非线性光学材料微观机制模拟及其设计

通过非线性光学材料微观机制模拟、光物理性能参数计算和结构调控，以达到根据人们预先要求的光学性能开展设计制备新颖结构非线性光学晶态材料，这不仅是面向国家战略重大需求，而且也是瞄准科学前沿的创新性研究工作。.以第一性原理为基础,建立起纳米尺度孤立体系和周期性扩展体系光学性能的的组合计算方法,模拟晶态物质材料的光物理性能，诊断出性能敏感的结构基元，针对贡献于非线性晶态材料光物理性能敏感的结构基元，进行化学修饰和结构调控，或者筛选特定发色团作为反应前驱体， 有导向的制备含有氧族元素并具有非线性光学性能的新颖结构多元化合物；了解和建立结构与光学性能关系，分析和归纳结构变化对晶态物质非线性光学性能的影响。

中远红外非线性光学材料的研究是基础科学和技术科学关注的热点邻域，它们在军事和民用系统都具有广泛的应用，特别是具有红外区宽透过的中远红外非线性光学材料，通过差频过程能够直接产生太赫兹光源。因此，设计和探索具有非线性倍频系数大，中远红外透过范围宽，激光损失阈值大的新型红外非线性光学晶体具有重要的战略应用价值和科学意义。该课题以具有中、远红外光透过功能为导向，利用材料基因工程设计制备出一系列新颖红外非线性光学晶体，通过计算模拟了解贡献于非线性光学的微观机制。取得如下主要研究结果。.利用“基因”BiA5四角锥和InA4四面体构造虚拟晶体Ba2BiInA5（A = Se，Te），并应用从头算晶体结构预测方法勘定得到非心结构晶体和计算晶体的能带结构和光学性质，实验表征其实际晶体结构和测试了Ba2BiInSe5的光学透过范围、非线性光学性质；从SnS4四面体和SnS3三角锥非心材料基因发育生长出非心对称结构晶体Ba8Sn4S15，基于密度泛函理论计算结果的微观机制研究表明，强的二次谐波非线性光学响应起因于SnS3三角锥极性加强；以SnQ4四角锥和GaQ4(Q= S, Se)四面体非心材料基因发育生长成非心对称结构特征的二个同构晶体SnGa4S7 和 SnGa4Se7，微观机制研究表明它们大的非线性光学响应来自SnQ的共价作用、色团[SnQ4]和[GaQ4]极性的协同效应。.另外在纳米尺度材料和生物体系蛋白结构预测和物理性能计算模拟方面，针对复杂体系开展二阶、三阶极化率和二、三光子吸收截面计算和研究。结果表明，金属石墨烯纳米带具有非常大的三阶非线性光学极化率和双光子吸收截面值，其非线性光学性质主要起源于端基金属原子和平面四配位碳(4-C)之间的电荷转移；研究结果表明C3N4纳米二阶极化率起源于供体（-NH 2）到受体（-O2N）的电荷转移。采用密度泛函理论模拟WT- GFP生色团中性态和中间状态氢键复合物的互变异构体, 并结合态求和方法计算复杂异构体的单光子和双光子吸收特性,发现氢键络合物中间态双光子吸收频率符合实验观测结果。