20世纪末，因特网的出现标志着人类社会进入到一个崭新的时代——信息化时代，在这个时代人们对信息的需求急剧增加，信息量就像原子裂变一样呈爆炸式增长，传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量的要求。在这种情况下，光纤通信技术以其超大容量，良好的透明性，波长路由选择特性，好的兼容性和可扩展性，迅速成为下一代高速宽带网络的首选。然而，目前的光纤通信系统中，存在着较多的光—电、电—光转换器件，而这些电子设备由于存在着切换速度慢、时钟偏移、严重串话和高功耗等缺点，很容易产生通信系统中的“信息瓶颈”现象。为了突破这一瓶颈，近年来，人们提出了“全光网络”的概念，该技术实质上是现有光纤通信技术的改进。它摒弃了现有光纤通信系统中的电子设备，实现了数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。全光网络的实现，离不开各种非线性超快光子学器件的研制，全光开关就是全光网络中的关键器件之一。全光开关通常都基于非线性光学原理，按所利用非线性机制的不同主要分为非线性折射型、非线性吸收型、非线性频率转换型和非线性耦合型等。令人广泛关注的非线性折射型全光开关，其工作原理主要利用了材料的三阶非线性折射特性，用一束控制光引起材料的折射率变化，信号光在其中通过时就会带来相位的变化，从而实现光开关的开关动作。由于全光开关可以突破限制电、声、热、机械等光开关单道传输速率的极限，已经成为当前研究的热点。制作非线性折射型全光开关，要求非线性光学材料的三阶非线性折射要大，线性吸收和非线性吸收要小，响应速度要快。三阶非线性折射率大，需要的控制光的光功率密度就不用很高，避免对器件造成损伤。线性吸收和非线性吸收系数小，可降低信息传输损耗，还可以减小热效应的影响，提高开关速度，增强系统可靠性和稳定性。自上世纪60年代激光技术发明以来，由于它具有高能量和高准直性，使得它在军事方面的应用也越来越广。近年来，激光武器正成为各国投资最多、发展最快的应用研究项目。激光武器是以人眼和传感设备为主要攻击对象，利用沿一定方向发射的高能激光束直接摧毁目标或使之失去作用的一类武器。随着这类武器的不断发展，自动化程度不断提高，这方面所面临的威胁越来越严重，如何开发有效的激光防护器件以避免这些伤害，成为激光设备应用及掌握现代战争主动权所需要迫切解决的问题。新一代的光限幅器件，主要利用了材料的反饱和吸收、双光子吸收、非线性折射、非线性反射和散射等非线性光学效应，相比于早期的激光防护器件，它具有响应快、防护波段宽、限幅阈值低、损伤阈值高和线性透过率高等优点。另外，材料的三阶非线性光学性能还可应用于激光脉冲的压缩（调Q和锁模）、整形及光学双稳态研究等方面。飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模（KerrLens mode-locking）技术就是利用了材料的非线性光学特性，因材料的折射率随光强而变化，使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而实现超短激光脉冲的输出。当前，全光开关和光限幅器等非线性光学器件的研究，既包括技术和结构方面的改进和创新，也包括新的作用机理和材料方面的寻找和探索。但就目前现状而言，由于还没有找到性能全面的适用于这些器件研制的非线性光学材料，因而，探索和合成新型的具有优良三阶非线性光学性能、高品质因子的非线性光学材料显得尤为重要。在探索性能优异的新型非线性光学材料的过程中建立并优化对材料的三阶非线性光学特性的表征技术是至关重要的，它不仅可以表征出新材料的三阶非线性光学性能参数，而且还可以从内在机制方面揭示材料具有三阶非线性光学性能的根本原因，为设计合成性能更加优异的新材料提供重要的指导作用，也可以为器件的设计提供可靠的依据。基于这个目的，本论文主要内容有以下几个方面：第一，探索与合成了中心金属离子分别为Ni、Cu、Co、Au等四个系列近二十种金属有机配合物DMIT类材料，其中，MeAu、MeCu、EtCu、PrCu、O-CtCu、CtNi等为首次报道的新型光学材料。三阶非线性光学材料的合成及性能研究已经成为近年来非线性光学材料研究领域的热点。报道的三阶非线性光学材料种类很多，大体可以分为无机和有机非线性光学材料两大类。无机非线性材料主要包含半导体类、钛酸盐系列、金属氧化物类和硫系玻璃等，有机非线性材料主要有一维长链聚合物、小分子化合物、富勒烯衍生物和过渡金属有机配合物等。相比于无机材料，有机材料可以在分子的水平上进行剪裁，根据对材料的实际要求进行分子设计，以取得最佳性能，可在非共振吸收区域产生大的光学非线性，非线性响应速度也非常快，并且具有高的损伤阈值、低的介电常数、易于集成、成本低廉等，是有着非常大的应用和发展前景的一类材料。特别是，在有机共轭体系中引入过渡金属离子以后，金属与有机体系之间的电荷转移使得整个共轭体系的电子离域性更强，可以进一步增强有机化合物的三阶非线性光学特性。