惯性约束聚变(ICF)实验研究中需要对散射光的空间分布进行测量。散射光空间分布可以用基于光克尔效应的偏振成像技术进行时间分辨测量,其测量光路中需要使用性能优良的三阶非线性光学材料。相比于无机非线性光学材料,有机聚合物非线性光学材料具有非线性系数大,响应速度快,加工成型性能好以及可以在分子层面对材料进行设计从而使其达到最佳的性能等优势。由于非线性功能分子一般具有刚性骨架且极性较大,堆叠效果导致聚合物不溶。因此,主、客体掺杂技术是一种制备聚合物非线性光学材料较为有效的方法。主客体掺杂聚合物非线性光学材料具有制备简单、加工成型性能好等优势,但是材料的非线性光学性能有待提高。本论文基于对分子结构和非线性光学性能关系的研究,设计并合成了偶氮苯-咔唑类分子,通过主、客体掺杂的方法制备了HMNAC/PMMA聚合物非线性光学材料。本论文主要研究内容如下:基于完全态求和方法(Sum-over-states method)研究了基组对(超)极化率计算精度以及计算时间的影响。结果表明2-zeta基组适合计算大体系分子的二阶超极化率Y,高角动量的极化函数增加计算时间的同时对二阶超极化率γ计算精度影响有限,合适的弥散函数有利于提高二阶超极化率γ的计算精度。具体地,aug-cc-PVDZ适合计算大体系分子的二阶超极化率γ。在CAM-B3LYP/aug-cc-PVDZ水平研究了分子的结构和非线性光学性质之间的关系,研究结果表明增大分子内离域π电子的共轭范围,分子包含推拉电子基团有利于增强分子的二阶超极化率γ。基于分子结构-性质的研究结果设计了偶氮苯-咔唑类分子。电子-空穴密度分布研究表明偶氮苯-咔唑化合物非线性光学性质来源于电荷转移激发及局部激发,其中电荷转移激发起主导作用。基于设计的偶氮苯-咔唑类分子,选择合适的合成路径成功合成了目标分子。采用Z-扫描技术对合成的偶氮苯-咔唑类分子的三阶非线性光学性质进行了研究。HMNAC分子表现出优良的三阶非线性光学性质,分子在纳秒时间尺度(4ns,532nm)表现出自散焦、饱和吸收和反饱和吸收特性,二阶超极化率γ=2.59 ×10-29esu,非线性品质因子FOMs=1.5;在飞秒时间尺度(190fs,532nm)分子表现出自聚焦、饱和吸收和反饱和吸收特性,二阶超极化率Y=9.31 × 10-32esu,非线性品质因子FOMs=0.4。HMNAC分子不具备加工成型性能,并且难以与半导体集成做成器件,这限制了该材料在非线性光学领域的应用范围。为此,本论文采用主客体掺杂技术制备了 HMNAC/PMMA聚合物非线性光学材料。通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、热重分析(TG)以及差示扫描量热法(DSC)分别对样品的透过率、热稳定性以及吸(放)热进行了研究。采用纳秒时间尺度(4ns,532nm)Z-扫描技术对样品的三阶非线性光学性质进行了研究。开孔Z-扫描研究表明随着样品中HMNAC分子浓度的增加以及光强的增强,样品表现出由饱和吸收到反饱和吸收的转变,基于五能级模型对这种现象进行了解释。闭孔Z-扫描测试中样品表现出自散焦的特性,这归因于HMNAC分子激发态能级折射体积ηE小于基态能级的折射体积η0。Z-扫描研究表明HMNAC/PMMA主客体掺杂聚合物非线性光学材料具有优良的三阶非线性光学性质。样品三阶非线性光学极化率χ(3)与样品中HMNAC分子浓度呈正相关,样品中HMNAC含量0.15wt%时,材料的三阶非线性光学极化率X(3)达到1.48× 10-10esu。该主客体掺杂聚合物三阶非线性光学材料有望在ICF光学诊断,低能耗、高对比度全光开关和光通信等领域得到应用。