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非线性光学(NLO)是一个有前景的研究领域，因为它在光子学和光电子学领域中具有重要的应用。高性能电学第二阶非线性光学信息处理是基于具有高非线性光学性质的材料。具有大的NLO响应的有机材料在激光技术和光信息处理的应用中是非常重要的。因而，人们对许多具有大的NLO响应的有机共轭材料进行了理论和实验研究。
本论文利用基于从头算的量子化学理论和计算方法，详细研究了两类非线性光学材料的分子：一维和二维电荷转移分子。下面描述了本文的主要研究结果。
对于一维电荷转移体系，我们研究了氮蒽衍生物分子，这是一类D-π-A型分子。利用HF/6-31G(d)//CPHF/6-31G(d)方法获得了氮蒽衍生物分子的优化结构和分子第一超极化率。结果表明，在氮蒽的4位取代推电子基，11位取代吸电子基而得到的衍生物有相对较大的第一超极化率。苯环上取代基的种类、HOMO-LUMO的能隙及N1原子上的孤对电子对分子第一超极化率都有较大的影响。
二维型电荷转移分子的研究包括两类分子：双氰亚甲基吡喃衍生物分子和克酮酸衍生物分子。双氰亚甲基吡喃衍生物分子是一类∧型分子。利用HF/6-31G(d)//CPHF/6-31G(d)方法研究了双氰亚甲基吡喃衍生物的结构和分子的第一超极化率。根据计算结果讨论了取代基、分子内电荷转移、前线轨道能隙等对设计分子的第一超极化率的影响。克酮酸衍生物分子是一类双自由基分子。克酮酸染料是一类新型的近红外吸收染料，由于具有良好的光热稳定性和荧光性能，因而在光记录与存储等领域有着潜在的应用价值。利用HF/6-31G(d)//CPHF/6-31G(d)方法获得了克酮酸衍生物分子的优化结构及分子的二阶和三阶非线性光学系数。结果表明：这是一类双自由基分子。分子的几何构型，双自由基性质，前线轨道能隙等都对非线性光学系数存在较大的影响。
本论文设计的一些有机分子可能是热稳定性高、透光性好和非线性光学响应强的潜在的非线性光学材料。