半导体材料,包括有机和无机半导体是目前备受关注的非线性光学材料,它们具有大的光学非线性和快的响应时间,在光限幅、光开关、红外探测、光存储等方面具有重要应用。本文以II-VI族无机化合物体半导体和有机半导体四苯基卟啉为主要研究对象,综合利用Z-scan、时间分辨PO泵浦探测和时间分辨瞬态吸收光谱等实验手段,结合含色散脉冲传播方程、能级模型和热致非线性理论,对两种半导体材料的非线性光学性质及相应的超快动力学进行了研究。该研究丰富半导体材料非线性光学研究内容和理论内涵,对半导体材料在非线性光学领域的应用具有指导意义,主要研究内容如下:将实验研究和理论分析相结合,主要针对超短脉冲在II-VI族半导体中传播时的明显展宽现象进行研究。利用PO泵浦探测实验证明800 nm,200 fs激光脉冲在3 mm厚Zn S体半导体传播中存在明显的脉冲宽度展宽现象,这种展宽现象主要来源于超短脉冲在Zn S传播过程中产生的群速色散效应(Group Velocity Dispersion GVD)。Z-scan技术进一步证明GVD对Zn S体半导体的非线性吸收和折射特性都有不可忽略的影响,并最终影响其光学非线性参数的正确提取。因此本章从理论上构建了考虑GVD影响的超短脉冲光强和相位传播方程,基于该方程的数值拟合与实验结果实现了很好的符合,并准确地提取了Zn S体半导体的非线性参数。另外该方程也很好地解释飞秒脉冲在Zn Se、Zn Te和Cd S半导体中传输因GVD而引起的展宽现象,充分证明了该传播方程的正确性和普适意义。该研究对于超短脉冲与体半导体以及其他固体材料非线性相互作用的研究具有指导和借鉴意义。将Z-scan,皮秒泵浦探测及飞秒瞬态吸收光谱技术有机结合,研究了以四苯基卟啉TPP为母体的一系列卟啉化合物的非线性吸收特性,重点分析了氮反转,外围给/受体取代和中心金属离子取代三种分子结构改变方式对卟啉非线性吸收性质的影响。研究结果表明氮反转破坏了TPP母体分子结构对称性,形成的氮反转卟啉(NCTPP)的线性吸收谱与TPP相比发生了明显红移,且单重态第一激发态的寿命(S1t)也明显缩短。给电子基团(Methoxy OMe)取代基卟啉TPP(OMe)4的非线性吸收在ps时域发生了饱和吸收(SA)到反饱和吸收(RSA)的转换,TPP(OMe)4的泵浦探测和飞秒瞬态吸收光谱实验都证明其与TPP相比具有非常快的内转换速率。Z-scan,皮秒泵浦探测及飞秒瞬态吸收光谱结果都表明吸电子基团(Cyan CN)取代基卟啉TPP(CN)4的非线性吸收和激发态动力学过程与母体TPP类似,这主要与CN中较为稳定的碳氮三键有关系。另外飞秒瞬态吸收光谱还表明在NCTPP大环中心引入二价过渡族金属离子Ag2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Mn2+都可以不同程度地加速激发态内转换速率,这种加速作用与各个过渡金属原子d层电子组态有密切的关系,d电子组态中电子数目越少,就越有利于激发状态下电子从卟啉转移到金属原子的d电子组态中,加快内部转换速率。该研究对新型卟啉半导体材料的开发有重要的指导意义。在研究TPP及其衍生物非线性吸收性质的基础上,用Z-scan技术研究了一系列TPP及其衍生物在皮秒和纳秒时域的光学非线性折射特性,重点分析了氮反转、给/受体外围取代、中心金属离子取代对相应卟啉材料非线性折射性质的影响。结果表明给/受体取代基卟啉TPP(CN)4和TPP(OMe)4的有效非线性折射系数n2eff和二阶超极化率γ在皮秒和纳秒时域相对于母体TPP都有显著增强。NCTPP的两种中心金属(Zn2+和Cu2+)配合物及给/受体取代基衍生物NCTPP(CN)4和NCTPP(OMe)4的纳秒时域Z-scan实验结果表明金属离子(Zn2+和Cu2+)和给/受体取代基(OMe和CN)的引入对NCTPP的非线性折射没有明显的调制作用。另外研究表明卟啉材料在钠秒时域的非线性折射来源于电子云畸变产生的非线性折射和热效应引起的热致非线性折射的共同作用,通过理论分析定量地确定了两种折射机制对卟啉材料非线性折射的贡献。