(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111548578.7 (22)申请日 2021.12.17 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114018984 A (43)申请公布日 2022.02.08 (73)专利权人 电子科技大 学 地址 611731 四川省成 都市高新区 （西区） 西源大道 2006号 (72)发明人 李莉　向霞　祖小涛　 (74)专利代理 机构 成都正煜知识产权代理事务 所(普通合伙) 51312 专利代理师 徐金琼 (51)Int.Cl. G01N 25/72(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (56)对比文件 CN 10286 6163 A,2013.01.09 CN 113087413 A,2021.07.09WO 98070 53 A2,1998.02.19 徐世珍等.基频和三 倍频Nd:YAG激光 诱导熔 石英损伤特性. 《强激光与粒子束》 .20 08,(第07 期), 翟玲玲等.杂质诱 导熔石英 激光的损伤机 理. 《强激光与粒子束》 .2013,(第1 1期), 赵哲臻.含杂质熔石英的激光辐照效应第一 性原理计算. 《万方数据知识服 务平台》 .2021, Feng, QY等.Ef fects of impurities (F e, Ce, Cu, Ca) o n electro nic and optical properties i n fused si lica: A first- principles calculati on. 《TWELFTH INTERNATIONAL CONFERENC E ON INFORMATION OPTICS AND PHOTON ICS》 .2021, Feng, QY等.Ab i nitio molecular dynamics simulati on of the ef fect of impurities o n laser-i nduced dama ge of fused si lica. 《PHYSICA B- CONDENSED MATTER》 .2018,第545卷 审查员 魏珊珊 (54)发明名称 基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检 测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于第一性原理有关熔 石英激光损伤的检测方法， 属于光学材料表面损 伤检测技术领域， 解决现有技术无法从电子层面 解释含杂质的熔石英元件激光损伤情况， 从而无 法评估含杂质的熔石英元件的使用寿命的问题。 本发明基于第一原理建立纯熔石英结构模型和 含杂质的熔石英结构模型； 基于第一原理、 纯熔 石英结构模型和含杂质的熔石英结构模型计算 其电子信息； 对含杂质的熔石英结构模型进行激 光辐照模拟， 模拟后再次基于第一原理计算含杂 质的熔石英结构模型的电子信息； 基于第一原理 计算激光辐照前后含杂质的熔石英结构模型的 宏观热物 性参数， 最后对含杂质的熔石英进行激光损伤判断。 本发明用于熔石英激光损伤的检 测。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 114018984 B 2022.07.26 CN 114018984 B 1.一种基于第一 性原理有关熔石英 激光损伤的检测方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 基于第一 性原理建立纯 熔石英结构模型和含杂质的熔石英结构模型； S2、 基于第一 性原理、 纯 熔石英结构模型和含杂质的熔石英结构模型计算 其电子信息； S3、 对含杂质的熔石英结构模型进行激光辐照模拟， 模拟后再次基于第一性原理计算 含杂质的熔石英结构模型的电子信息； S4、 基于第一 性原理计算含杂质的熔石英结构模型的宏观热物性 参数； S5、 基于步骤S2 ‑S4得到的结果和纯熔石英的密度对含杂质的熔石英进行激光损伤判 断; 所述步骤S4基于第一性原 理计算出含杂质的熔石英的宏观热物性参数， 宏观热物性参 数包括激光辐照前或辐照 后的形成能、 激光辐照 后的温度和激光辐照 后的密度； S4.1、 形成能 形成能表示的是由单质结合为化合物所需要的能量， 形成能越大， 化合物越稳定， 形成 能公式如下： 表示激光辐照前或辐照后含杂质的熔石英结构模型的总能量， 、 和 分别代表 原子、 原子和杂质原子的个数， 是激光辐照前或辐照后含杂质的熔石英结构模型中的原 子总数， 是 晶体中每个 原子的能量， 是氧气分子中平均每个原子的能量， 是杂质 晶体中每 个杂质原子的能量; S4.2、 温度 