新型红外波段二阶非线性光学晶体材料的理论设计方法与性能预测

Based on the results of density functional theory calculations, we will propose a theoretical method to design the second order nonlinear optical (NLO) crystal materials. In this method, the crystal structure is predicted by the improved evolutionary algorithm, and various properties such as the second harmonic generation coefficients are simulated theoretically to investigate the optical performance of the crystal. Using this approach, the structure and optical properties of the "virtual" crystals that are constructed by different types of noncentrosymmetric (NCS) units are studied systematically. Through examining the influence factors of the spatial arrangement of the NCS units, we try to find the rules and trends for the integration of the NCS units. Meanwhile, to understand how the performance of the NLO crystal is sensitive to the structure and composition of the system, the relationship between linear or second order NLO properties and the structure of NCS unit is explored. According to the results of theoretical predictions, the new infrared NLO crystal materials with good performances may be achieved. Our project can provide reliable theoretical foundations and ideas to develop new NLO crystals, as well as to realize the controllable preparations of NLO materials.

本项目将建立一种基于密度泛函理论计算结果的二阶非线性光学(NLO)晶体材料的理论设计方法。该方法采用改进的演化算法来预测晶体结构，并结合倍频系数等各种性质的理论模拟来考察晶体的光学性能。利用该方法，对理论设计的由不同类型无对称中心(NCS)结构单元所组成的"虚拟"晶体的构型和光学性能进行系统研究，探讨影响NCS结构单元空间排列方式的各种因素，从中寻找出NCS结构单元组装的规律和趋势；通过考察所设计的NLO晶体线性和二阶非线性光学性能与结构单元之间的内在关系，深入了解该类材料功能与结构和组成的敏感性，并筛选出可能具有优良性能的红外NLO晶体材料，为新型NLO材料的开发和可控制备提供可靠的理论依据和研究思路。

本项目按照原定研究计划，建立了一种基于密度泛函理论计算结果的无机二阶非线性光学晶体材料的理论设计方法。该方法采用改进的遗传算法来获得已知组成晶体的稳定构型，并结合介电函数、折射率、双折射率以及静态和动态倍频系数等各种线性和非线性光学性质的计算来预测晶体的光学性能。在晶体稳定构型的搜索过程中，针对无机晶体材料的结构特点，本课题发展了一种新的遗传算法，该方法利用配位结构基元作为遗传操作的最小单元来构建各代个体构型，与目前常用的遗传算法相比，可以显著提高预测无机晶体稳定构型的效率和可靠性。根据上述思想，我们编写了相关程序，并完成了基于MPI并行的二阶倍频系数计算程序的编写工作。采用上述方法和程序，本项目对一系列已合成和未制备的二阶非线性光学晶体材料进行了深入研究，重点考察了非心结构单元构型及其排列方式与材料各种线性和二阶非线性光学性质之间的内在联系，提出了一些具有较强红外二阶倍频效应的光学晶体材料，其中包括高压下具有单斜结构的AgGaS2晶体以及具有新颖结构的LiAsSe2晶体等。本课题的研究成果可为新型非线性光学晶体材料的研发以及其它相关晶态材料的设计、优化和筛选提供一种新的研究思路和方法。此外，本项目所开展的编程工作也将为今后二阶非线性光学晶体材料的高通量筛选计算打下良好基础。