双光子吸收(TPA)是一个三阶非线性光学过程,分子同时吸收两个光子从基态经过一个中间态跃迁到激发态。与传统的单光子吸收(OPA)相比,双光子吸收的吸收强度与入射光的平方成正比,具有较深的穿透性和空间分辨率高等优点。双光子吸收分子的这些优点促进了其在物理、化学、生物、医学、材料等领域的广泛应用,例如:双光子荧光显微镜、三维光学数据存储、无损生物组织成像、光动力治疗、染料敏化太阳能电池等。对于双光子分子的这些应用来说,双光子分子一般都具有较大的双光子吸收截面,因此设计具有较大双光子吸收截面的双光子吸收分子具有十分重要的意义,而清楚地理解分子结构对双光子吸收过程中电荷转移的影响是获得较大双光子吸收截面的基础。本文基于密度泛函理论(DFT),理论研究了A-π-D-π-A结构分子和两个手性分子体系的单光子和双光子的吸收特点,通过改变电子供体的强度和分子中发色团的不同取向来研究它们对单光子和双光子吸收性质的影响。为了深入地研究双光子吸收过程中分子内电荷转移特点,基于三态模型,通过计算双光子跃迁过程中的跃迁偶极矩的积分值来确定隐藏在双光子吸收过程中的中间态,进而详细地分析了双光子跃迁过程中的电荷转移情况。文中主要介绍了以下两项工作:一、具有不同供体的A-π-D-π-A染料分子的单光子和双光子吸收特性基于密度泛函理论和含时密度泛函理论(TD-DFT)研究了具有不同供体的A-π-D-π-A染料分子的单光子和双光子吸收特性,分别以咔唑和三苯胺作为电子供体,二苯砜因具有很强的电子亲和性,被用作电子的受体。对这两种A-π-D-π-A染料分子的研究结果初步表明:1)增强中心供体的给电子能力能够使单光子吸和双光子吸收光谱的吸收峰发生明显的红移;2)随着中心供体给电子能力的增强,激发态分子内电荷转移的程度明显增强;3)随着分子内电荷转移的增加,分子的双光子吸收截面也随之变大,因此增加分子内推拉电子的能力从而增加分子内的电荷转移是提高双光子分子吸收截面的有效方法。二、两个新的溴化氮杂菲酮:溴杂菲酮A和溴杂菲酮B的TPA和ECD的详细机制在SMD溶剂模型下,计算了两个互为手性分子的新型溴化氮杂菲酮分子(溴杂菲酮A和溴杂菲酮B)在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中单光子和双光子吸收特点,详细地分析了分子手性对单光子吸收和双光子吸收的影响。通过对溴杂菲酮A和溴杂菲酮B双光子跃迁过程中电荷跃迁过程的分析我们可以发现,对于同一个双光子吸收态,分子手性的转变能够改变电荷跃迁的方式。先前的报道给出了实验上测得的溴杂菲酮A和溴杂菲酮B的电子圆二色(electronic circular dichroism,ECD)谱在431nm处ECD谱的取向是相反的。我们理论计算模拟得到的溴杂菲酮A和B的ECD谱和实验上是十分吻合的,通过可视化方法研究了相应激发态的电磁相互作用。最后,我们提出了在431nm处产生相反ECD谱取向的潜在机制。