由步骤S4自洽计算或非自洽计算得到的结果 直接读出， 即读出激光辐照 后的温度； S4.3、 密度 激光辐照后的含杂质的熔石英结构的密度根据其的质量 和体积 进行计算， 计算 公式 为： ； 所述步骤S5的具体步骤为： 若步骤S3得到的含杂质的熔石英结构模型的态密度分布中的带隙宽度比步骤S2得到 的含杂质的熔石英结构模型的态密度分布中的带隙宽度明显变窄， 即表示在强烈的激光辐 照和杂质原子的影响下导致含杂质的熔石英结构模型从绝缘体向半导体， 甚至于导体转 变， 导致材料物理性能改变， 则判断含杂质的熔石英为损伤， 否则， 判断含杂质的熔石英为 未损伤； 基于材料的形成能越大， 化合物越稳定的原理， 将步骤S4中计算出来的含杂质的熔石 英结构模型在激光辐照下的形成能 与无辐照条件下的形成能 进行对照， 若 明显 小于 ， 说明在激光辐照和杂质原子的影响下， 材料稳定性明显降低， 判断含杂质的熔石 英为损伤， 否则， 判断含杂质的熔石英为未损伤； 若步骤S4得到的辐照后的温度等于或大于步骤S2得到的纯熔石英的温度， 则含杂质的 熔石英发生熔融现象， 其光学性能将发生变化， 无法提供良好的光束质量， 判断含杂质的熔 石英为损伤， 否则， 判断含杂质的熔石英为未损伤；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114018984 B 2若S4步骤计算所得的辐照后的密度与纯熔石英无辐照 时的密度相差正负百分之五十 以上， 则含杂质的熔石英的结构稳定性变差或者由于熔融过程的影响产生致密化， 其光学 性能也发生了变化， 无法提供良好的光束质量， 判断含杂质的熔石英为损伤， 否则， 判断含 杂质的熔石英未损伤。 2.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法， 其特 征在于， 所述步骤S1 中含杂质的熔石英结构模型包括含铁杂质的熔石英结构模 型和含铝杂 质的熔石英结构模型。 3.根据权利要求2所述的一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S1的具体步骤为： S1.1、 基于石英晶体超胞和蒙特卡洛算法的  BSMC 程序生成用于第一性原理计算所需 要的纯熔石英结构模型； S1.2、 统计纯熔石英结构模型的键长键角分布， 基于键长键角分布与给定的实验数据 对比判断所建立的纯熔石英结构模型是否合理， 若合理， 转到步骤S1.3,否则， 重新生成 BSMC 程序所用的随机数， 再 执行步骤S1.1； S1.3、 基于构建纯熔石英结构模型过程中得到的熔石英非晶结构模型和间隙掺杂方法 生成含铁杂质的熔石英结构模型和含铝杂质的熔石英结构模型。 4.根据权利要求3所述的一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S1.1的具体步骤为： 基于石英晶体超胞和蒙特卡洛算法的  BSMC 程序熔石英模拟制造加热和退火过程生 成熔石英非晶结构模型； 再利用VASP软件对熔石英非晶结构模型进行第一性原理的结构优化得到纯熔石英结 构模型。 5.根据权利要求4所述的一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S1.3的具体步骤为： 采用间隙掺杂方法将一个杂质原子放于熔石英非晶结构模型的硅环中心处， 得到含杂 质的熔石英非晶结构模型； 放置好后， 再利用VASP软件对含杂质的熔石英非晶结构模型进行第一性原理的结构优 化， 直至收敛， 即得到含杂质的熔石英结构模型。 6.根据权利要求4所述的一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法， 其特 征在于： 所述 步骤S2的具体步骤为： 使用以量子力学密度泛函近似为基础的第一性原理的计算软件  VASP， 分别对纯熔石 英结构模型和含杂质熔石英结构模型进行自洽计算， 计算后得到对应模型的微观结构参数 和稳定的体系结构、 电子波函数和温度， 其中， 微观结构参数包括键 长键角和配位数； 再基于第一性原理的计算软件  VASP和电子波函数进行非自洽计算后， 得到对应模型 的电子信息、 微观结构参数、 光学性质和温度， 其中， 电子信息包括态密度和能带 结构。 7.根据权利要求4所述的一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法， 其特 征在于： 所述步骤S3利用  VASP 软件自带的从头算分子动力学程序对 纯熔石英非晶结构模 型和含杂质的熔石英结构模型进行激光辐照的分子动力学模拟， 辐照模拟后， 基于第一性 原理的计算软件V ASP依次对含杂质的熔石英结构模型进行自洽计算和非自洽计算。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114018984 B 3