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高温高压是国防军工领域常常面对的环境条件，在地球物理等研究领域也经常涉及。由于具有较高的熔点、硬度和特殊的光学性质，蓝宝石在高温高压物理研究领域常被用作光学窗口材料，其在相应环境下的光学性质直接决定实验信号分析的可靠性和精度，但目前这方面研究仍存在局限和分歧：第一，蓝宝石在何种强度的冲击压缩下会出现光学不透明的现象并没有较为统一的认识，其作为冲击实验光学窗口的应用范围尚不明确；第二，单轴应力作用下蓝宝石的光学性质研究尚不充分——根据流体近似理论，冲击压缩实验中对样品施加的是一维应力，对相关过程如果采用静水压下的蓝宝石折射率对实验信号进行分析，由于物理条件并不相同，可能会带来一定误差。针对以上问题，本文基于第一性原理计算和以蓝宝石为窗口的预加热冲击实验，对蓝宝石窗口在高温高压下的性质进行探究，同时对下一阶段研究中的样品性质进行理论计算，为后续实验研究中蓝宝石窗口的性质分析提供基础数据和理论依据。本文的具体研究工作和取得的新认识包括：
(1)运用第一性原理对八个晶向的蓝宝石进行了单轴加压模拟。模拟结果显示单轴应力条件下的蓝宝石与静水压下蓝宝石的禁带宽度具有显著差别；此外，本文通过模拟计算得到了八个不同晶向的蓝宝石在单轴应力下的光学性质，发现0-130GPa压力条件下a、m晶向的蓝宝石也有作为动高压实验窗口材料的潜力。
(2)初始高温下的蓝宝石光学性质研究。利用本研究组搭建的预加热冲击实验系统和基于此系统开发的实验技术，以蓝宝石为光学窗口，测量了一种Fe-Si合金在预加热温度~1100℃下进行冲击压缩实验的样品/窗口界面速度历史，获得了清晰的界面速度剖面；通过对冲击压缩过程中关键时刻的计算结果与实验中速度历史信号进行对比，认为在~1100℃预加热温度下、80-200GPa冲击压力范围内蓝宝石具有良好的透明性。通过对比本文计算的折射率与文献中通过实验测得的蓝宝石折射率对实验信号的修正结果发现，两者修正后的信号具有较好的一致性。
(3)蓝宝石光学性质实验中的样品性质计算。为了对蓝宝石在高温高压环境下光学性质的进一步研究和应用环境的进一步拓展，采用SQS方法模拟了具有无序性的Fe-Ni合金样品，基于第一性原理对其性质进行了计算，得到不同Ni含量下的Fe-Ni合金在0-400GPa下的弹性常数和声速，相关结果为后续蓝宝石光学性质的实验研究提供了参数储备。
基于以上研究，对高温高压下蓝宝石的性质有了新的认识，而对Fe-Ni无序合金样品的计算为后续高温高压环境下的蓝宝石光学性质的进一步研究提供了基础数据。
(1)运用第一性原理对八个晶向的蓝宝石进行了单轴加压模拟。模拟结果显示单轴应力条件下的蓝宝石与静水压下蓝宝石的禁带宽度具有显著差别；此外，本文通过模拟计算得到了八个不同晶向的蓝宝石在单轴应力下的光学性质，发现0-130GPa压力条件下a、m晶向的蓝宝石也有作为动高压实验窗口材料的潜力。
(2)初始高温下的蓝宝石光学性质研究。利用本研究组搭建的预加热冲击实验系统和基于此系统开发的实验技术，以蓝宝石为光学窗口，测量了一种Fe-Si合金在预加热温度~1100℃下进行冲击压缩实验的样品/窗口界面速度历史，获得了清晰的界面速度剖面；通过对冲击压缩过程中关键时刻的计算结果与实验中速度历史信号进行对比，认为在~1100℃预加热温度下、80-200GPa冲击压力范围内蓝宝石具有良好的透明性。通过对比本文计算的折射率与文献中通过实验测得的蓝宝石折射率对实验信号的修正结果发现，两者修正后的信号具有较好的一致性。
(3)蓝宝石光学性质实验中的样品性质计算。为了对蓝宝石在高温高压环境下光学性质的进一步研究和应用环境的进一步拓展，采用SQS方法模拟了具有无序性的Fe-Ni合金样品，基于第一性原理对其性质进行了计算，得到不同Ni含量下的Fe-Ni合金在0-400GPa下的弹性常数和声速，相关结果为后续蓝宝石光学性质的实验研究提供了参数储备。
基于以上研究，对高温高压下蓝宝石的性质有了新的认识，而对Fe-Ni无序合金样品的计算为后续高温高压环境下的蓝宝石光学性质的进一步研究提供了基础数据。