光学微纳米线,包括玻璃微纳光纤、半导体纳米线、金属纳米线等一维微纳导波结构,是近年发展起来的光纤光学及微纳光子学等领域的前沿研究方向之一。基于量子点、稀土离子或染料分子掺杂的微纳光纤及半导体纳米线的激光器作为新型的可集成的相干光源,在光通信、传感以及信号处理等领域有着广泛应用前景,得到了持续的关注和研究。为了实现光学微纳米线在激光领域功能的多元化,并拓展微纳米线激光器的门类和应用领域,我们提出两种复合型功能微纳米线(包括半导体-金属复合纳米线和石墨烯复合的微纳光纤),来分别实现空间尺度上突破衍射极限的激光光束输出,和时间尺度上亚皮秒的激光脉冲输出。本论文的第一部分工作,基于金属纳米线的强光场约束能力(λ/10～λ/20)和半导体纳米线的超高光学增益(e.g.,3000 cm-1),提出半导体-金属复合纳米线的激光器结构,实现了空间分离的表面等离激元腔模,和突破衍射极限的激光光束输出(光束的模场直径约为λ/10),其激光中心波长约为723nm,线宽为0.38—nm,阈值为60 μJ/cm2。井通过改变Ag纳米线的损耗特性来调控激光器的阈值,以实现激光的开关调制特性。比如在Ag线末端耦合另一根纳米线,相当于对原有的复合腔引入额外的损耗,实现了激光的“开关”效应,显示了对表面等离激元激光器超快调制的可能性。本论文的第二部分工作,我们提出了一种有效地将化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)生长的石墨烯转移到微纳光纤表面的方法。并基于石墨烯的饱和吸收效应,用石墨烯与微纳光纤的复合结构,实现了低损耗、低阈值的复合饱和吸收体。比如,将20 gm长的单层石墨烯复合在直径1μm的微纳光纤表面,其总的净透过率为73%(不加石墨烯的微纳光纤的透过率为90%左右),饱和吸收的阈值为40MW/cm2。然后,我们将15 μm长的多层石墨烯复合在直径为1μm的微纳光纤表面,实现了调制深度为12%的全光调制。此外,我们将20μm长的单层石墨烯复合在直径为1 gm的微纳光纤表面,并将其接入到掺铒光纤环中,在975 nm的连续激光器泵浦下,获得了重频为8.6MHz,脉宽为970 fs的锁模脉冲输出。该结果为实现全微纳光纤的锁模激光器提供了基础,同时为实现微纳光纤激光器的超快调制提供新的途径。