中红外3μm属于“人眼安全”激光波段,且处于“分子指纹”光谱范围,在痕量气体检测、气象分析预测、军事光电对抗、红外遥感探测等技术领域具有广阔的应用前景。与连续激光相比,具有高脉冲能量和峰值功率的3 μm调制脉冲激光更受科研及应用领域的青睐。其中,由于与水分子存在强相互作用,3 μm超快脉冲激光可以用于人体组织微创手术的实施,是眼科、神经外科、泌尿科、牙科及软组织切割缝合等生物医疗领域的理想激光光源。同时,高强度3 μm脉冲激光可以用于3-19 μm中长波激光、中红外光学参量振荡、超连续光谱及太赫兹波的泵浦产生。本文首先基于密度泛函理论对过渡金属硫化物、黑磷、石墨相氮化碳等新型二维纳米材料的电子能带结构进行了模拟计算,分析材料在3 μm波段存在光学响应的可能性;进而制备了基于新型二维纳米材料的可饱和调制元件,并对其微观结构、形貌及其在3 μm波段的线性与非线性吸收特性进行了系统的表征测试,论证其用于3 μm激光调制的可行性;最后将新型二维可饱和调制元件分别应用于Er3+与Ho3+掺杂的全固态3 μm激光系统,实现调Q运转,分析激光输出特性,验证新型二维可饱和调制元件在中红外3 μm激光系统中的实用性。论文主要研究内容如下:1.基于第一性原理密度泛函理论,使用不同交换关联泛函及相关修正方法,先后模拟分析2H相典型结构过渡金属硫化物(MoS2、WS2)、1T相扭曲结构过渡金属硫化物(ReS2)、掺杂及含硫族元素晶格缺陷过渡金属硫化物合金(MoWS2)的电子能带结构,探讨分析过渡金属硫化物在3 μm波段存在光学响应的理论可能。2.使用不同交换关联泛函模拟分析黑磷的电子能带结构,评估单层及块体黑磷的禁带宽度,验证黑磷的光学宽谱吸收特性。3.构建分析石墨相碳化氮的两种可能结构单元,选择合理模型进行电子能带结构分析,并模拟分析氮原子空位缺陷对石墨相氮化碳电子能带结构及光学响应范围的影响。4.分别使用化学气相输运法和热聚合法生长获得块体MoWS2与石墨相碳化氮粗粉末样品;使用液相剥离法对块体M0S2、ReS2、MoWS2、黑磷、石墨相碳化氮样品进行分离剥层;使用滴涂、旋涂、垂直蒸发等方法制备在3μm波段具备应用潜力的可饱和调制元件。5.利用X射线衍射、能量色谱、电感耦合等离子光谱、拉曼光谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等表征检测技术对新型二维纳米材料样品的微观结构、化学成分及形貌尺寸进行实验表征;使用紫外-可见-近红外分光光度计及自搭建的3 μm脉冲激光源对新型二维可饱和调制元件样品在3 μm波段的线性及非线性吸收特性进行测试分析,探究样品在3 μm波段所具有的可饱和吸收特性。6.实验搭建半导体激光二极管泵浦的Er:Lu2O3、Er:SrF2及Ho,Pr:LuLiF4 3μm激光系统,测试分析其连续运转输出特性,寻求实现高功率高效率Er3+全固态3 μμm连续激光器的研究突破,探究验证Ho3+、Pr3+共掺晶体在3μm激光应用领域的发展潜力。7.首次将基于MoS2、MoWS2、ReS2及石墨相氮化碳等新型二维材料的可饱和调制元件用于3 μm波段的激光调制,首次实验探究对比原子层数对黑磷在3 μm波段可饱和调制特性的影响。使用新型二维可饱和调制元件追求脉宽更窄、能量更高的3 μm调Q激光输出。本文通过完备的理论与实验研究,探究过渡金属硫化物、黑磷、石墨相碳化氮等新型二维纳米材料在3 μm波段的可饱和吸收特性,期望获得制备方式简单、价格成本低廉、调制参数可控的新型3 μm光调制元件,为中红外3 μm脉冲及超快激光的研究发展提供支持。