锁模光纤激光器不但在工业、医学、国防等领域有着广泛应用,而且也能做为一种有力的工具推动其他基础学科的发展,同时也是非线性光学研究的前沿课题。研究锁模光纤激光器具有重要的基础研究价值和深远的社会经济价值。锁模光纤激光器作为一种探索非线性脉冲动力学的理想平台,在过去几十年里,不同的激光器腔型里有着不同脉冲形状及动力学特性,尤其是在光纤激光器中,能够观察到丰富的非线性现象。自2004年科学家成功分离出单层石墨烯以来,以石墨烯为代表的二维材料展现出其独特和优异的物化性能,活跃于各个领域的科学前沿,比如在电子器件、柔性电子学、传感器、生物医学、复合材料、储能领域、光电子领域等等。在光电子领域,石墨烯有着卓越的光学性质,包括狄拉克电子线性色散导致的宽带吸收特性,单碳层对光2.3%的线性吸收率,泡利阻塞导致的饱和吸收效应,皮秒量级的超快恢复时间,电门调控的光电导率等。这里,我们以光纤激光器为研究平台,深入研究锁模光纤激光器的非线性脉冲动力学。我们通过石墨烯的衍生材料氧化石墨烯制备可饱和吸收体,将其作为一种被动的强度调制器应用在锁模光纤激光器中,深入研究和分析了基于氧化石墨烯锁模光纤激光器的非线性动力学特性。此外,我们还实现了基于石墨烯的主动电光强度调制器,利用石墨烯对光进行主动强度调制。本论文主要研究工作包括:1.被动锁模光纤激光器中的非线性脉冲动力学从理论的角度,利用非线性薛定谔方程研究了传统孤子、色散管理孤子、自相似孤子和耗散孤子在光纤激光器中的演化规律及形成机理。分析了色散效应和非线性效应在孤子脉冲的产生中所起的作用。介绍了各种形式的饱和吸收体,包括实体饱和吸收体和虚拟饱和吸收体,以及其工作机理。文中着重介绍了在全正色散锁模光纤激光器中,饱和吸收体作为一种非线性损耗器件,对耗散孤子的产生起到了至关重要的作用。饱和吸收体透射率曲线的不同,影响着激光器最终生成的耗散孤子类型,包括传统耗散孤子、耗散孤子共振和类噪声脉冲的。我们通过数值模拟的方式,首次利用非线性薛定谔方程,从饱和吸收体的透射率曲线的角度,详细研究和演示了传统耗散孤子在一定条件下向耗散孤子共振和类噪声脉冲演化的过程,明确指出了反饱和吸收效应在这个过程中起到的决定性作用,为设计高能量锁模光纤激光器提供重要的理论支撑。2.基于氧化石墨烯的全正色散掺镱锁模光纤激光器我们利用氧化石墨烯材料,通过垂直蒸发法和滴涂法制备了基于氧化石墨烯的饱和吸收体,将饱和吸收体放置于掺镱光纤激光器中。在约22 m的短腔长条件下,通过调节偏振控制器,实现了传统耗散孤子的输出。在更高的泵浦功率下,通过调节偏振控制器,获得了类噪声脉冲的输出。根据观察到的实验现象,结合全正色散耗散孤子的特性,我们提出和分析了基于低调制深度的石墨烯类材料的全正色散锁模光纤激光器非常依赖腔内潜在非线性偏振旋转效应,输出的脉冲通常较宽,引入超窄带宽的滤波器会明显窄化输出脉冲的宽度。另外,我们在约216 m的长腔条件下,首次观察到基于氧化石墨烯实体饱和吸收体掺镱锁模光纤激光器中的耗散孤子共振效应,实现了高达约160 nJ的单脉冲能量,并分析了腔内潜在非线性偏振旋转效应和标准具干涉效应为耗散孤子共振提供了必要的反饱和吸收作用。3.基于石墨烯的电光调制器研究了石墨烯的光电导率随加载电压变化的物理机制。利用两片化学气相沉积法制备的单层石墨烯材料和电子束蒸发法蒸镀的三氧化二铝薄膜在二氧化硅衬底上制备出基于石墨烯的电光调制器。我们利用连续光纤激光器测量了调制器在不同电压下,透射率的变化,获得了约7.5%的调制深度。并利用超连续谱光源,观察到了调制器在1100-1700 nm很宽的近红外波长范围内的电光调制作用。