光与粒子相互作用的Mie散射理论研究和LiCaBO晶体光学性质的微观计算

摘要

Mie散射理论可以严格处理光波与宏观均匀介质球相互作用。目前广泛应用于医学、大气污染以及大气光散射等领域方面。本文利用Mie散射理论进行数值模拟，并且用Fortran语言进行编程计算散射后光强度分布。计算结果可知，光强度最大峰值所对应的散射角随相对折射率的实部变化而变化(除散射角O度和180度)，但并不随相对折射率的虚部以及尺度参数的变化而变化。这与相对折射率的实部主要起相位延迟作用和虚部主要起吸收作用相一致。在此基础上和几何光学相结合，搭建简单的光路来测量高折射率玻璃微珠的折射率。这种测量方法简单易行、造价低廉，并且符合工业上精度的需求。 随着微电子、光学、激光、遥感、通讯、航天、宇航等高科技领域和现代军事技术的快速发展，对非线性光学材料的需求越来越多，要求达到的光学性质也越来越高。本文在晶体性质的微观计算方面，利用密度泛函理论为基础的第一原理赝势平面波方法计算了新型复合光学材料Li<,4>CaB<,2>O<,6>的光学性质。计算过程中，采用周期性边界条件将其晶体波函数由平面波基组展开；电子交换关联能函数取广义梯度近似中的Perdew-Wang(PW91)形式，原子势函数采用模守恒赝势(NCPP)。在计算Li<,4>CaB<,2>O<,6>光学性质之前，采用Broyden-Flecher-Goldfarb-Shanno(BFGS)方法对晶胞模型进行了几何优化，得到它的局域最稳定结构。由几何优化结果可知，计算得到的结构和实验值符合很好，从而为得到可靠的光学性质作基础。由Li<,4>CaB<,2>O<,6>晶体[100]面的光学反射率、吸收系数、复折射率、能量损失函数、光电导率、复介电函数曲线可知，它们的曲线变化急剧部分以及峰值都在紫外线区域内(紫外区域波长在10nm～400nm之间)。从而可以说明,Li<,4>CaB<,2>O<,6>晶体是一种很好的紫外光学材料。计算结果为该材料的实验和应用提供了有益的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1Mie散射理论的发展及其应用

1.2紫外非线性光学复合材料硼酸盐晶体的发展及研究意义

参考文献：

第二章用Mie散射理论研究光波与宏观均匀介质球相互作用

2.1引言

2.2理论

2.2.1Mie散射理论

2.2.2Mie散射理论的数值模拟算法

2.3计算结果和讨论

2.4实验：二次彩虹法测量高折射率玻璃微珠的折射率

2.4.1概述

2.4.2理论

2.4.3简单的实验装置及结果分析

参考文献：

第三章晶体Li4CaB2O6的光学性质的微观理论计算

3.1密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)

3.1.1概述

3.1.2 Thomas-Fermi模型

3.1.3 Hohenberg-Kohn定理

3.1.4 Kohn-Sham方程

3.2交换关联能泛函

3.2.1局域密度近似(Local Ddensity Aapproximation,LDA)

3.2.2广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation,GGA)

3.3赝势法

3.3.1模守恒赝势(Norm-conserving pseudopetential,NCPP)

3.3.2超软赝势(Ultrasoft pseudopotential,USPP)

3.4基函数

3.5光学性质的计算

3.6新型复合光学材料Li4CaB2O6

3.6.1概述

3.6.2计算方法与结果

参考文献：

第四章总结

攻读硕士期间论文

致谢