随着信息时代的到来,科技的发展使得人类特别关注光信息功能材料的新技术和新应用。双光子材料,在光限幅、光存储、光开关、光聚合、光成像、光计算等等方面有着巨大的应用前景,其中有机非线性光学材料比无机材料具有更快的光响应,较低的介电常数,较大的非线性光学响应以及易修饰性等特点,更是引起了科学家们的广泛关注。近年来,设计和开发具有优异的双光子性能以及应用价值的有机材料正成为物理、化学和材料等各领域的研究热点之一。本论文主要设计并合成了新型的基于吡咯并毗咯二酮、均三嗪和联二噻唑为核心的双光子分子和其聚合物的有机光电功能材料,研究了其结构与性能的关系,并将聚集诱导发光现象用于双光子材料,相关研究成果对于设计开发性能优异的双光子材料具有一定的指导意义。第一章主要介绍了双光子材料的概念和原理,双光子材料在不同领域中的应用,以及高性能双光子材料的结构特点。并在此基础上提出了本文的设计思路及研究内容。第二章以吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPP)作为核心,配以不同的电子给体及改变连接π桥的结构,设计合成了一系列新型的长波长的双光子化合物(DPP1-DPP5)。作者从不同的给电子基团和π桥的角度(DPP1：苯环,DPP2：萘环,DPP3：三苯胺,DPP4：甲氧基三苯胺,DPP5：含有噻吩基团的甲氧基三苯胺)研究了其线性和非线性光学性能。在80fs,800nm的激光照射条件下,通过拟合计算得到化合物(DPP1-DPP5)的双光子截面分别为45GM,51GM,534GM,754GM和1056GM。结果表明,更强的电子给体和以共轭杂环为π桥,都能够有效地增大双光子吸收截面。同时,这个系列的所有化合物都表现出了良好的光限幅的性能,使它们在光学领域作为光限幅器,有着潜在应用价值。第三章为了拓展DPP衍生物在双光子聚合材料领域的应用,通过氧气催化的炔键偶联反应合成了一种以三苯胺为核,2,5-二辛基吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPP)为连接单元的新型的双光子超支化的共轭聚炔聚合物(hb-DPP),其结构通过核磁及红外光谱表征。hb-DPP聚合物具有较高分子量(Mw：6.5x104Da)及良好的溶解性。通过飞秒Z扫描技术,在80fs,800nm的激光照射条件下,超支化的D-π-A的聚炔结构平均每个重复单元的双光子吸收截面为579GM,并表现出了良好的双光子荧光性质。第四章由于多枝化结构具有良好的双光子性能,为了进一步研究其结构与性能的关系,设计合成了一系列新型的以均三嗪为吸电子核心的多枝化双光子化合物。T1-T5五个化合物分别采用了D-A-D,更强电子给体的D-A-D,D-π-A-π-D, A-D-A-D-A和A-D-A(D代表给体,A代表受体)的分子结构。研究了它们对线性、非线性光学性质以及电化学性质的影响。在80fs,800nm的激光照射条件下,通过拟合计算得到化合物T1-T5的双光子截面分别为447GM,854GM,1023GM,607GM和766GM。结果表明,更强的电子给体,更长的共轭体系,在末端给体上引入全氟烷基链,改变电子传递的方向都能够有效地增大化合物的双光子吸收截面,而其中最有效的方法是通过引入杂环来增加共轭体系的长度。对于引入了全氟烷基链的化合物T4,表现出了相当好的荧光和双光子荧光的性能,是双光子荧光生物成像的良好潜在应用材料。同时,这个系列的所有化合物都表现出了良好的光限幅的性能。第五章为了进一步探索超支化双光子聚合物的一些构型体系与性能之间的关系,设计合成了一系列以均三嗪为核,二取代三苯胺为枝的3+2体系超支化聚合物,并以不同基团进行封端。其中,均三嗪核心作为吸电子基团(Acceptor),三苯胺作为给电子基团(Donor),碳碳双键作为连接π桥,形成一个超支化的(D-π-A-π-D)聚合物体系,并且以吸电子基团(醛基)和给电子基团(N-乙基,N’-2-羟基乙基苯胺和三苯胺)进行封端。通过研究这三个拥有相同主体结构的聚合物,以期找出不同的封端基团对聚合物双光子性能产生的影响。由荧光法测得的聚合物J1,J2和J3的双光子吸收截面分别为1007GM,2069GM和426GM,这三种聚合物显现出良好的双光子性能。实验结果表明：对此类超支化共轭聚合物体系,末端基团的推拉电子能力相对于连接的主体结构(三苯胺),无论是更强的给电子基团(J2的N-乙基,N’-2-羟基乙基苯胺),还是吸电子基团(J1的醛基),都能有效的增加其双光子吸收截面,而其中以强给电子基团作为封端基团,效果最佳。第六章为了扩展有机双光子化合物在水体系下的应用,同时进一步挖掘以均三嗪为吸电子核心的超支化材料的性能,创新性地将双光子性能与聚集诱导发光(AIE)效应相结合,设计合成了两种新型的同时具有AIE效应和大的双光子吸收截面的化合物,六个给电子基团的二苯胺或吩噻嗪的多枝化三苯胺衍生物作为给体,对二苯乙烯为π桥,并以吸电子基团的均三嗪为核。两种化合物在有机溶剂中几乎没有荧光,但在水相体系中由于聚集作用而发出很强的荧光。此性质十分适合应用在以水相作为介质的双光子荧光领域,还可作为有机蒸汽响应的探针。而其大双光子吸收截面(4500,8629GM)不但令其能够更有效地应用在各个双光子材料领域,同时对设计新的具有大双光子截面的分子,有着很好的指导意义。第七章为了进一步研究双光子聚合物的结构和性能之间的关系,设计合成了两个以联二噻唑和三苯胺为结构单元的新型线性(P1)和超支化(P2)的共轭聚炔聚合物,其结构通过核磁及红外光谱表征,它们都具有良好的热稳定性。由Z扫描法所测得的单位双光子吸收截面分别为1014GM和552GM。实验结果表明,线性共聚物具有更大的双光子吸收截面,其比超支化聚合物更有利于分子内电荷转移。另外,该类聚合物都具有良好的光限幅性质。