超快脉冲具有优秀的时域和频域特征,自诞生以来一直受到广泛的关注,其应用已遍布科研、工业、军事、环境、能源、通讯等与人们生活息息相关的各个领域,深刻影响了人类社会。当前比较理想的超快脉冲源是利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现的被动锁模激光器,但是SESAM的制备需要有机化合物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等外延生长技术,过程复杂且成本较高,而且常用的半导体材料吸收带宽窄,目前只能应用在近红外波段,这极大限制了超快激光的发展。所以急需寻找一种新的可饱和吸收体,要求它具有SESAM的各种优点,同时还能克服其缺点。最近几年,人们发现石墨烯,也即单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单晶功能材料,具有非常独特的非线性光学饱和吸收特性。在石墨烯的可饱和吸收过程中存在两个特征弛豫时间：通过载流子-载流子散射实现的带内载流子热平衡,以及随后的载流子-声子散射和带间载流子复合过程。带内载流子热平衡的时间极短,在10-170fs范围内,可以有效产生飞秒脉冲。带间载流子复合相应时间较长,在0.4-1.7ps左右,可以起到启动锁模产生皮秒脉冲的作用。石墨烯非线性可饱和吸收性能的探索已经成为当前激光领域的热点之一,基于此,本论文对石墨烯在全固态激光器上的性能进行了理论和实验研究。系统研究了石墨烯的物理、光学特性；用Nd:GdVO4晶体作为增益介质,实现了1.06pm和1.34pm的调Q激光；实现了1.06pm和1.34pm的石墨烯皮秒锁模运转,并与SESAM锁模的情况进行了详细的对比和分析；基于腔内色散补偿和腔型优化,用Yb:KGW晶体实现了石墨烯飞秒锁模激光并分析了其机理。研究结果说明石墨烯具有制备方法简单易行,可饱和吸收性能优秀,作用带宽大,非饱和损耗小,损伤阈值高等显著优点,有非常广阔的应用前景。其内容总结如下：1.对石墨烯独特的能态结构及相应的电子传输性能进行了系统的研究；分析了石墨烯线性吸收、可饱和吸收和超快弛豫过程的相关机理；理论计算了石墨烯在不同光波长的饱和通量和饱和光强；分析了石墨烯极高热导率的物理机制。利用旋涂的方法将大尺寸的石墨烯样品在反射镜片上,分别制备成在1.06μm波段部分透射和在1.34pm波段全反的可饱和吸收镜,测量了其透射光谱,在宽光谱范围内,饱和吸收镜能产生稳定的可饱和吸收,并且根据透过率结果可说明镀在其上的石墨烯层数为2-10层。(第二章)2.研究了石墨烯调Q脉冲产生的时间特性,分析了不同阶段中石墨烯的快饱和吸收效应对脉冲形状和强度的影响。将石墨烯可饱和吸收镜作为调Q元件应用在半导体泵浦的1.06μmNd:GdVO4激光器上,实现了稳定的调Q运转,得到2.3W的平均输出功率,这是当前石墨烯调Q激光中取得的最高功率,测量脉宽为105ns,重复频率为704kHz,计算单脉冲能量为3.2μJ,光光转换效率和斜效率分别为35%和37%。首次研究了石墨烯在1.341μm的可饱和吸收效应,实现了在这一具有重要应用价值波段的稳定调QNd:GdVO4激光运转,光束质量接近单横模,并且对比了不同泵浦功率和不同输出镜透过率下的平均功率、脉宽、重复频率和脉冲能量。用透过率3%的输出镜得到的平均输出功率为260mW,脉宽为450ns,重复频率为52kHz,脉冲能量为2.5μJ,光光转换效率和斜效率是13.5%和21%。(第三章)3.研究了像散的补偿、晶体热效应的补偿,稳定区的选择对石墨烯锁模激光器的影响；经过优化设计谐振腔,实现了稳定的1.06μmNd:GdVO4连续锁模运转,得到了最短16ps的脉宽,中心波长位于1065nm,半高宽为0.58nm,时间带宽积2.455,说明石墨烯电子声子的强耦合作用导致了较大的正色散。相应的平均输出功率为360mW,脉冲能量为8.4nJ,光光转换效率和斜效率分别为18.9%和22.5%。将锁模和连续波运转情况进行了对比,得到的输出功率之比高达0.92；用透过率为4%的SESAM进行了对比实验,得到的脉宽为14ps,平均输出功率为50mW,脉冲能量为1.2nJ,光光转换效率和斜效率分别为3.3%和2.6%。结果表明,相比于SESAM,我们制备的石墨烯可饱和吸收镜能实现更高效率皮秒锁模。(第四章)4.首次研究了1.3μm石墨烯锁模激光特性。用Nd:GdVO4晶体得到了脉宽11ps的稳定锁模,平均输出功率达到了1.29W,光光转换效率达到23%,水平和竖直方向上的输出光束M2因子达到1.0和1.1,非常接近极限值；用传统的SESAM进行对比了对比实验,针对SESAM的性质优化了谐振腔后,得到了3.3ps的锁模脉宽,这是当前掺Nd晶体在1.31μm波段实现的最短脉宽,但是激光阈值,平均功率,斜效率等均低于石墨烯锁模。结果说明,石墨烯在1.3μm同样具有优异的可饱和吸收性能,在高效率低成本锁模激光器上具有重要应用前景。(第五章)5.理论研究了飞秒脉冲与介质的非线性相互作用,分析了色散与啁啾、克尔透镜效应、自相位调制等非线性效应对飞秒脉冲的影响并进行了理论模拟；具体分析了孤子锁模的机理；在此基础上用Yb:KGW作为激光晶体,用两片GTI镜补偿腔内色散,实现了孤子飞秒激光运转,得到了428fs的锁模脉冲,平均输出功率504mW,斜效率27%,连续激光到锁模激光的转换效率高达93%,时间带宽积经计算为0.335,水平和竖直方向上的输出光束M2因子分别为1.6和1.4；分析了在更高泵浦功率下脉冲分裂的原因。(第六章)论文的主要创新工作包括：1.首次制备了反射式和部分透射式的石墨烯可饱和吸收镜,能够作为激光谐振腔的腔镜使用,大大降低了插入损耗,提高了激光效率。2.理论研究了石墨烯调Q、皮秒锁模和飞秒锁模激光的机理,并详细给出谐振腔设计思路和优化方法。3.实现了平均输出功率2.3W的1.06μm石墨烯调Q激光运转,这是当前在石墨烯调Q激光器中获得的最高功率。调Q运转与连续波运转的平均输出功率之比高达92%,是当前被动调Q激光的最高值。实现了1.06μm石墨烯皮秒锁模激光运转,脉冲宽度16ps,平均输出功率360mW。4.首次研究了石墨烯在1.34μm的调Q和锁模性能。实现了平均输出功率1.29W石墨烯锁模Nd:GdVO4激光输出,这是我们已知的石墨烯锁模激光器实现的最高功率,同时光光转换效率达到23%,这也是迄今1.3μm锁模激光器的最高转换效率。5.实现了石墨烯锁模的全固态飞秒激光运转,平均输出功率为为504mW,大大高于同样用石墨烯锁模的光纤激光器,脉宽428fs,脉冲能量和峰值功率分别达到5.9nJ和13.8kW。