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上海光機(jī)所提出描述非晶氧化硅結(jié)構(gòu)及其激光損傷誘導(dǎo)沖擊動(dòng)力學(xué)過程的新方法 非晶氧化硅是高功率激光系統(tǒng)元器件中應(yīng)用最普遍的光學(xué)材料，以窗口、襯底、薄膜等形式控制激光能量的傳輸。高功率激光輻照下，非晶氧化硅材料中的納米吸收中心沉積激光能量并伴隨帶隙坍縮，形成局部高溫高壓驅(qū)動(dòng)沖擊波傳輸?shù)葟?fù)雜流體動(dòng)力學(xué)過程，誘導(dǎo)致密相變與拓?fù)淙毕荩瑢?duì)激光元器件的災(zāi)難性損傷與疲勞效應(yīng)有著本質(zhì)影響。盡管目前已有多種力場(chǎng)可以準(zhǔn)確描述非晶氧化硅結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)計(jì)算氧化硅離子鍵貢獻(xiàn)的長程庫倫作用方法（Ewald求和）依賴于周期邊界條件，仿真流體動(dòng)力學(xué)過程所需的開放邊界時(shí)計(jì)算量巨大。此外，傳統(tǒng)計(jì)算氧化硅共價(jià)鍵貢獻(xiàn)的Buckingham方法存在近程無物理意義的原子凝聚，高溫高壓所驅(qū)動(dòng)的沖擊負(fù)載下，硅氧原子存在較大的概率越過近程能壘形成上述原子凝聚現(xiàn)象。 為解決上述難題，研究人員采用MOF模型描述氧化硅共價(jià)鍵作用，在Buckingham方法的基礎(chǔ)上引入Grimme修正，消除近程無物理意義的原子凝聚使用球狀高斯電荷分布屏蔽離子電荷長程作用，避免了周期邊界條件的要求，優(yōu)化出一組可以準(zhǔn)確描述非晶氧化硅結(jié)構(gòu)拓?fù)湫蚣皼_擊Hugoniostat狀態(tài)方程的力場(chǎng)參數(shù)。以24000個(gè)原子所組成的非晶氧化硅結(jié)構(gòu)為例，靜態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與沖擊Hugoniostat狀態(tài)方程的效率可以從5.2ns/day提升至33.5ns/day。周期邊界條件的去除意味著該力場(chǎng)模型可以有效描述光學(xué)元件界面/表面/裂紋等自由面的激光損傷誘導(dǎo)流體動(dòng)力學(xué)行為。鑒于流體動(dòng)力學(xué)過程同高壓相與拓?fù)淙毕葜g的密切聯(lián)系，這項(xiàng)工作對(duì)激光元器件的壽命與修復(fù)具有重要的科學(xué)意義。  圖1.氧化硅相互作用勢(shì)（實(shí)線為本文方法，虛線為傳統(tǒng)方法）  圖2.沖擊壓強(qiáng)對(duì)（a）壓縮比（b）HEL以下的壓縮比（c）配位數(shù)（d）環(huán)尺寸的影響 相關(guān)研究得到了上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃、中科院青促會(huì)、國家自然科學(xué)基金的支持。 |
