独特的量子限制效应和层间微扰的缺失使二维半导体在基础理论、光/电子学等领域有重要研究价值。近年来，利用少（多）层过渡金属硫系化合物及其复合材料作为可饱和吸收体应用于固体或光纤激光器中以产生调Q或锁模激光脉冲的研究发展迅速，但由于所采用样品的层数和结构的不均一，其物理机理以及精准层数/结构的二维半导体的非线性吸收机制仍不清晰。另一方面，单层二维半导体具有和其体材料以及少/多层显著不同的物理特性，然而关于其非线性非参量过程的研究的匮乏大大限制了其在光子学领域的应用潜力。因此，对二维半导体开展系统的非线性吸收性质的研究是拓展其在光子学领域应用的重要基础研究方向。基于此，本论文对精确层数和结构的二维半导体在近红外波段的非线性吸收特性展开了理论和实验研究，主要研究内容包括:　　第一章绪论首先综述了二维材料的研究进展，详细介绍了以过渡金属硫系化合物为代表的二维半导体的物理特性和应用研究，然后从其非线性参量和非参量过程两个方面阐述了二维半导体光子学特性和应用的研究现状以及存在的问题，指出关于其非线性吸收物理机制的研究是二维半导体应用于光子学领域的重要方向。　　第二章主要论述了理论基础、实验手段和研究方法。从能带结构和激子效应出发，结合非线性传输方程，给出了二维半导体中双光子吸收、饱和吸收的物理模型，揭示其中的物理本质;从传统的非线性测量手段——强度扫描出发，结合二维半导体形貌结构的特点，构建了适用于微区样品非线性吸收特性研究的显微非线性强度扫描系统，并利用LabVIEW和MATLAB分别开发了图形用户界面控制程序和相应的理论拟合程序;介绍了利用化学气相沉积原理制备过渡金属硫系化合物的方法及其表征手段。　　第三章主要研究了化学气相沉积制备二硫化钼的生长机理、光物理特性和光学对比度。从二硫化钼晶畴的光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜图片分析了二维半导体的生长机理、晶格结构和表面形貌特征等;从拉曼光谱、光致发光光谱研究了二硫化钼的层数依赖关系、晶格振动特性、激子跃迁特性;首次提出利用特征矩阵计算二维材料光学对比度的方法，理论模拟了二硫化钼/石墨烯异质结的光学对比度，计算了不同层数的二硫化钼在石英基底上的光学对比度，通过和实验值对比证实了该方法的有效性和可靠性，比传统的菲涅尔理论更加精确和简便。　　第四章主要研究了单层和多层二硫化钼在1030 nm、340 fs激光脉冲作用下的非线性吸收特性。利用显微非线性强度扫描系统研究了二硫化钼单晶和金字塔结构的非线性传输特性，揭示了单层二硫化钼的巨双光子吸收及其饱和效应，推导出其双光子吸收系数高达103量级，饱和光强为～64.5 GW/cm2，指出了其暗态激子共振吸收的物理本质，实验上观察到的双光子荧光是其双光子吸收效应的重要依据;揭示了多层二硫化钼是一种慢饱和吸收体，其基态吸收截面为8.7×10-17cm2，激发态吸收截面和基态吸收截面之比为0.18，指出边缘态和缺陷态是引起其单光子吸收饱和的主要原因，研究结果是多层二硫化钼在近红外波段可以作为饱和吸收体的直接证据。　　第五章系统研究了二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼和二硒化钨四种不同厚度的二维半导体在1030 nm波段的双光子吸收饱和效应。从实验上观察到了二维半导体不同于传统非线性吸收材料包括半导体和有机分子等的独特的双光子吸收饱和效应，利用四种双光子吸收模型系统研究了其物理机制，揭示了四种二维半导体在双光子吸收过程中属于均匀加宽体系;发现双光子吸收系数和饱和光强具有明显的层数依赖特性;通过三能级的激子动力学研究，揭示了暗态激子吸收及其快速弛豫、基态电子消耗和第一激发态的长寿命是导致双光子吸收饱和的主要因素。研究了二维半导体对飞秒高斯脉冲时间特性和空间特性的调制，指出其应用于光学脉冲调制领域的潜在价值。