專利名稱：：非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法，屬于非線性光學(xué)材料輻照防護(hù)領(lǐng)域。技術(shù)背景輻照損傷問題一直以來是軍事航天領(lǐng)域研究人員所關(guān)注的一個(gè)極其重要的問題。早在上世紀(jì)五十年代，人們就己經(jīng)注意到在核反應(yīng)、粒子加速器和空間自然輻照環(huán)境中產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)材料或者電子元件的損傷問題，已進(jìn)行很多重要研究并應(yīng)用到了航天器的輻照防護(hù)中。然而對(duì)于非線性光學(xué)材料而言，目前主要都還是應(yīng)用在民用方面，在現(xiàn)有的軍事和航天領(lǐng)域中幾乎沒有應(yīng)用，對(duì)其輻照損傷機(jī)理也幾乎沒有研究。隨著航天和軍事科技的發(fā)展，激光光電系統(tǒng)在上述領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐步展開，在現(xiàn)有的關(guān)于材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算中主要考慮的是材料受輻照后的熱一力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的各種結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化，這種方法對(duì)于電子元件和無源光學(xué)器件而言是有效的，對(duì)非線性光學(xué)材料而言并不合適。如果非線性光學(xué)材料還采用上述方法，則造成計(jì)算精度降低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于非線性光學(xué)材料的電子束輻照下非線性系數(shù)計(jì)算方法，該方法充分考慮非線性材料自身特點(diǎn)，采用量子力學(xué)手段計(jì)算材料的分子體系與電子束輻照所致電場(chǎng)之間的相互作用時(shí)的非線性系數(shù)，計(jì)算精度大大提高，同時(shí)可以適時(shí)的計(jì)算非線性材料在受電子束輻照時(shí)的非線性系數(shù)，具有很大的靈活性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法，其特點(diǎn)在于包含如下步驟(1)根據(jù)實(shí)際的高速電子束流輻照條件(射線能量、束流強(qiáng)度和粒子速度)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輻照電場(chǎng)E，￡=A.(//v)*+~/附/)2+(1+^/附。c2)"4.丄(1)其中^為射線能量，wc為電子靜止質(zhì)量，eo為真空介電常數(shù)，c為光速，/為電子束流強(qiáng)度，v為運(yùn)動(dòng)速度，r為場(chǎng)強(qiáng)觀察點(diǎn)距離束流中心的垂直距離；(2)根據(jù)被輻照的非線性材料分子結(jié)構(gòu)，選用計(jì)算輻照電場(chǎng)作用下分子體系或離子基團(tuán)加場(chǎng)能量的量子力學(xué)方法；(3)依據(jù)步驟(2)中選擇的量子計(jì)算方法計(jì)算表1中34種外場(chǎng)情形下分子體系或離子基團(tuán)加場(chǎng)能量差集AE，A￡=￡(《，《，《)—￡。，Eo=E(0，0，O)是未受外加電場(chǎng)作用的基態(tài)能量；表1中F表示場(chǎng)分量主值，oF為輔值，CT為場(chǎng)輔值系數(shù)，(O"e(-U)，o^0)，AE(Fi)表示僅有一個(gè)場(chǎng)分量主值時(shí)對(duì)應(yīng)的加場(chǎng)能量差，AE(Fi，F(xiàn)j)表示有兩個(gè)場(chǎng)分量主值但第三分量為零時(shí)對(duì)應(yīng)的加場(chǎng)能量差，AE(Fi，F(xiàn)j，F(xiàn)k)表示三個(gè)場(chǎng)分量均不為零時(shí)對(duì)應(yīng)的加場(chǎng)能量差，為便于描述和引用，分別編號(hào)為(1)~(34);(4)利用以下公式(2)~(4)式計(jì)算出二階非線性系數(shù)p，表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中/j，一x，乂z(/W;a)，A,表示三個(gè)分量y^和/L)，A,表示六個(gè)分量(/^,/^,/^，&，&,/^)，&表示了一個(gè)分量(Z取)；能量差A(yù)E為表1中的定義，AE巧)根據(jù)下標(biāo)i的不同對(duì)應(yīng)表l中不同AE;比如AE(Fx)對(duì)應(yīng)表l中的(1)項(xiàng)，即AE(F,0，0)，而AE(F;)對(duì)應(yīng)表1中的(5)項(xiàng)，即AE(O，F(xiàn),O),其他情形依次類推cr為場(chǎng)輔值系數(shù)，(cre(_1，1),<^0)。所述步驟(2)中選用計(jì)算輻照電場(chǎng)作用下分子體系或離子基團(tuán)加場(chǎng)能量的量子力學(xué)方法的原則為依據(jù)材料分子或離子基團(tuán)所帶的凈電荷數(shù)及自旋多重度選擇開殼層算法或閉殼層算法或限制開殼層算法依據(jù)構(gòu)成分子的具體元素選擇量子計(jì)算基組；依據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間要求選擇Hartree-Fock水平從頭算HF或密度泛函計(jì)算DFT或MC-SCF法。