太赫兹频域下极化声子研究和非线性光学材料探索

太赫兹频段是电磁波谱中极具科学价值但尚待完全开发的电磁辐射区域。太赫兹波的广泛应用是与太赫兹光源的发展紧密联系的,这也是太赫兹技术研究领域的前沿问题之一。寻找具有优良综合性能的新型光学材料，从而可以利用非线性光学方法得到高功率、稳定输出的太赫兹激光是本项目的研究方向。在本研究项目中，我们将使用唯象的理论模型和基于第一性原理的计算模拟，对实验结果进行分析和建模，深入地探讨低频光电场下光子与材料声子之间的相互耦合即极化声子的机制。结合对光子与电子耦合过程的研究，认识和理解光学材料的微观结构与其太赫兹谐波光输出能力之间的内在联系。在此基础上建立太赫兹光学材料分子设计的计算机辅助专家系统，利用分子工程学方法，重点对含有III至VI主族重元素（如In、Pb、Bi、Se、Te等）与过渡金属或稀土元素所组成的二元或三元化合物进行搜索乃至分子设计，全面有效地寻找性能优良的新型太赫兹非线性光学材料。

THz波在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域以及材料、通讯、国家安全等技术领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。但是，对THz波段内材料的非线性光学响应的研究是一个相对落后的“空白”，能够高效产生THz波的非线性光学材料也十分匮乏。. 在本项目中，我们对远红外THz频段内光和晶体结构的相互作用，以及新型THz非线性光学材料的探索进行了深入的研究。主要的研究内容是：通过分子工程学方法，使用理论计算和原子尺度模拟，结合实验数据，对于THz非线性光学材料的微观结构形成和宏观性能进行探讨，认识和理解极化声子相关的物理问题。结合对光子-电子耦合问题的深入阐明，进行新型THz非线性光学材料的搜索和分子设计，得到具有优良综合性能的THz非线性光学光电功能材料。.我们通过四年的努力，在本自然科学基金面上项目的支持下，获得了以下重要结果和关键数据：.（1）进行了低频光电场与声子相互作用的理论研究。推导获得了低频下晶格振动对光场的倍频响应公式，通过研究材料在外光电场下的感生偶极矩（感生极化率），理解光学材料的微观结构与其非线性光学谐波光输出能力之间的内在联系。这为新型THz非线性光学材料的结构选型和探索提供了有力的理论支持。.（2）从原子结构和化学组分出发，结合第一性原理计算方法，深入探讨红外非线性光学材料（不局限于THz材料）结构、组分和性能之间的“构效关系”，提出优秀中远红外-THz非线性光学材料的结构选型标准，帮助实验实现高效的探索和分子设计。.（3）采用分子工程学研究方法，在卤素化合物中进行THz非线性光学材料的探索，发现了新型化合物Cs2HgI2Cl2。其透光范围很宽，透过波长为0.3—41m，达到了太赫兹范围，是一种具有应用前景的THz非线性光学晶体。.（4）对有机THz晶体OH1进行了单晶生长探索研究，得到了较大尺寸的高质量晶体。采用光整流的方法，利用中心波长800nm的钛宝石飞秒激光器，在生长得到的OH1晶体中实现了0.25-3THz的宽带THz波连续输出，最大输出功率位于1.0 THz附近。同时，采用非线性光学差频的方法在OH1晶体中首次实现了0.83-3.13THz可调谐的窄带THz波的输出，较优的泵浦激光波长在1350nm附近。.（5）采用分子设计的方法，改变晶体分子共轭体系的组成基元，引入不同的给电子基团，得到一系列新的有机晶体，其中PSDCM、DL