我们研究小组在探索具有高三阶非线性光学性能的新材料的过程中，通过对材料结构与其非线性光学性能之间关系的分析，选择了DMIT类金属有机配合物作为我们的研究对象。该类材料分子中阴离子部分可简写为Metal（dmit）₂，是富含硫的离子基团，中心的金属离子可以是Ni、Cu、Pd、Pt等多种金属离子，dmit代表1，3-dithiol-2-thione-4，5-dithiolate，通过替换不同的金属离子，材料的性质就可以得到改变。早期，人们主要研究DMIT类材料的合成及导电特性，近年来，人们渐渐发现这类材料的分子结构具有优良的π电子共轭体系，并开始关注它们的非线性光学性能。本课题组采用理论分析和化学合成相结合的方法，系统合成了不同中心金属离子的四个系列近二十种DMIT类金属有机配合物，其中，MeAu、MeCu、EtCu、PrCu、O-CtCu、CtNi等多种新型光学材料的晶体结构和线性吸收等化学物理性质被我们首次报道。通过对该类材料性能的研究，筛选出了MeAu、EtCu等数种具有重要应用价值的非线性光学材料。第二，自行搭建了用于表征材料三阶非线性光学性能的Z扫描实验装置，并在自动地控制仪器和采集数据等方面做了完善。传统的表征材料的三阶非线性光学性能的方法有很多，例如干涉法、三次谐波法、简并四波混频法、椭偏法和光束畸变法等。这些方法具有一些自身的缺点，如实验装置较复杂，操作难度高，不能区分非线性极化率的实部和虚部即三阶非线性折射和非线性吸收等。然而，精确确定这些非线性光学参数非常重要，可以对材料在非线性光学领域中的应用提供指导作用。因而，1989年M.Sheik-Bahaem等人提出了一种新的可以表征材料三阶非线性折射和非线性吸收的测量技术—Z扫描技术。这种方法不仅实验装置简单，测量灵敏度高，并且能区分三阶非线性极化率的实部和虚部。时间分辨双色Z扫描技术还能研究材料的非线性响应时间，区分不同响应时间的非线性光学效应。本论文对Z扫描方法进行了详细地研究，给出了Z扫描方法的理论推导过程和常用计算公式，并在实验室自行搭建了一套Z扫描实验装置，用Labview图形语言编写了控制数据采集和平移导轨移动的自动测量软件，并协调了它们的工作步骤，大大缩短了实验时间，也提高了测量结果的精确性。第三，采用Z扫描方法和时间分辨光克尔技术对DMIT类材料的三阶非线性光学特性进行了系统的研究。我们首次采用Z扫描方法系统研究了该类材料四个系列配合物在近红外波段不同脉冲宽度条件下的三阶非线性光学性能。首先，在1064 nm，40 ps脉冲照射条件下，我们得到了DMIT类材料的三阶非线性极化率、非线性折射率、非线性吸收系数、双光子吸收截面和激发态吸收截面等性能参数，并结合测试样品的浓度计算得到了材料的分子二阶超极化率，根据中心金属离子的不同，其分子二阶超极化率的值在10^-32～10^-30量级之间。实验中，我们进一步对影响材料三阶非线性光学特性的多种因素进行了研究，具体有：一、研究了分子结构对线性吸收光谱和三阶非线性光学特性的影响，并将我们的实验结果与文献中报道的结果进行了比较和分析；二、利用空气氧化法制各了新型配合物O-CtCu，并研究了氧化前后两种材料CtCu和O-CtCu的三阶非线性光学特性；三、研究了新型配合物MeAu皮秒条件下在波长532 nm和1064 nm处的三阶非线性光学特性，从线性吸收光谱的角度上对出现的性能差异进行了解释。并发现该材料在1064 nm处具有高的非共振三阶非线性光学效应，满足全光开关对材料品质因子W=n₂I／α₀λ和T=βλ／n₂（且|W|＞＞1，|T|＜＜1）的要求。其次，我们还进一步研究了DMIT类材料在波长1053 nm处纳秒时域的非线性吸收特性。脉冲宽度选择1 ns和15 ns，通过z扫描实验结果发现，同种材料在不同脉宽的条件下表现出了完全不同的性质。运用五能级模型对出现这种差异的原因进行了分析，表明：材料在40 ps和1 ns条件下的非线性产生机制应归因于单重态激发态的态态跃迁，而在15 ns条件下则主要是由于三重态激发态的态态跃迁导致的。我们计算了纳秒条件下材料的有效非线性吸收系数和有效激发态吸收截面；通过文献调研并结合实验结果，估计了DMIT类材料的系际跃迁时间；我们还采用非线性透过率方法测量了材料非线性透过率随入射能量的变化曲线，通过引入简化的处理模型，估算了三重态的有效激发态吸收截面与基态吸收截面的比值。最后，本论文还采用飞秒分辨光克尔技术对DMIT类材料的响应时间特性进行了研究，借助该方法我们得到了飞秒脉宽下材料的三阶非线性极化率、分子二阶超极化率和材料响应时间等性能参数，结果表明该类材料的响应时间快，约在200飞秒左右。综合各项数据表明，DMIT类材料是一类性能优良的非线性光学材料，在非线性光学领域中具有潜在的应用价值。本研究工作得到了国家科技部高技术863计划（批准号：2002AA313070）、二项国家自然科学基金（批准号：60377016和60476020）和高等学校全国优秀博士学位论文专项资金课题（批准号：200539）的支持。