所述步驟G)中外場(chǎng)選取采用分量循環(huán)對(duì)稱方法，選定輻照電場(chǎng)F為主值，oF為輔值(o"e(-l，l)，"0)，循環(huán)取士F，±oF得出34個(gè)能量差集。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明由于充分考慮非線性材料自身特點(diǎn)，即非線性起源于電子在外加電場(chǎng)中的非線性振動(dòng)，采用量子力學(xué)手段計(jì)算材料的分子體系與電子束輻照所致電場(chǎng)之間相互作用時(shí)的非線性系數(shù)，與現(xiàn)有方法相比，計(jì)算精度大大提高(2)本發(fā)明可以適時(shí)的計(jì)算非線性材料在受電子束輻照時(shí)的非線性系數(shù)改變，具有很大的靈活性。具體實(shí)施方式下面以非線性材料BBO晶體(低溫相偏硼酸鋇晶體)的電子束輻照下非線性系數(shù)計(jì)算為例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明具體包含如下步驟(1)根據(jù)實(shí)際的高速電子束流輻照條件(射線能量、束流強(qiáng)度和粒子速度)，采用(1)式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輻照電場(chǎng)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，^為射線能量，mo為電子靜止質(zhì)量，so為真空介電常數(shù)，c為光速，J為電子束流強(qiáng)度，v為運(yùn)動(dòng)速度，r是場(chǎng)強(qiáng)觀察點(diǎn)距離束流中心的垂直距離。上述(1)式的推導(dǎo)過程如下設(shè)電子束流沿Z軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為V,電荷體密度為p，任取一電荷薄片，薄片厚度dz，則薄片所帶電荷總量為"=加2一(1.1)薄片電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)和自由空間中產(chǎn)生的電場(chǎng)是一致的，把此電場(chǎng)分解為平行z軸和垂直z軸兩個(gè)分量，有^〃=,氣2(1.2)五o丄-"^T(1'3)其中，g。為薄片電荷總電量，y=l/Vl—(v/c)2為相對(duì)論因子，《為薄片電荷中心到觀察點(diǎn)的矢徑。運(yùn)動(dòng)粒子束產(chǎn)生的電場(chǎng)是單個(gè)薄片電荷電場(chǎng)的疊加，對(duì)(1.2)式沿z軸積分，就得到粒子束產(chǎn)生電場(chǎng)的水平分量加2yO(^"a2/11同理，可以求出粒子束產(chǎn)生電場(chǎng)的垂直分量ii丄=-^~=---,丄4肪0及/4e。^+;);2因此，總場(chǎng)大小為(1.4)(1.5)五=_;r。VV(1+&/m。c2)2+(1+/We2)"4化/J'"2(1.6)4Vx"假定電子束流強(qiáng)度為/，束流橫截面積為s，運(yùn)動(dòng)速度為v，則單位時(shí)間t內(nèi)流過橫截面的電量為2=/"因此粒子束電荷體密度為產(chǎn),-A:丄(1.7)把(1.7)式代入(1.6)中得到(l)式(2)采用量子計(jì)算軟件Gaussian讀入BBO晶體材料分子結(jié)構(gòu)，選用適當(dāng)量子力學(xué)方法計(jì)算輻照電場(chǎng)作用下分子體系加場(chǎng)能量集。依據(jù)陰離子基團(tuán)理論，在計(jì)算BBO晶體分子體系的加場(chǎng)能量集時(shí)陽離子(Ba2+)的影響可以忽略，只需計(jì)算其中的陰離子基團(tuán)(B306)3_的加場(chǎng)能量集。BBO晶體的陰離子基團(tuán)(B306)3—所帶的凈電荷數(shù)為3，自旋多重度為2，選用開殼層算法;組成陰離子基團(tuán)(B306)3—的元素為B和O，可供選擇的基組為STO-3G基組或6—21G基組或LANL2DZ基組；依據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間要求選擇Hartree-Fock水平從頭算(HF)或密度泛函理論(DFT)或MC-SCF法；(3)依據(jù)步驟(2)中的原則選擇適當(dāng)量子計(jì)算方法計(jì)算如表1所示的34種外場(chǎng)情形下BBO晶體陰離子基團(tuán)(B306)3—的加場(chǎng)能量差集^=￡(《，5,EQ=E(O，0，O)是未受外加電場(chǎng)作用的基態(tài)能量;夕卜場(chǎng)選取采用分量循環(huán)對(duì)稱方案，選定輻照電場(chǎng)F為主值，ciF為輔值(o"e(-l，l)，o^0)，循環(huán)取士F，ioF得出34個(gè)能量差集;(4)利用下述(2)式(4)式計(jì)算出二階非線性系數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中能量差A(yù)E由表1定義，不同的下標(biāo)表示不同分量，/,_/J=x，_V，z(/*j';^)。