公开/公告号CN114974467A
专利类型发明专利
公开/公告日2022-08-30
原文格式PDF
申请/专利权人 电子科技大学长三角研究院（湖州）;
申请/专利号CN202210203504.8
申请日2022-03-02
分类号G16C60/00(2019.01);G16C10/00(2019.01);G16C20/30(2019.01);
代理机构北京金智普华知识产权代理有限公司 11401;
代理人郭美
地址 313000 浙江省湖州市西塞山路819号南太湖科技创新综合体B2幢8层
入库时间 2023-06-19 16:34:57
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-09-16
实质审查的生效 IPC(主分类):G16C60/00 专利申请号:2022102035048 申请日:20220302
实质审查的生效
技术领域：
本发明涉及强激光诱导光学材料损伤技术领域，具体是一种不同氧硅比例对熔石英非晶结构模型的激光损伤阈值的评估方法。
背景技术：
熔石英光学元件由于其高稳定性，极低的紫外吸收和较高的固有损伤阈值被广泛应用于National Ignition Facility和Laser Megajoule等高功率激光系统中。在355nm高能量紫外激光的照射之下，点火装置中的熔石英透镜，极其容易发生明显的激光损伤，进而降低元件的激光损伤阈值，对装置的稳定运行造成极大的负面影响。近年来，由于采用了改进的制造工艺和全光学策略，激光损伤阈值由9.77j/cm2提高到19.2j/cm2。该阈值但仍远低于熔石英的固有阈值(约150j/cm2)。目前依靠光学探测手段，镜片表面很难发现纳米级的杂质颗粒，但在微观尺度上的分子结构变化所导致的氧硅比例下降却可以对激光产生明显吸收。
目前，惯性约束聚变系统中的熔石英镜片大多是在紫外激光进行低注量、多发数的辐照。在辐照过程中，熔石英镜片表面会由于辐照而产生冲击波和离子喷溅，导致表面的氧硅比例产生变化。研究人员在尝试利用紫外激光脉冲修复镜片表面时，就发现镜片表面的氧硅比例随着脉冲次数增加而下降(从 2.0下降至1.4)。在实验方面，由于实验手段的局限，表面产生的局部低氧硅比例情况与熔石英的紫外吸收之间的关系并不清楚。而在理论计算方面，目前并未有人针对该情况进行理论研究。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决现有问题，而提供一种不同氧硅比例对熔石英非晶结构模型的激光损伤阈值的评估方法。
本发明的技术解决措施如下：
一种不同氧硅比例对熔石英非晶结构模型的激光损伤阈值的评估方法，包含以下步骤：
S1、生成无缺陷熔石英非晶结构：采用Bond Switch Monte Carlo(BSMC) 方法可利用初始的晶体原子结构来生成相应的随机网络结构，达到生成非晶结构的目的。通过调整BSMC方法中所采用的原子间相互作用的势函数和其他相应参数，对原始的二氧化硅晶体结构进行升温退火操作，生成初始的无缺陷熔石英非晶结构。之后利用第一性原理计算方法对该初始结构进行充分优化，优化至能量达到指定收敛标准后，获得稳定的无缺陷熔石英非晶结构；
S2、生成多种氧硅比例的熔石英非晶结构：首先在稳定的无缺陷熔石英非晶结构去除氧原子，从而生成不同氧硅比例的熔石英非晶结构。之后利用第一性原理计算方法对这些结构进行充分优化，优化至能量达到指定收敛标准后，获得稳定的多种氧硅比例的熔石英非晶结构；
S3、评估不同氧硅比例对熔石英的激光损伤阈值的影响：(1)利用第一性原理计算方法，获得不同氧硅比例的熔石英非晶结构的电子性质。(2)对不同氧硅比例的熔石英非晶结构的结构参数进行统计计算。(3)最后结合多体理论和激子效应，模拟计算出这些非晶结构的光学性质。(4)以这些计算获得的信息为基础，结合激光与固体材料相互作用的场损伤和热损伤理论，判断不同氧硅比例对熔石英的激光损伤阈值的影响。
作为优选，所述S1中的其他相应参数包括模拟熔石英生成的初末温度Tb (5500K)和Te(300K)、能量收敛标准E(0.001eV)、退火步骤步数Pt(3000)、结构密度D(2.2g/cm3)
作为优选，所述S1中原始的二氧化硅晶体结构的氧硅比例为2：1。
作为优选，所述S1和S2中的指定收敛标准均为能量之差小于1x10
作为优选，所述S2中去除氧原子的数量为原有氧原子数量的0％-30％，所述S2中的不同氧硅比例在2：1-1.4：1之间。
作为优选，所述S3中的电子性质包括但不仅限于能带间隙、电荷密度和电子态密度。
作为优选，所述S3中的结构参数包括但不仅限于键角分布、径向分布函数和原子配位数。
作为优选，所述S3中的光学性质包括但不仅限于介电函数、吸收系数、折射率和反射率。
本发明的有益效果在于：针对目前激光聚变工程以及光电对抗领域中，急切了解诱导激光损伤以及降低光学材料损伤阈值与氧硅比例下降之间的联系的需求，本发明结合多种模拟手段与理论，提出了该方法。本方法可以结合相关课题，有效地对多种氧硅比例对激光损伤阈值影响进行分析与评估，从而找出关键损伤氧硅比例。
