光学性质模拟是通过理论计算或数值模拟方法预测和分析材料或分子在光与物质相互作用下的行为和特性。其核心目标是理解光的吸收、发射、散射、折射、偏振等现象的本质，并为新材料设计（如光伏材料、发光器件、光学传感器等）提供理论指导。
常见模拟内容与方法
1. 光吸收与发射光谱
- 原理：模拟材料对不同波长光的吸收能力（吸收光谱）或发光特性（发射光谱），对应电子在能级间的跃迁过程。
- 方法：
- 密度泛函理论（DFT）及含时密度泛函理论（TD-DFT）：用于计算分子或固体的电子结构和跃迁能量，适用于小分子、团簇及周期性体系。
- GW 近似：修正 DFT 对带隙的低估问题，更准确描述半导体 / 绝缘体的电子激发。
- 分子动力学（MD）结合量子化学：模拟动态体系（如溶液中分子）的光学性质。
- 应用：光伏材料（如钙钛矿）的吸光效率优化、荧光分子的发光波长预测。
2. 折射率与色散
- 原理：折射率描述光在介质中传播的速度变化，色散反映折射率随波长的变化。
- 方法：
- 基于介电函数的计算：通过 DFT 计算介电常数实部与虚部，推导折射率和消光系数。
- 经典电磁理论：如 Drude 模型（描述自由电子贡献）或 Lorentz 模型（描述束缚电子振荡）。
- 应用：光学涂层设计、光子晶体的色散特性分析。
3. 非线性光学性质
- 原理：强激光作用下，材料响应与光强呈非线性关系（如二次谐波产生 SHG、光学克尔效应等）。
- 方法：
- 微扰理论：计算分子或晶体的非线性极化率（如二阶极化率 β、三阶极化率 χ³）。
- 从头算方法：通过多体微扰或耦合簇理论（CC）计算高阶响应。
- 应用：光开关、激光频率转换器件、光信息处理。
4. 光散射与拉曼光谱
- 原理：光与物质相互作用时因极化率变化产生散射，拉曼光谱对应分子振动引起的非弹性散射。
- 方法：
- 密度泛函微扰理论（DFPT）：计算晶格振动模式及其对应的拉曼活性。
- 分子极化率导数计算：通过量子化学方法获取振动模式与极化率变化的耦合。
- 应用：材料结构表征、生物分子动态监测。
关键工具与软件
软件 / 工具 | 功能 | 适用场景 |
|---|
VASP | 基于平面波 DFT 的周期性体系计算，支持 TD-DFT 和 DFPT | 固体、半导体、纳米材料 |
Gaussian | 分子量子化学计算，支持 TD-DFT、CCSD 等方法计算光谱 | 小分子、团簇、溶液体系 |
Lumerical FDTD | 有限时域差分法（FDTD）模拟光的传播、散射和纳米结构光学特性 | 光子器件、纳米光学结构 |
Yambo | 多体微扰理论（GW、BSE）计算激发态和光学响应 | 半导体、绝缘体的准粒子激发 |
COMSOL Multiphysics | 电磁仿真模块模拟光 - 物质相互作用，支持波动光学与射线光学 | 复杂光学系统设计 |
应用场景
- 1.新能源领域：
- 设计高效太阳能电池（如有机 - 无机杂化钙钛矿）的吸光层，通过模拟优化带隙与光吸收匹配度。
- 2.光电子器件：
- 预测发光二极管（LED）材料的发射波长与量子效率，指导新型荧光分子（如 OLED 材料）开发。
- 3.纳米光学：
- 模拟金属纳米颗粒的表面等离子体共振（SPR）特性，用于传感器或光热治疗设计。
- 4.量子材料：
- 研究二维材料（如石墨烯、MoS₂）的激子效应和谷间光学跃迁，探索量子光学器件应用。
挑战与发展趋势
- 挑战：
- 复杂体系（如溶液、固态缺陷）的精确模拟需平衡计算成本与精度。
- 动态过程（如光诱导相变、载流子输运）的实时模拟仍具难度。
- 趋势：
- 机器学习与计算加速：利用神经网络预测光学性质（如吸收光谱），减少量子化学计算耗时。
- 多尺度模拟：结合量子力学（QM）与分子动力学（MD）或连续介质模型，模拟从原子到宏观尺度的光学行为。
- 实验 - 理论协同：通过高分辨光谱实验数据校准模拟参数，提升预测可靠性。
光学性质模拟正从单一体系研究向复杂功能材料设计演进，成为连接基础科学与工程应用的关键桥梁。