(2H4)式的推導(dǎo)如下非線性光學(xué)的半經(jīng)典電極化理論指出，一個(gè)受外電場(chǎng)F作用的分子(或離子基團(tuán))，其電極化強(qiáng)度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度以泰勒級(jí)數(shù)展開為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2.1)外場(chǎng)作用下的能量也可以展開成類似的級(jí)數(shù)形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2.2)其中，下標(biāo)i，j，k，1代表分子所在笛卡兒坐標(biāo)軸x，y，z。重復(fù)的下標(biāo)表示對(duì)此下標(biāo)加和；W是分子(或離子基團(tuán))沿i方向的偶極矩分量；ay是線性極化率分量，(3ijk是二階非線性分量，是二階超級(jí)化率分量。E(F)-E(Fi，F(xiàn)j，F(xiàn)k)是在外場(chǎng)作用下分子(或離子基團(tuán))能量；Ea-E(O，0，0)是未受外加電場(chǎng)作用的基態(tài)能量；定義加場(chǎng)能量差為A5(。-五(C，^)-A，大小由分子(或離子基團(tuán))結(jié)構(gòu)和外場(chǎng)強(qiáng)度決定，反映了分子(或離子基團(tuán))受外場(chǎng)影響的程度。對(duì)(2.2)式展開，可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式(2.3)中己經(jīng)根據(jù)Kleinmann對(duì)稱性進(jìn)行了化簡(jiǎn)。對(duì)于一個(gè)特定的分子體系，獨(dú)立的張量系數(shù)fii、(Xij、pijk、Y,的個(gè)數(shù)是由分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性決定的。在最一般的情況下，分子結(jié)構(gòu)沒有任何對(duì)稱性，屬于C1點(diǎn)群，此時(shí)分子的^、叫j、Puk、Y諷的獨(dú)立分量個(gè)數(shù)分別為l、6、10、15個(gè)，共計(jì)34個(gè)獨(dú)立分量。把表1中的34個(gè)線性無關(guān)的能量差集A5(《，F(xiàn),。代入(2.3)式中，即可導(dǎo)出關(guān)于P的三個(gè)表達(dá)式(2)(4)式。權(quán)利要求1、一種非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于包含如下步驟(1)根據(jù)實(shí)際的高速電子束流輻照條件，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輻照電場(chǎng)E，2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法，其特征在于所述步驟(2)中選用計(jì)算輻照電場(chǎng)作用下分子體系或離子基團(tuán)加場(chǎng)能量的量子力學(xué)方法的原則為依據(jù)材料分子或離子基切所帶的凈電荷數(shù)及自旋多重度選擇F殼層算法或閉殼層算法或限制開殼層算法；依據(jù)構(gòu)成分子的具體元素選擇量子計(jì)算基組；依據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間要求選擇Hartree-Fock水平從頭算HF或密度泛函計(jì)算DFT或MC-SCF法。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法，其中特征在于所述步驟(3)中外場(chǎng)選取采用分量循環(huán)對(duì)稱方法，選定輻照電場(chǎng)F為主值，oF為輔值(o"e(-l,1)，0^0)，循環(huán)取土F，士oF得出34個(gè)能量差集。全文摘要一種非線性光學(xué)材料電子束輻照下非線性系數(shù)的計(jì)算方法，包含如下步驟(1)根據(jù)實(shí)際的高速電子束流輻照條件(射線能量、束流強(qiáng)度和粒子速度)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輻照電場(chǎng)；(2)用量子計(jì)算軟件Gaussian讀入被輻照的非線性材料分子結(jié)構(gòu)，選用計(jì)算輻照電場(chǎng)作用下分子體系(或離子基團(tuán))加場(chǎng)能量的量子力學(xué)方法；(3)依據(jù)步驟(2)中選擇的量子計(jì)算方法計(jì)算34種外場(chǎng)情形下分子體系(或離子基團(tuán))加場(chǎng)能量差集；(4)計(jì)算出二階非線性系數(shù)。該方法充分考慮非線性材料自身特點(diǎn)，采用量子力學(xué)手段計(jì)算材料的分子體系與電子束輻照所致電場(chǎng)之間的相互作用時(shí)的非線性系數(shù)，計(jì)算精度大大提高，同時(shí)可以適時(shí)的計(jì)算非線性材料在受電子束輻照時(shí)的非線性系數(shù)，具有很大的靈活性。文檔編號(hào)G02F1/35GK101162344SQ20071017688公開日2008年4月16日申請(qǐng)日期2007年11月6日優(yōu)先權(quán)日2007年11月6日發(fā)明者崔執(zhí)鳳,石建平,董可秀,圓黃申請(qǐng)人:安徽師范大學(xué)