强光光源的出现使得非线性光学这一新兴学科开始了蓬勃发展。非线性光学在激光技术、光电子技术、光限幅、光调制及通讯技术等领域都发挥着重要作用。近年来,随着科学技术的不断进步,已知的非线性材料所展现出来的非线性折射特性和吸收特性等性能已渐渐无法满足实际应用中的要求。因此,研发新的非线性光学材料并使其性能变的可控成了科研工作者们研究的重要方向。对于半导体纳米材料来说,最为重要的就是其在光电特性和非线性响应方面所表现出的优越特性,这使得半导体纳米材料在光电器件和非线性器件制造等方面有重要的应用潜力。半导体纳米材料能够通过物理或者化学的方法与碳材料如碳纳米管、石墨烯等复合。而石墨烯是一种呈六边形晶格结构且只有一个碳原子厚度的二维结构物质,在能源、材料、物理和化学等众多领域备受关注。其超快的电子迁移、传导能力及优异的热、电、机械性能,因此使得石墨烯也成为了半导体纳米粒子附着的良好基底材料。半导体纳米粒子与石墨烯形成共价键组成复合材料,可以使半导体纳米材料不易团聚,而且可以使复合材料的性能大大的提高。本论文的主要工作内容有:第一,利用水热法制备MnS纳米粒子,通过对水热时间的控制,来改变MnS纳米粒子的尺寸和晶型。研究半导体材料通过晶型和尺寸变化而具有可调节的三阶光学非线性的原因具有重要意义。通过Z-扫描技术在532 nm波长下以30 ps的激光脉冲测试了其尺寸限制的三阶非线性光学性质。不同晶体形式的纳米粒子表现出不同的非线性光学响应。因为γMnS相比于αMnS能带较窄,有更高的荧光量子产率,具有更强的非线性响应。随着纳米粒子的尺寸减小,双光子吸收和非线性折射增强。纳米粒子的最大非线性极化率为3.09×10-12esu。较小直径的αMnS纳米粒子的极化率比最大直径的极化率提高了约九倍。但是,当尺寸进一步减小时,纳米粒子的极化率减小了。这种趋势可以通过光致偶极矩的影响来解释。而且,αMnS纳米粒子中的缺陷也对非线性响应有影响。研究结果显示MnS纳米粒子在光学限制和光学调制方面具有潜在的应用价值。第二,关于石墨烯-αMnS复合材料三阶非线性光学特性的研究。利用水热法制备石墨烯-αMnS复合材料。通过对水热时间的控制,来改变复合材料的尺寸,尺寸随着时间的延长而增加。αMnS附着在了石墨烯表面使得各方面性质与纯纳米粒子相比发生变化。利用皮秒激光器使用Z-扫描技术对材料的三阶非线性光学性质进行测试,发现复合材料的非线性响应明显增强并且不同合成时间的复合材料展现出了不同的非线性响应并呈现出一定的规律。这可能是因为αMnS纳米粒子在石墨烯表面的堆积状态的变化,从而导致非线性特性发生变化。结果显示石墨烯-αMnS复合材料在光子器件制造方面具有潜在应用。第三,对石墨烯-γMnS复合材料的三阶非线性光学特性进行研究。γMnS纳米粒子与石墨烯之间会形成共价键,二者会以这种形式进行复合。通过对复合材料中氧化石墨烯加入量的改变,来控制石墨烯-γMnS的表面粒子的分布和含氧基团的分布。使用多种表征手段对其结构和尺寸进行表征获得其结构信息。结果显示材料具有很好的纤锌矿结构,γMnS纳米粒子尺寸在100 nm左右,纳米粒子与石墨烯之间可能存在电子传输。通过皮秒激光器利用Z-扫描技术对复合材料的三阶非线性光学特性进行测试,从而研究复合材料非线性响应的变化机制。结果显示,以共价方式连接的石墨烯-γMnS复合材料的非线性光学性能明显增强。非线性响应的增强源于γMnS纳米粒子和石墨烯之间局部电场中的协同效应,其中包括局部场论和电荷转移,而石墨烯-γMnS复合材料杂化结构中的非辐射缺陷是导致复合材料的三阶极化率的增加限制在同一量级内的重要原因。随着石墨烯-γMnS复合材料中石墨烯加入量的增加,石墨烯-γMnS复合材料的三阶极化率先减小后增加。γMnS纳米粒子与氧化石墨烯在高温高压下进行复合后,氧化石墨烯表面的含氧集团逐渐被还原,sp3簇向sp2域逐渐转化。石墨烯表面γMnS纳米粒子的分散性可能使其表面状态和缺陷的密度发生变化,从而使材料的非线性响应先减小后增大。实验结果显示复合材料在光限幅器和全光器件的制造方面有潜在应用。最后,对本论文的主要研究内容进行总结和对今后的研究工作进行展望,指出了以后需要进一步解决的问题。