上海光機所提出描述非晶氧化硅結構及其激光損傷誘導沖擊動力學過程的新方法
近日，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室研究團隊提出的金屬-有機框架（Metal-Organic Framework，簡稱MOF）力場模型參數(shù)不僅可以準確描述非晶氧化硅結構，還能高效仿真非晶氧化硅在激光損傷沖擊所伴隨的流體動力學過程，相關成果以“Structure and shock properties of amorphous silica predicted by a metal-organic framework force field”為題發(fā)表于Optical Materials Express。
非晶氧化硅是高功率激光系統(tǒng)元器件中應用最普遍的光學材料，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)動沖擊波傳輸?shù)葟碗s流體動力學過程，誘導致密相變與拓撲缺陷，對激光元器件的災難性損傷與疲勞效應有著本質(zhì)影響。盡管目前已有多種力場可以準確描述非晶氧化硅結構，但傳統(tǒng)計算氧化硅離子鍵貢獻的長程庫倫作用方法（Ewald求和）依賴于周期邊界條件，仿真流體動力學過程所需的開放邊界時計算量巨大。此外，傳統(tǒng)計算氧化硅共價鍵貢獻的Buckingham方法存在近程無物理意義的原子凝聚，高溫高壓所驅(qū)動的沖擊負載下，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鍵作用，在Buckingham方法的基礎上引入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)化出一組可以準確描述非晶氧化硅結構拓撲序及沖擊Hugoniostat狀態(tài)方程的力場參數(shù)。以24000個原子所組成的非晶氧化硅結構為例，靜態(tài)結構優(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模型可以有效描述光學元件界面/表面/裂紋等自由面的激光損傷誘導流體動力學行為。鑒于流體動力學過程同高壓相與拓撲缺陷之間的密切聯(lián)系，這項工作對激光元器件的壽命與修復具有重要的科學意義。
相關研究得到了上海市科委科技創(chuàng)新行動、國家重點研發(fā)計劃、上海市青年科技英才揚帆計劃、中科院青促會、國家自然科學基金的支持。
圖1 氧化硅相互作用勢（實線為本文方法，虛線為傳統(tǒng)方法）
圖2 沖擊壓強對（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
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