本文综述了多光子吸收材料，特别是有机多光子吸收材料研究概况，重点介绍了多光子吸收性质的研究方法、在系统分析了有机多光子吸收材料的研究与发展及其在三维数字光存储中的应用研究的基础上，开展了系列芴类衍生物多光子吸收材料的分子结构设计、合成，系统研究了这类新材料的线性光学性质、非线性多光子吸收性质及三维存储性能，探索材料的分子结构对上述性质的影响及其规律。现将主要研究结果阐述如下：　　 设计、合成了11种文献未见报道的新型芴类衍生物：1，1'-(9，9-二(2-乙基已基)-2，7-芴基-2，1-二乙烯基)双(4-甲氧基)苯(BMOSF)，1，1'-(9，9-二(2-乙基已基)-2，7.芴基-2，1-二乙烯基)双(4-氨基)苯(BASF)，N，N-(9，9-二(2-乙基已基)-2，7-芴基-2，1-二乙烯基)双咔唑(BVCZF)，2，7-二[4-(二甲胺)苯基]-9，9-二(2-乙基已基)芴(B(DMAP)F)，9，9-二(2-乙基已基)-2，7-二(N，N-二苯胺)芴(BPAF)，9，9-二(2-乙基已基)-2，7-二(N，N-咔唑)芴(BCZF)，2，7-二[4-(二乙胺)噻吩]-9，9-二(2-乙基已基)芴(BEATF)，化合物2，7-二(4-(二苯胺)噻吩)-9，9-二(2-乙基已基)芴(BPATF)，2，7-二(4-(二苯胺)噻吩)-9，9-二(2-乙基已基)芴，2，7-二[4-(N-乙烯咔唑)噻吩]-9，9-二(2-乙基已基)芴(BVCZTF)、2-溴-5-(7-(5-(4-甲氧基苯乙烯)噻吩-2-基)-9，9-二(2-乙基已基)芴)噻吩(MOTFTBr)和2-溴-5-(7-(5-(4-氨基苯乙烯)噻吩-2-基)-9，9-二(2-乙基已基)芴)噻吩(ATFTBr)。经元素分析、红外光谱和质谱等分析证明所制备的新化合物的组成、结构与目标化合物一致。　　 对上述对称结构的芴类新化合物的线性光学性质进行了系统研究，发现以下规律：上述新化合物的最大吸收峰位于350-450nm范围，在>450nm的可见区域和近红外区域均无线性吸收，因此在此区域可以实现双光子和三光子激发；共轭体系的长度对化合物的吸收光谱有明显的影响，随着共轭长度的增加，化合物吸收光谱红移；分子结构的平面性降低将导致化合物吸收光谱蓝移；随着取代基团的给电子能力的增强，化合物的最大吸收峰红移，影响程度：NH2>OCH3；二苯胺>咔唑基：溶剂极性对化合物吸收光谱的K带有重要的影响，随着溶剂极性的增强，化合物K带的发生蓝移，且K带吸收强度增强；化合物薄膜的吸收光谱与其溶剂中的吸收光谱相近。　　 对新化合物的单光子荧光发射光谱研究表明：芴类化合物在受到单光子激发时会发生明显的荧光发射现象，其荧光光谱在350nm～550nm区域内；化合物在乙腈(ACN)、二氯甲烷(CH2Cl2)、四氢呋喃(THF)和正己烷(Hexane)四种不同极性溶剂中的荧光发射都表现出双荧光行为，双荧光的两个荧光带即Fb带(高能带)和Fa带(低能带)，峰值分别位于410-419nm和432-440nm，Fb带来自于S1-S0的跃迁，而Fa带由于分子内部电荷转移致使势能表面弯曲导致能量部分损失，而形成长波发射；化合物在DMF中的斯托克斯位移在40-135nm，溶剂对化合物的斯托克斯位移无明显影响。电子给体取代基团为甲氧基和咔唑基时可大幅度的提高化合物的荧光量子效率，提高幅度可达50％以上。　　 用波长为790nm，脉冲宽度为13fs，重复频率为74.4MHz的飞秒激光对化合物进行了双光子吸收性质的研究，结果表明：飞秒激光激发BMOSF的THF溶液，可以明显观察到蓝紫色荧光，这种荧光上转换过程由双光子激发所致。