作为重要的信息载体,三阶非线性光学(NLO)材料在全光开关、全光计算和全光通讯等领域的理论和实验研究引起越来越广泛的关注。与传统的无机材料相比,有机及金属有机三阶非线性光学材料具有非线性光学系数高、响应时间快、介电常数低和良好的可加工性等无可比拟的优点。论文在文献检索阅译基础上,综合分析了金属有机功能色素材料的结构特征与分子设计原理。以二茂铁为金属有机功能团,经桥基键合有机发色体组装成金属有机色素类三阶非线性光学材料。分子设计并合成了二茂铁乙烯型、二茂铁希夫碱型、二茂铁甲酰胺型及甲酰基二茂铁型四大系列共54个金属有机色素类三阶非线性光学材料,其中25个为新结构材料。合成的材料经1H NMR、MS、UV进行了结构表征;分析了化合物材料的合成原理和关键反应机理过程,考察了关键合成反应的工艺条件。以二茂铁甲醇、三苯基膦氢溴酸盐、醛为原料,在NaOH催化下,一步合成了 14个含D-rr-A结构的二茂铁乙烯型材料,其中5个为新结构材料,收率为20.1-85.5%。以二茂铁、原甲酸三乙酯为原料,经甲酰化反应得到二茂铁甲醛,再与芳胺缩合得到16个含D--rr-A结构的二茂铁希夫碱型材料,其中8个为新结构材料,收率为12.3-82.3%。以二茂铁为原料,经羧基化,酰氯化制得重要中间体二茂铁甲酰氯,收率分别为30.3%和92.2%,最后和取代芳胺反应得到16个含D-rr-A结构的二茂铁甲酰胺型材料,其中10个为新结构材料,收率为20.4-77.5%。以芳酸为原料草酰氯为酰化试剂,经酰氯化后制得中间体芳酰氯,再以无水三氯化铝为催化剂,与二茂铁进行付克酰基化反应制得8个含D-rr-A结构的二茂铁甲酰胺型材料,其中2个为新结构材料,收率为10.8-67.7%。采用简并四波混频技术,光源为Ti:Sapphire飞秒激光器,波长为800nm,脉宽为80fs,重复频率为1KHz,对二茂铁乙烯、二茂铁希夫碱、二茂铁甲酰胺及甲酰基二茂铁四大系列41个材料进行了非共振三阶非线性光学性能检测。所测样品的三阶非线性极化率X(3)在2.567-8.069X 10-13 esu之间,分子二阶超极化率Y在0.853-2.681 ×10-31esu之间,响应时间τ在33.96-97.57 fs之间,非线性折射率在4.735-14.852 × 10-12之间。探讨了分子结构与三阶非线性光学性能之间的关系。以二茂铁为母体结构,通过乙烯基、希夫碱基、甲酰胺基及甲酰基等π共轭桥基接上苯环、蒽醌、苯并噻唑等共轭结构,以增大材料分子的π共轭体系,可显著提高材料的三阶非线性光学性能,其的Y值最高可达二茂铁母体结构的3.57倍。在材料分子的一端引入吸电子基团与二茂铁基形成D-π-A构型,增强分子内的电子流动性,增大电子的离域度,加强分子内电荷转移程度,减小了 HOMO轨道和LUMO轨道间的能级差,有利于产生较高的三阶非线性光学性能。共轭桥基对材料的三阶非线性光学性能影响较大,根据共轭桥基对三阶非线性光学性能影响的从大到小排序为:甲酰基,甲酰胺基,希夫碱基,乙烯基。同时,在具有较强的D-π-A构型分子内,共轭桥基更能增强分子的三阶非线性光学性能。在二茂铁金属有机三阶非线性光学材料中引入N、S、O等杂原子可以增强分子内电子流动性,降低材料分子的d-π*跃迁能。有利于提高材料的三阶非线性光学性能。具有分子不对称结构的二茂铁系材料,其电荷在整个分子上的分布不均匀,二茂铁一端电子云密度较高,在外界光强的激发下较分子对称型材料容易引起三阶非线性光学响应。因此,不对称的分子结构有利于提高材料的分子二阶超极化率γ值。二茂铁型金属有机三阶非线性光学材料具有非常小的响应时间,大部分材料在30～60 fs之间,最快的可达33.96 fs,是一种在光子开关,光学计算领域极具潜力的三阶非线性光学材料。