激光诱导熔石英光学元件损伤的第一性原理研究

Inertial confinement fusion (ICF) will be one of the most effective solutions for future world energy demands. The ability of optical components to endure high energy laser is a key factor for the success of last laser ignition. Many experiments have been employed to improve the ability of optical components to endure high energy laser. However, it is difficult to produce pure optical components without any impurities and defects. It is essential to investigate the reasons effecting the ability of optical components to endure high energy laser fundamentally. In this project, the respond of fused silica micro-structure to incident laser will be studied by first-principle calculation during interaction of laser and fused silica. The effect of laser parameters on the mechanical and electromagnetic properties of fused silica will be investigated. Also as the impurities and defect appearing in fused silica, the microscopic structures, the mechanical, electronic and electromagnetic properties will be studied. According the investigation, the reasons to induce the fused silica damage will be revealed fundamentally. The research of this project is helpful for the improvement of optical components to endure high high energy laser.

惯性约束聚变有望成为解决未来世界能源需求问题的最有效途径之一。光学元件的负载能力对惯性约束聚变的研究至关重要，因此，实验上对光学元件的抗损伤能力已经进行了较详细的研究，但要制备出完全纯净、毫无缺陷杂质的光学元件并非易事，因此从根源上探究影响光学元件的抗损伤能力的原因以及提高元件抗损伤能力的途径非常必要。本项目通过第一性原理计算在原子尺度研究激光与光学元件相互作用过程中，熔石英微观结构对激光的响应行为，讨论不同激光辐照条件下其力学性能和电磁性能的变化规律，深入认识激光辐照对熔石英材料微观结构以及性能的影响；并研究熔石英材料含有不同点缺陷和杂质时，激光辐照对熔石英结构以及力学与电磁性能的影响，从微观层面揭示熔石英元件损伤的主要诱导因素。通过本项目的研究为工程上提高光学元件的抗激光损伤能力提供理论依据。

计算模拟了激光与光学元件相互作用的动力学过程，探讨了熔石英对激光的响应行为。基于二氧化硅晶体结构，参照实验过程，建立了结构参数和实验数据吻合很好的非晶熔石英结构；建立了熔石英材料的激光吸收模型，将激光能量转化为熔石英原子动能和势能，由于氧原子较硅原子更容易获得光子能量, 故假设光子能量全部转化为氧原子动能；研究了激光辐照对熔石英结构的影响，发现掺杂金属后，辐照后熔石英的结构变化比纯熔融石英更加剧烈和复杂，铁掺杂对熔融石英结构的影响比铈和铝掺杂情况时更大，另外还讨论了熔石英点缺陷形成，成功模拟了Si-O键的断裂过程。研究了激光辐照对熔石英电子性质的影响，发现经激光辐照吸收能量后, 含杂质熔石英体系的禁带能级随着吸收能量的增加带隙趋向变窄，而当吸收能量增加到一定数量后，带隙中的缺陷能级数目也会发生变化，即含金属杂质会明显导致激光损伤，辐照后含Fe的熔石英带隙小于含Al和Ce的情况，这使得熔融石英掺杂的Fe在辐照后具有更强的激光吸收能力；研究了激光辐照对熔石英力学性能和电学性能的影响，研究发现辐照后熔石英的剪切模量、体模量、杨氏模量会减小，泊松比会增大，即熔石英的辐照后熔石英的刚性和硬度变小，而Ce和Fe掺杂都会引起熔石英介电常数虚部的显著变化。研究过程中从电子层面分析了熔石英元件损伤的主要诱导因素。