自1960年第一台红宝石激光器问世以来,诞生了许多新的学科,非线性光学就是其中非常重要的一门学科。非线性光学及非线性光学材料在激光技术、光电子技术、光化学、光限幅、光开关、光计算及通讯技术等领域都有着非常重大的影响。近年来,随着光电技术的不断发展,非线性光学材料的性能指标已渐渐无法满足人们在实际应用中的要求,因此,探究新的非线性光学材料并提高非线性光学材料的性能成了科研工作者们研究的重要方向。半导体纳米材料常为人们所津津乐道的就是其特殊的能带结构以及在光、电性能方面所表现出的突出的优越性,这使得半导体纳米材料在特殊材料功能化及器件等相关领域所蕴含的应用价值不可估量。由于材料的尺寸一般情况下为几个纳米,往往小于材料本身的激子波尔半径,所以量子限域效应很显著,从而导致了半导体纳米复合材料易团聚,稳定性差等特点。石墨烯是一种只含有晶格结构呈六边形的碳原子且只有一个碳原子厚度的二维结构,在能源材料、生物医学、物理、化学等众多领域备受关注,这完全依赖于其稳定有序的平面结构、超快的电子迁移、传导能力及优异的热、电、机械性能、高比表面积等性能,因此石墨烯也成为了半导体纳米材料良好的载体。半导体纳米量子点与石墨烯以共价连接后,不但可以有效解决半导体纳米材料易团聚的问题,而且在协同效应的作用下可以使复合材料的性能大大的提高。石墨烯在酸性条件下容易被氧化剂氧化,而氧化过程也可以看作是石墨烯被含氧基团修饰的过程。氧化石墨烯上的含氧基团的种类和数量较多,正因如此,才使得石墨烯在氧化前与氧化后的结构上存在很大的差异,这导致二者的性质迥然相异。因此,探究结构变化对氧化石墨烯以及石墨烯性质的影响具有重大的意义。本论文的主要工作内容有:第一,氧化石墨烯非线性光学性质研究。利用化学手段制备含氧量较高的氧化石墨烯,然后使用还原剂对氧化石墨烯进行还原,通过控制加入还原剂的量制备出了含氧基团含量不同的不同还原程度氧化石墨烯。用紫外-可见光谱、拉曼光谱、傅里叶红外光谱、X射线衍射等对样品材料进行一系列的表征。运用皮秒Z-扫描技术(激光波长532 nm、脉冲宽度30 ps、频率10 Hz)对样品的非线性光学性质进行测试和分析,取得了创新性结果。结果显示,氧化石墨烯具有很好的双光子吸收特性,但随着还原程度的增加,双光子吸收逐渐减弱而饱和吸收逐渐增强。通过对这一现象进行详细分析,认为这主要归因于在还原剂作用下,氧化石墨烯中的sp3簇向sp2结构域逐渐转化,导致其内部电子结构发生改变,那么电子跃迁方式也随之变化,从而导致非线性吸收特性逐渐转变。另外还发现,在较大光强作用下,氧化石墨烯及不同还原程度氧化石墨烯均有反饱和吸收的现象出现,这与激发态上的激发态吸收有关。第二,硫化镉量子点与石墨烯复合材料的三阶非线性研究。将硫化镉纳米量子点与石墨烯以共价连接的方式进行复合,并使用X射线衍射、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见吸收光谱以及透射电子显微镜等对其结构和尺寸进行表征,结果显示材料具有很好的闪锌矿结构,量子点尺寸在7.0 nm左右,量子点与石墨烯之间存在良好的电子传输。最后,在皮秒激光器下对其三阶非线性光学特性进行了测试和分析。结果显示,以共价方式连接的G/CdS复合材料的光学非线性明显增强且结构缺陷明显增加。光学非线性的增强源于CdS纳米晶和石墨烯之间局部电场中的电荷转移所产生的协同效应,而G/CdS杂化结构中的非辐射缺陷的增加是材料非线性光学的增加通常保持在同一量级内的主要原因。另外,发现G/CdS的协同极化率在4.3 GW/cm2至8.1 GW/cm2的强度范围内的增加速度较快,超出这个范围以后增加则变得缓慢。第三,本论文的主要工作总结和今后工作的展望。指出了今后有待进一步解决的问题和基本思路。