激光原理论文提纲

论文题目：含杂质熔石英的激光辐照效应第一性原理计算

摘要：熔石英（Fused Silica）作为高功率激光系统中最常见的光学元件,广泛应用于惯性约束聚变的大型激光装置中。然而高频的激光辐照会导致熔石英材料产生致密、裂纹、喷射、熔化和坑洞等多种激光诱导损伤。而激光损伤会使材料的透光性能严重下降,并使光学元件的使用寿命大幅度降低,严重制约着可控核聚变的研发。故而研究分析导致熔石英激光辐照光损伤的原因,并想办法提高熔石英元件的抗激光损伤阈值就变得至关重要。熔石英元件的激光诱导损伤主要由元件制备过程中产生的机械破碎性结构缺陷和渗入的各类杂质造成,而实验已经证明抛光是应对机械破碎性结构缺陷的有效方法,不过在抛光的过程中也会导致以铁元素为代表的金属杂质进入熔石英。近些年研究人员通过实验发现酸洗与蚀刻可以使熔石英表面和亚表面的杂质含量显著下降。然而剩余杂质的去除变的愈加困难。故研究剩余杂质对熔石英激光损伤阈值的影响就变得愈加重要。铁杂质和铝杂质都是熔石英非晶材料中广泛存在的两种代表性杂质,在熔石英元件的生产加工中往往不可避免的渗入,并且是引起熔石英激光损伤阈值降低的重要原因。因此,研宄含此类金属杂质熔石英的激光损伤机制,对提升熔石英激光透射光学元件的工作寿命具有非常重要的意义。而关于含杂质熔石英的电子性质在激光辐照下的变化的研究还比较缺乏。因此本论文以量子力学密度泛函近似理论为基础,采用第一性原理结合平面波赝势方法,研究了铁（Fe）杂质和铝（Al）杂质对熔融石英非晶结构的激光损伤的影响。具体工作包括:1)纯熔石英结构体模型、含铁杂质熔石英结构模型及含铝杂质结构模型的构建。利用基于蒙特卡洛算法的BSMC程序构键熔石英体模型,统计模型键长,键角分布以判断结构的合理性。并在此基础上采用间隙掺杂构建含铁杂质熔石英及含铝杂质熔石英的结构模型。2)分析含铁杂质熔石英及含铝杂质熔石英的微观结构及电子性质。统计掺杂后熔石英键长键角分布,与掺杂前比较。分别计算纯熔石英、含铁杂质熔石英及含铝杂质熔石英的电子态密度,并分析掺杂前后态密度的变化情况。3)利用VASP软件从头算分子动力学模块,模拟激光辐照吸收光子能量后熔石英的弛豫过程。分析含铁杂质熔石英及含铝杂质熔石英模型经模拟辐照前后的微观结构及电子结构变化,探讨铁原子对激光辐照下熔石英致密的影响。研究含杂质熔石英电子能级在吸收能量前后（辐照）所发生的变化,如带隙变窄,吸收峰位置移动等。

关键词：熔石英;铁杂质;铝杂质;激光辐照;分子动力学模拟;第一性原理计算

学科专业：物理学

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 关于熔石英性质的国内外研究历史与现状

1.3 本论文的研究意义

1.4 本论文的结构安排

第二章 理论基础

2.1 量子力学基础

2.1.1 态叠加原理

2.1.2 薛定谔方程

2.2 第一性原理计算概述

2.2.1 第一性原理计算主要研究内容

2.2.2 第一性原理计算的步骤

2.3 密度泛函理论简介

2.3.1 绝热近似(Born-Oppenheimer近似)与Hartree-Fock近似

2.3.2 Honenberg-Kohn定理与Kohn-Sham方程

2.3.3 LDA与GGA

2.3.4 赝势

2.4 分子动力学模拟

2.4.1 经典分子动力学模拟

2.4.2 从头算分子动力学模拟

2.5 激光辐照效应

2.6 相关计算软件介绍

2.7 本章小结

第三章 纯熔石英及含杂质熔石英微观结构模型

3.1 纯熔石英非晶结构模型构造

3.1.1 构造石英超胞模型

3.1.2 BSMC(Bond Switch of Monte Carlo)程序

3.1.3 结构优化

3.2 熔石英模型合理性的统计分析

3.3 含铁杂质熔石英模型构造

3.4 含铝杂质熔石英模型构造

3.5 本章小结

第四章 金属杂质对熔石英微观结构和电子性质的影响

4.1 微观结构分析

4.1.1 铁掺杂熔石英模型微观结构分析

4.1.2 铝掺杂熔石英模型微观结构分析

4.2 结合能分析

4.3 电子态密度分析

4.3.1 纯熔石英电子态密度

4.3.2 掺杂铝杂质熔石英电子态密度

4.3.3 掺杂铁杂质熔石英电子态密度

4.4 本章小结

第五章 激光辐照对含杂质熔石英微观结构和电子性质的影响

5.1 熔石英激光辐照效应

5.2 熔石英激光辐照的分子动力学模拟

5.3 模拟辐照前后含杂质熔石英性质的变化

5.3.1 微观结构的变化

5.3.2 电子性质的变化

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献