光电材料中的光电转换过程被广泛的应用于光伏、光电探测的器件应用领域,关于光电转换过程,如何提高转换效率长期以来一直是学术界中光电理论机制研究、光电材料合成设计和器件设计领域研究的重点。光电转换过程通常可分为光激发材料产生电子空穴对,电子空穴电荷的迁移致分离进入光电器件回路中,其中电荷分离效率和电子空穴对产生效率是光电转换效率得到提高的关键。Ⅱ型能级结构在激发后会形成电荷转移跃迁态,相比于传统的热电子冷却及迁移,电荷转移跃迁能够有效促进电子和空穴波函数的分离,提高电荷分离的速率,因而对电荷转移态性质的研究得到了广泛的关注。另一方面,为了降低光吸收中的热损失,有效提高电子空穴对产生效率,载流子倍增效应的研究被认为可有效突破太阳能转换效率极限,对应于半导体中的多激子产生效应,有机材料中的单线态分裂效应最近成为了相关领域的热点,在本文中,针对电荷转移跃迁和单线态分裂过程,我们建立超快瞬态吸收、光学克尔效应、光学四波混频和二维相干光谱等多种非线性超快光谱方法对半导体量子点体系和单线态分裂的有机并苯体系进行了深入研究,代表性研究成果如下：1、发现了Ⅱ型半导体量子点材料由电荷转移跃迁态引起的中宽带非线性响应。我们利用四波混频的实验方法比对研究了胶体化学合成CdSe/CdS的Ⅰ型和CdSe/ZnTe的Ⅱ型半导体量子点,发现了共振于Ⅱ型量子点中电荷转型激子态跃迁的长波段光学非线性响应,并利用时间分辨的瞬态吸收和光克尔效应方法确认Ⅱ型量子点宽波段的非线性响应来源于半导体量子点内部的能态填充效应。在不影响量子点材料的量子受限效应的条件下,通过核壳能带组合对宽谱的非线性响应范围进行有效调控,为设计非线性全光器件提供新的思路。2、在并五苯薄膜材料中,将非线性响应拓展至多激子产生范畴。因为丰富的分子结构,共轭有机分子材料中的光学非线性在学界受到重点关注,低廉的造价让其在未来的应用中非常值得期待。科学家从理论设计到样品合成等全方位搜寻有机非线性光学材料,以期实现有机全光控制器件,近些年也开始探索单个分子的光学非线性研究,以期实现全光量子操作。尽管如此,领域内的研究目前还集中在单电子范畴,即一个光子只调控单个电子的行为。借助于单线态分裂过程中多激子暗态的极短寿命,我们发现并五苯薄膜中非线性的响应时间极快,该发现成功解决了传统材料中共振非线性效应响应很慢的缺陷。这一结果也确认了单线态分裂过程中多激子暗态的存在,在此基础上,我们成功实现了单线态分裂全光开关,赋予有机单线态分裂材料新的应用可能。3、单线态分裂原则上可打破单节太阳能光电转换器件的效率极限,但该分裂过程的物理机制仍不明确。理论上,多激子暗态被提出作为中间媒介来解释单线态分裂的物理过程,我们利用磁场依赖的量子拍频光谱证实了单线态分裂过程中中间态的存在,并成功测得了双激子对之间弱的磁偶极矩相互作用。为更加深入的了解中间态在单线态分裂过程中起到的作用,我们建立一套二维量子相干光谱实验装置,利用非共线参量放大在可见光和近红外波段实现了10 fs的宽光谱脉冲输出,并通过逐对入射设计和楔形玻璃对的组合成功实现了二维相干光谱的被动锁相。利用这套二维相干光谱装置我们对并四苯薄膜进行了二维光谱测量,实验结果中对非对角元信号的分析初步表明并四苯中中间态与单线态之间存在电子态的量子相干耦合,说明量子相干性在单线态分裂过程中起着重要影响。