【摘 要】
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激光器在光谱、环境监测、爆炸物探测等应用中具有重要的作用,非线性光学晶体作为重要的激光变频转换器件,在激光器中占有重要的地位。非线性光学材料从发现到合成,再到表征测试,往往是一个漫长的过程,同时最终的结果可能达不到预期的效果。本文提出了一种借助计算机辅助寻找非线性光学材料的策略,即非线性光学材料第一性原理高通量筛选流水线系统（FHSP-NLO）。该系统根据已知晶体的结构,计算出材料的相关性质,包括
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激光器在光谱、环境监测、爆炸物探测等应用中具有重要的作用,非线性光学晶体作为重要的激光变频转换器件,在激光器中占有重要的地位。非线性光学材料从发现到合成,再到表征测试,往往是一个漫长的过程,同时最终的结果可能达不到预期的效果。本文提出了一种借助计算机辅助寻找非线性光学材料的策略,即非线性光学材料第一性原理高通量筛选流水线系统（FHSP-NLO）。该系统根据已知晶体的结构,计算出材料的相关性质,包括带隙、双折射、倍频系数等。该系统可以批量投递多个任务,在时间上缩短了非线性光学材料的寻找过程。我们借助该系统对硼酸盐体系、氮硅酸盐体系、方酸盐体系进行了计算与筛选。对大约300种具有非中心对称结构的硼酸盐进行了高通量计算,验证了该系统的批量处理和自动化运行能力。此外,还发现了若干例性能优异但其非线性效应未被研究的新型材料,包括B2S2O9、高压相Na2B4O7、KB（SO3Cl）4、Ca(B8O11（OH）4)等。这些材料在之前的研究中被忽略,本研究表明它们是很有潜力的紫外/深紫外非线性光学材料。混合配位阴离子基团可以显著提高材料的双折射,利用第一性原理计算发现含有Si OxN4-x（x=1-3）基团的氮硅酸盐可以克服硅酸盐双折射过小的不足,是一类潜在的紫外非线性光学材料。筛选出了两个潜在紫外非线性光学材料Si2N2O和Li Si ON,拓展了紫外非线性光学材料的研究体系。通过第一性原理高通量筛选方法在无机晶体数据库中找到了一种具有平面π共轭轨道的非线性光学活性基团（HC4O4）-以及含有该基团的晶体一水合方酸氢钠（Na HC4O4·H2O）。这是方酸盐体系中第一个被发现的非线性光学晶体。随后,通过水溶液法生长了该晶体,获得了尺寸为30×6×5 mm的单晶。测试和计算表明其具有强的倍频效应（2.7×KDP）和超大的双折射（0.52@1064nm）。以上工作不仅发现了若干潜在的非线性光学晶体材料,同时验证了计算机辅助高通量筛选方法的精度和效率达到设计要求,能完成大量材料的计算,计算能力和结果可靠;此外,有很多已知材料没有被有效的识别和研究,等着我们在更广泛的材料体系中找到这些宝藏。
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