CN114018984B - 基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法 - Google Patents

基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法
技术领域
一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法，用于熔石英激光损伤的检测，属于光学材料表面损伤检测技术领域。
背景技术
惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)被认为是未来解决人类能源问题的最有效方法之一。但是要实现这种惯性约束热核聚变反应，就必须满足两个基本的条件，第一个是极高的温度，第二个是能够人为的充分约束高温等离子体。其中，主流的一种方法就是激光惯性约束核聚变，是利用高频率激光作为驱动源，提供核聚变时的高强度能量。而实现激光惯性约束核聚变一个关键问题就是点火装置中的光学元件(一般为熔石英镜片和KDP晶体)如何承受连续的高能激光照射。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。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，系统也就无法实现正常通量的激光能量，严重制约着可控核聚变的研发。根据国内外研究表明：熔石英元件的激光诱导损伤主要是由元件制备过程中产生的本征结构缺陷和不可避免的杂质元素渗入造成。而实验已经证明抛光是应对结构缺陷的有效方法,能降低熔石英的损伤阈值。故对熔石英中的杂质的处理就变得至关重要。
针对存在于熔石英内部的各种杂质，研究人员已做了相当多的研究。通过实验发现在制备熔石英的原材料中，存在着种类繁多的杂质，主要的有害杂质为Al、Na、K、Li、Ca、Mg、Fe、Cr、Ni、Cu，这些杂质对熔石英表面和内表面的激光损伤阈值的影响也不尽相同。研究人员通过实验研究得出结论，相较于其他非金属杂质，盐类金属杂质对熔石英抗激光损伤影响的危害更大。不仅如此，在后续的镜片处理过程中还会引入新的杂质，而这些杂质的影响也十分复杂。其中，具有代表性的一类就是杂质铈(Ce)和铁(Fe)，铈常常以抛光剂(CeO2)的形式被应用于熔石英元件的打磨抛光过程中，在熔石英表面CeO2与水发生反应之后，会被引入到石英内部，而以铁为代表的盐类金属是引起熔石英激光损伤的重要原因，在生产加工中铝和铁都是最容易渗入熔石英内表面的金属杂质之一。因此，如何处理熔石英中的杂质就成为了人们必须面对的难题。近十年有大量的研究者一直在研究去除杂质的方法，最终通过实验结果证明酸洗与蚀刻是最为有效的两种去除杂质的办法。在熔石英元件工业生产加工中经过上述办法处理后，熔石英表面和亚表面的杂质含量明显下降，同时石英表面的整洁度与抗辐照能力都有大幅度提高。可是剩余微量杂质的去除将会变的更加困难，因此，对于残存的微量杂质所导致的熔石英光学元件的性质变化，特别是剩余杂质对于熔石英激光损伤的影响是近些年研究者所关注的重点。
这些年，科研人员对于熔石英元件在紫外激光辐照下的激光损伤机制有了进一步认识。熔石英在高频率激光作用下的主要光损伤机制是多光子电离或电子崩电离，而二者直接原因是熔石英电介质中导带电子数在激光辐照下急剧增加。对于熔石英光致电离效应国内外也进行了许多理论和实验研究。其中，Negress等人通过一种标定时间演化的显微观察系统，研究了熔石英元件在3倍频激光辐照下激光损伤的动态演化过程，发现因以三光子吸收为主的多光子吸收而产生的“电子－空穴对”是引发熔石英元件激光损伤的重要因素。而李春宏等人通过分析激光辐照前后熔石英元件的红外光电子能谱，发现紫外激光辐照可以引起熔石英的键长、键角分布发生变化。此外，Demos等人进行了探究在高通量紫外激光损伤过程中熔石英的缺陷形成机制的实验。然而，电子崩电离与多光子电离的微观机制依旧十分复杂，许多功能性光损伤的细节到目前为止仍然没有研究清楚。由于电离涉及材料的电子跃迁，想精确描述电离的微观机制就需要准确描述材料激发态，以及准确描述杂质元素对熔石英电离过程的影响，并且表征熔石英在电离中的结构演化过程。故迫切需要理论计算研究剩余杂质对激光辐照的影响情况，并对实验过程进行针对性的指导。
目前关于熔石英激光辐照损伤模拟计算的研究有两个较为重要的问题，第一个是适当的结构模型建立(各种含缺陷和杂质元素的熔石英微观结构模型)。而第二个则是激光与材料相互作用过程模型的建立。在目前相关计算研究中，研究熔石英团簇模型局部缺陷的吸收类型和吸收峰位置是主流方向。比如Pacchioni等人使用多参考配置交互方法计算了熔石英团簇中过氧键(peroxy linkage,POL)的电子的激发态跃迁能级。发现熔石英中过氧键缺陷的局部几何结构与过氧化氢(H2O2)类似。而Sulimov,Mukhopadhyay等人则分别计算了中性氧空位(neutraloxygen vacancy,NOV)缺陷和NOV缺陷的形成能与激光吸收能谱。
在实际研究中，研究者通常将材料吸收光子能量的过程简化为光子能量向体系原子的动能或势能转化。如WANG和XU等在用分子动力学方法研究熔石英薄膜的超短脉冲烧蚀效应中，用调整原子的电荷方式以模拟材料吸收光子能量引起的库伦势能的变化。又或者Wootton和Thomas等在用计算机模拟方法研究熔石英在激光辐照下的致密化时，用硅原子和氧原子获得动能并引起晶格扰动来模拟激光辐照过程中熔石英体系吸收光子能量。
综上所述，现有技术存在如下技术问题：
现有技术未能给出获取熔石英表面金属缺陷附近的熔石英的电子信息，以及基于第一性原理计算的熔石英局域宏观热力学物性参数，同时无法在电子层面用分子动力学的方法模拟激光与材料的相互作用过程来进行含杂质的熔石英损伤检测，即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。
