.938 MHz(WSe2)的最大单脉冲能量和可调的脉冲重复频率。利用CVD在蓝宝石衬底上制备了二硒化锡(SnSe2)薄膜。测试了这该薄膜的表面形貌、线性吸收光谱、拉曼光谱、可饱和吸收特性的等性质,在Nd:YAG晶体光波导中,使用该材料作为可饱和吸收体实现了1 μ 的被动调Q波导脉冲激光。实验结果表明,SnSe2具有独特的线性吸收性和可饱和吸收性,在低功率密度的非线性光学应用中具有一定前景。具体来说,测试并分析了 CVD制备的少层SnSe2薄膜的表面形貌、吸收光谱和拉曼光谱;通过1.03 μm超快激光Z扫描系统得到了该样品从-13596 cm/GW到-2967.3 cm/GW可调的非线性吸收系数和饱和吸收强度Is为～23.78 GW/cm2的可饱和吸收特性;在波导平台中,利用少层SnSe2薄膜作为可饱和吸收体在808 nm激光泵浦下实现了 1.06 μm的调Q脉冲激光输出,其最大输出功率为102.3 mW,斜效率为11.9%,最小激光阈值为287 mW;脉冲激光具有0.337到2.294 MHz和129 ns到299 ns的可调脉冲重复频率和脉冲宽度,得到的最大单脉冲能量为44.5 nJ,最大峰值功率为347.0 mW。利用CVD在蓝宝石衬底上制备了少层具有硼原子空位(Bv)缺陷的六方氮化硼(h-BN)薄膜。通过显微荧光/拉曼光谱技术、分光光度技术、超快激光Z扫描技术对Bv缺陷的h-BN薄膜的拉曼光谱、光致发光现象、线性吸收和非线性吸收进行研究,并通过结合VASP软件对缺陷态h-BN的晶格结构进行仿真模拟。在Nd:YAG光波导中,使用该材料作为可饱和吸收体实现了 1μm的被动调Q锁模波导脉冲激光。实验结果表明,通过对h-BN引入单原子级的Bv缺陷使该样品在1μm(～1 eV)下具有杂质吸收和可见光的光致发光,表明Bv缺陷的h-BN具有近红外和可见波段的非线性和光致发光应用。具体来说,测试了少层Bv缺陷的h-BN薄膜的表面形貌、吸收光谱和拉曼光谱;利用分光光度法发现该样品在<1 eV和1 eV～2 eV具有两个线性杂质吸收峰,其中1 eV～2 eV的吸收能隙对应为1.16 eV;利用532 nm激光器激发了 Bv缺陷的h-BN光致发光,辐射波长为694 nm(1.79 eV);通过VASP软件基于密度泛函理论模拟了单原子级Bv缺陷态,得到了相应的能带结构和吸收光谱,与实验结果对照发现具有非常高的吻合度;通过1.03 μm超快激光Z扫描系统使用最高为160.36 GW/cm2的功率密度测试该样品,得到了该样品的可饱和吸收强度I= 1.03 GW/cm2,调制深度为1%;在波导激光平台中,利用少层Bv缺陷h-BN薄膜作为可饱和吸收体在808 nm激光泵浦下实现了 1 μm的调Q脉冲激光输出,重复频率和脉冲宽度根据泵浦光功率而变化,变化范围分别从0.79 MHz到2.42 MHz和130 ns到456 ns,所获得的最大峰值功率为252.8 mW,最大单脉冲能量为35.0 nJ;通过调节谐振腔,进一步得到了调Q锁模脉冲激光,锁模脉冲的重复频率为8.7 GHz,脉冲宽度为55 ps。利用飞秒激光辐照蓝宝石基底的单层石墨烯薄膜,在该层薄膜上得到了的微米级的周期性永久修饰结构。通过原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等形貌测试可以清晰的观察到该修饰结构。利用显微拉曼光谱技术得到微米级空间分辨率的拉曼光谱,并探究该修饰结构的具体性质,包括层数、缺陷、晶格结构等。实验结果表明,修饰结构从辐照焦点中央沿径向向外,呈现出同心圆分布的区域性修饰结构,分别对应不同的修饰机理,并且在飞秒激光修饰之后石墨烯仍然保持良好的结晶度,并没有石墨化。这项工作有助于为进一步利用飞秒激光在石墨烯上进行精密加工提供理论和实验基础。具体来说,通过显微拉曼光谱技术得到了空间分辨率为1μm的拉曼光谱,通过拉曼光谱特征峰的中心位置、宽度和强度比确定了 I～IV四个对应不同机理的修饰区域;确定了不同区域的石墨烯性质的改变,包括层数、缺陷距离、缺陷密度、折射率等变化;利用AFM和SEM等观察发现该修饰结构相对于未修饰样品的形貌变化。这一结果与拉曼光谱结果呈现出高度的一致性。