飞秒激光由于具有超短的脉冲宽度、超高的峰值功率等特点,被广泛应用于医疗、工业加工、国防以及基础科学研究等领域。被动锁模是实现飞秒脉冲激光的一种有效方式,可饱和吸收体是实现锁模的核心器件。目前,常用的可饱和吸收体器件主要是半导体可饱和吸收镜,但其制备流程复杂且成本较高。随着纳米技术的发展,碳纳米管、石墨烯等二维材料受到科研工作者的广泛关注,他们的共同特点在于具有高的三阶非线性系数、响应时间短、光纤兼容性好、易于制备等。金纳米材料由于具有更高的三阶非线性系数、超快的响应时间、良好的光纤兼容性等优点,被视为一种理想的可饱和吸收体。金纳米材料的可饱和吸收特性主要源于其具有的表面等离激元共振(SPR)吸收特性。2012年,我们研究组首次利用球形金纳米颗粒做为可饱和吸收体材料,在1.5μm波段实现了调Q脉冲激光输出。但球形金纳米颗粒仅具有单一的横向SPR吸收峰,位于520 nm处,虽可利用其团聚形成的多聚体实现覆盖500-2000 nm的宽带吸收,但团聚过程较难控制,这为其应用带来了很大的限制。与球形金纳米颗粒相比,金纳米棒除了具有横向的SPR吸收峰外,还具有纵向的SPR吸收峰,且通过调节材料的长径比可以使得其纵向SPR吸收峰从可见光波段调谐到中红外波段,具有实现宽波段脉冲调制器件的潜力。利用金纳米棒可饱和吸收体器件,我们后续实现了宽波段(可见-红外)的脉冲激光输出。然而,金纳米棒较强的光热效应使得其在大功率及长期运转时会因热积累而损伤,这一性质限制了其应用。为了提升基于金纳米棒的器件的性能,对光热效应的抑制或减弱是非常有意义的。在硕士期间,作者围绕金纳米棒与消逝场的复合及基于该结构可饱和吸收体的应用进行了系统地研究,取得以下研究成果:(1)通过研究发现,光在光纤中传输时,会在低折射率区域激发出消逝场,其强度沿着光纤径向以指数形式衰减,利用消逝场与材料相互作用同样可以产生可饱和吸收的效应,而消逝场的强度特性可减小材料所受激光辐照强度,进而可以有效提升器件的损伤阈值。D形光纤具有机械强度高、消逝场激发区域精确可控的优点,适用于制备该类型器件。基于上述思想,作者提出利用D形光纤构建具有消逝场特性的可饱和吸收体器件。在实验上,通过将Hi1060光纤的包层部分剥离制成D形光纤,利用消逝场效应与金纳米棒复合制备出金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体器件,与传统“三明治”结构对比,金纳米棒所受到激光辐照强度被降低60%;此外,通过调节D形光纤包层的剥离长度控制,可以调控金纳米棒的有效作用面积,如此可在保证金纳米棒对光可饱和吸收性能的同时有效提高损伤阈值。其中金纳米棒的平均长径比为5.3,纵向表面等离激元共振吸收峰位于935 nm处。通过对其建立模型进行理论分析,该复合器件在可见-红外波段有着平坦的宽带吸收,进一步在实验上,测得其吸收光谱覆盖500-3000 nm,上述结果表明,该器件可被应用于实现可见-红外波段的锁模激光器。(2)进一步研究该类型可饱和吸收体在2μm波段的应用。将上述金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体置于环形腔掺铥光纤激光器中,提升泵浦功率至700 mW后实现锁模激光输出,其中心波长为1950 nm,脉冲宽度为373 fs。脉冲激光的输出最大平均功率为60 mW,这一结果与利用“三明治”结构金纳米棒可饱和吸收体所实现的锁模激光最大平均功率相比提升了10倍。表明金纳米棒可饱和吸收体的损伤阈值得到了极大地提升。此后进行的锁模激光连续1.5小时的长期稳定运转同样说明其性能的提升,可饱和吸收体并未因长期运转带来的热积累而损伤。(3)继而对金纳米棒/D形光纤可饱和吸收体在1.5μm波段的应用展开研究。将其置于环形腔掺铒光纤激光器中,在泵浦功率提升至60 mW后,调节偏振控制器实现中心波长为1560 nm,脉冲宽度为421 fs的飞秒激光输出。验证了金纳米棒作为一种宽带可饱和吸收体可被用于实现1.5μm波段飞秒激光输出。