除此之外，本方法可以适应于实验中所应用的其他光学材料，如多孔隙化学膜。
本发明的应用范围广泛，模拟结果与实验基本吻合，体现了较高的适应性与准确性。
附图说明：
图1为本发明技术路线图
图2为实施例一熔石英材料不同氧硅比情况下的网络结构；
图3为实施例一不同氧硅比例下，Si-O键和O-O键的径向分布函数(其中图a为Si-O，图b为O-O)；
图4为实施例一不同氧硅比例下，熔石英非晶结构的电子态密度；
图5为实施例一不同氧硅比例下，熔石英非晶结构的吸收光谱；
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种不同氧硅比例对熔石英非晶结构模型的激光损伤阈值的评估方法，包含以下步骤：
S1、生成无缺陷熔石英非晶结构：采用Bond Switch Monte Carlo(BSMC) 方法可利用初始的晶体原子结构来生成相应的随机网络结构，达到生成非晶结构的目的。通过调整BSMC方法中所采用的原子间相互作用的势函数和其他相应参数，对原始的二氧化硅晶体结构进行升温退火操作，生成初始的无缺陷熔石英非晶结构。之后利用第一性原理计算方法对该初始结构进行充分优化，优化至能量达到指定收敛标准后，获得稳定的无缺陷熔石英非晶结构；
S2、生成多种氧硅比例的熔石英非晶结构：首先在稳定的无缺陷熔石英非晶结构去除氧原子，从而生成不同氧硅比例的熔石英非晶结构。之后利用第一性原理计算方法对这些结构进行充分优化，优化至能量达到指定收敛标准后，获得稳定的多种氧硅比例的熔石英非晶结构；
S3、评估不同氧硅比例对熔石英的激光损伤阈值的影响：(1)利用第一性原理计算方法，获得不同氧硅比例的熔石英非晶结构的电子性质。(2)对不同氧硅比例的熔石英非晶结构的结构参数进行统计计算。(3)最后结合多体理论和激子效应，模拟计算出这些非晶结构的光学性质。(4)以这些计算获得的信息为基础，结合激光与固体材料相互作用的场损伤和热损伤理论，判断不同氧硅比例对熔石英的激光损伤阈值的影响。
具体地，所述S1中的其他相应参数包括模拟熔石英生成的初末温度Tb (5500K)和Te(300K)、能量收敛标准E(0.001eV)、退火步骤步数Pt(3000)、结构密度D(2.2g/cm3)
具体地，所述S1中原始的二氧化硅晶体结构的氧硅比例为2：1。
具体地，所述S1和S2中的指定收敛标准均为能量之差小于1x10
具体地，所述S2中去除氧原子的数量为原有氧原子数量的0％-30％，所述 S2中的不同氧硅比例在2：1-1.4：1之间。
具体地，所述S3中的电子性质包括但不仅限于能带间隙、电荷密度和电子态密度。
具体地，所述S3中的结构参数包括但不仅限于键角分布、径向分布函数和原子配位数。
具体地，所述S3中的光学性质包括但不仅限于介电函数、吸收系数、折射率和反射率。
实施例1
对不同氧硅比例的熔石英非晶模型进行模拟，分析氧硅比例下降对熔石英损伤阈值的影响。首先基于BSMC方法和第一性原理计算方法构建了氧硅比例RO-Si在2：1至1.6：1的熔石英非晶模型，模型如图2所示。随后利用多种计算方法对熔石英非晶模型的电子性质、结构参数、光学性质进行了计算。图4展示的是不同氧硅比例下的熔石英态密度。从图中可以看出，当氧硅比例为2：1时，结构的能带间隙为9eV左右。随着氧硅比例的下降，结构的能带间隙出现了下降的情况。图3为不同氧硅比例下，Si-O键和O-O键的径向分布函数。图中，Si-O键和O-O键的第一峰位置并没有随着氧硅比例的下降产生明显移动，表明：氧硅比例的下降不会影响熔石英表面Si-O键和O-O 键的分布。图5展示的为不同硅氧比例下熔石英表面的吸收光谱。当氧硅比例为2：1时，熔石英的主吸收边位于9eV左右，与无缺陷熔石英的能带间隙吻合。这是因为吸收边主要来源于价带底部到倒带顶部的带间跃迁。当熔石英的氧硅比例出现下降时，主吸收边的位置也出现了红移的现象。这一现象来源于氧硅比例下降所导致的能带间隙缩小。与此同时，从图5中还可以看到，当氧硅比例下降至1.75：1时，吸收光谱中在3.5eV的位置出现了一个明显的吸收峰，这一结果表明在氧硅比例为1.75：1时，熔石英产生了对355nm 紫外激光的吸收(355nm紫外激光的光子能量为3.5eV)。而且，随着氧硅比例的进一步下降，位于3.5eV附近的吸收峰出现了逐渐增强的现象。但是当吸收强度达到一定数值后，氧硅比例的下降不再会大幅度提升吸收峰强度，出现收敛的现象。而类似的结果在实验中也被发现，利用激光装置在不同真空度下对熔石英样品进行了R on 1方式的损伤阈值对比测试，测试结果显示，熔石英镜片的损伤阈值随着激光辐照发次的增加，不同真空度损伤阈值测试结果均出现显著下降，并且逐渐收敛到某一阈值。
以上所述只是用于理解本发明的方法和核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利的保护范围。
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