非线性光学（NLO）材料可以广泛地应用在光信息处理、光计算和光通讯等众多领域,从而成为信息时代的关键性材料之一,因此,NLO材料的研究备受关注。人们在设计和合成高性能的NLO材料方面做了大量努力和尝试,并取得了重要研究进展。尽管如此,设计与研发性能更优越的NLO材料仍是此领域的核心问题,尤其是二阶NLO材料。手性化合物的内在非中心对称结构能够满足二阶NLO材料的基本需求。初步研究表明,手性有机化合物在二阶NLO材料中表现出特有的优势和广阔的发展前景。然而,深刻理解手性有机化合物的NLO起源和揭示提高此类材料NLO响应的关键因素是目前迫切需要解决的关键问题。量子化学计算不仅可以解释实验现象,而且可以设计和预测新材料。因此,采用量子化学理论计算研究手性有机化合物的微观电子结构,建立材料结构与NLO响应之间的关系,对实验工作者进一步设计具有优异性能的新材料具有重要指导意义。本论文采用密度泛函理论（DFT）方法研究了两大类手性（轴手性和螺旋手性）有机化合物的结构、线性和非线性光学性质,发现了提高此类材料NLO响应的有效结构修饰方式。主要研究内容如下:1.采用DFT方法研究了四种轴手性共轭聚酰胺大环化合物的紫外-可见吸收（UV-vis）、电子圆二色（CD）光谱、电荷传输和二阶NLO等性质。理论计算的UV-vis/CD光谱与实验测量谱很好的吻合,在此基础上,可靠地指认此类化合物的电子跃迁性质和绝对构型（AC）。分析比较了环状分子和非环状分子的电子结构、光物理性质以及电子传输性质,解释了实验中环状和非环状分子光学性质的差异性。通过结构修饰,手性共轭聚酰胺的二阶NLO响应明显增强,表明该类化合物是潜在的二阶NLO材料。研究结果为设计新型NLO活性的手性大环化合物提供新视角。此外,鉴于设计的化合物具有小的能隙、大的振子强度和较小的电子重组能,预期在有机光伏中表现出优异的性能。2.利用DFT方法探索了螺旋桨状结构的轴手性七芳基-氟硼二吡咯（BODIPY）化合物的光物理性质起源。为了深入研究取代基对此类材料光电性能的影响,在七芳基-BODIPY的基础上设计了其他五种化合物。通过DFT计算的七芳基-BODIPY的电子吸收和发射波长与实验结果具有良好的一致性,能够可靠地指认其电子跃迁特性。所研究的物质具有大的NLO响应,二阶NLO系数可以达到118.71×10^-30 esu。对于这类化合物,它们的NLO响应值不仅与取代基的位置有关,还与取代基的电子性质有关。此外,所研究化合物的电子重组能与典型的电子传输材料三（8-羟基喹啉）铝（Alq）的值相当。基于大斯托克斯位移和高发射效率,所研究的化合物也可能成为性能优异的荧光探针材料。3.理论计算了一系列螺旋手性四苯乙烯（TPE）衍生物的基态和激发态结构、UV-vis/CD和发射光谱、旋光性（OR）及二阶NLO性质。理论模拟的UV-vis/CD光谱和计算的OR值与实验结果符合的很好,能够可靠地指认电子跃迁性质及AC。鉴于大的二阶NLO系数和内在的不对称结构,手性TPE衍生物是二阶NLO材料的优良候选者。同时也探讨了取代位置和取代基类型对NLO活性的影响,通过引入给体和受体实现分子内电荷转移协同性。手性起源和电子跃迁性质主要来源于TPE分子内的电荷转移。此外,发射光谱研究表明该类化合物具有大的斯托克斯位移,也是潜在的荧光探针材料。此研究可以为寻找性能更优异的二阶NLO材料和荧光探针材料提供理论基础。4.研究了螺旋手性[7]螺烯和五种喹喔啉-稠合[7]螺烯及衍生物的结构、电子光谱、电荷传输、二阶NLO等性质。理论模拟的UV-vis/CD光谱与实验光谱的良好一致性,可用于指认电子跃迁特性和AC,发现电子圆二色性主要来源于喹喔啉、苯基、4-甲氧基苯基与[7]螺烯之间的激子耦合。这些衍生物具有大的二阶NLO响应值,可达到32.96×10^-30 esu,约为有机尿素分子的190倍。喹喔啉-稠合[7]螺烯价带的带宽与导带的带宽相当,并且略大于Alq的带宽,成为潜在的双极性电荷传输材料。