用双光子诱导荧光法测得了其双光子吸收截面为55GM。与相应的单光子荧光光谱相比，双光子荧光峰略有红移，但双光子荧光光谱中长波方向的荧光峰消失，说明这种双光子激发没有经历电荷转移态形成激发复合分子的过程。通过Z扫描的方法测得化合物BMOSF在THF溶剂中的双光子吸收截面为25GM，与不对称型芴类衍生物的双光子吸收截面(Z扫描法测定)相近，表明对称电荷转移型的芴类化合物同样可以获得高的双光子吸收性能。　　 用波长为1064nm的激光，脉冲宽度为38ps，重复频率为10Hz的皮秒激光首次对上述对称结构的芴类新化合物的三光子吸收性质进行了系统的研究，发现脉冲激光激发化合物BASF和BMOSF的DMF溶液，可以观察到较强的三光子激发上转换蓝绿色荧光，与单光子荧光光谱相比，三光子荧光光谱略有红移；Z扫描实验表明，三光子吸收现象完全来自于样品分子。较长的共轭链和强的给电子基团有利于非线性吸收的提高。所合成的化合物在THF和DMF中都有大的三光子吸收截面，吸收截面高达10-76 cm6 s2数量级，特别是双咔唑取代的芴类衍生物的三光子吸收截面高达400×10-78cm6 s2(DMF溶剂)，是迄今为止报道的具有最高三光子吸收截面的芴类衍生物，且稳定性高(BCZF的熔点为150℃，比目前公认的二苯胺取代的化合物BPAF的熔点高近67℃)；新化合物具有明显的基于三光子吸收的光限幅效应，溶剂极性的增加可以较大幅度地提高芴类化合物的三光子吸收截面。　　 结合量子化学手段较为系统地研究了分子结构对三光子特性的影响，结果表明：共轭长度的增加可导致从基态到激发态的激发能量降低和相应的跃迁偶极距的增大，这是使分子提高三光子吸收截面的有效途径；三光子吸收截面与激发态时共轭体系的电荷转移程度密切相关，激发态的这种较大的电荷密度重新再分配，有助于增大化合物的三光子吸收截面；当芴环共轭体系中引入噻吩杂环时可有效增大化合物的三光子吸收截面。　　 首次将辅助电子给体-受体的概念引入到多光子吸收材料的分子设计中。理论研究表明，将电子给体二苯胺与辅助电子给体(如吡咯、噻吩、呋喃)相连，将电子受体苯并噻唑与辅助电子受体(如对称四嗪)相连所形成的分子将具有更大的双光子吸收截面，辅助电子给体的这种影响：吡咯>>噻吩>呋喃。以噻吩环作为辅助电子给体，设计、合成了一种对称结构的芴类化合物BPATF，实验结果表明，噻吩环引入之后使化合物的三光子吸收截面提高得了42％，初步证实辅助电子给(受)体效应在多光子吸收材料的分子设计中具有指导意义。　　 对芴类化合物的荧光漂白性能进行了研究，结果表明：化合物薄膜在曝光后荧光强度大幅度降低，出现明显的光致荧光漂白现象，漂白程度均达到95％以上，但吸收峰与荧光峰的位置基本未变，吸收峰强度略有降低。正是由于这种荧光漂白现象可使上述芴类衍生物实现双光子三维光存储。　　 首次利用双光子荧光漂白机理在对称型芴类衍生物薄膜中成功地实现了六层三维存储，激光工作波长为800nm，脉宽为80fs，写入功率为36.5mW，读出功率为9.2mW；点间距为8微米，层间距为10微米，记录点的尺寸约为1.5微米；记录点清晰可辨，且具有较高的读出稳定性；薄膜质量对三维存储性能有明显的影响，因为薄膜中析出的颗粒对激光有散射作用而影响读出信号的对比度；随着记录深度的增加，荧光信号的对比度有所下降，与用Matlab软件编程计算的荧光强度分布的变化一致。　　 上述研究结果对芴类多光子吸收有机材料的进一步研究及其它们在双光子三维光存储中的应用具有重要意义。