发明内容
针对上述研究的问题，本发明的目的在于提供一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法，解决现有技术未能给出获取熔石英表面金属缺陷附近的熔石英的电子信息，以及基于第一性原理计算的熔石英局域宏观热力学物性参数，同时无法在电子层面用分子动力学的方法模拟激光与材料的相互作用过程来进行含杂质的熔石英损伤检测，即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。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法，包括如下步骤：
S1、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；
S2、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；
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。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，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VASP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。
进一步，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：
Figure BDA0003416531250000041
Etol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，m、n和k分别代表Si原子、O原子和杂质原子的个数，N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，ESi是Si晶体中每个Si原子的能量，EO是氧气分子中平均每个原子的能量，Ek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m和体积v进行计算，计算公式为：
Figure BDA0003416531250000051
进一步，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Ef2与无辐照条件下的形成能Ef1进行对照，若Ef2明显小于Ef1，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；
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。
本发明同现有技术相比，其有益效果表现在：
一、本发明提供了一种基于第一性原理仿真激光与含金属杂质熔石英相互作用过程，进而检测熔石英激光损伤，弥补了现有技术无法利用分子计算对熔石英激光损伤检测的短缺；
二、本发明无需昂贵的实验材料和完备的试验仪器和测试手段，可预测熔石英光学元件的损伤情况，为本领域试验提供方向指导，成为试验手段的有利补充。
附图说明
图1本发明流程示意图；
图2为本发明中含铁杂质的熔石英的微观结构图；
图3为本发明中辐照前后含铁杂质的熔石英的态密度图，其中，a:辐照前含Fe杂质熔石英DOS；b:3个氧原子吸收3个3倍频光子能量后DOS；c:5个氧原子吸收3个3倍频光子能量后DOS；d:8个氧原子吸收3个3倍频光子能量后DOS；e:10个氧原子吸收3个3倍频光子能量后DOS。黑线为TotalDOS，红线为Fe原子DOS，虚线代表0k下费米能级。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明公开了一种熔石英材料表面杂质激光损伤检测的第一性原理检测方法。目的在于提供一种从物理机理上检测评估熔石英表面杂质对熔石英激光损伤阈值影响的方法。本发明首先构建纯熔石英结构模型、含铁杂质的熔石英结构模型及含铝杂质的熔石英结构模型，利用第一性原理方法计算并对比纯熔石英和含杂质的熔石英的微观结构参数及电子结构参数(即指电子信息)。其次利用VASP软件从头算分子动力学模块，仿真计算激光辐照吸收光子能量后熔石英的弛豫过程。对比含杂质的熔石英经模拟辐照前后的微观结构参数(键长、键角、配位数等)、致密度及电子结构参数(能带结构和态密度等)的变化。进而评估含杂质的熔石英材料经激光辐照后的损伤程度。具体为：
一种基于第一性原理有关熔石英激光损伤的检测方法，包括如下步骤：
S1、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；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。
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；
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。
S1.2、人为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。
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。
S2、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；
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(DOS)和能带结构。
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原理计算含杂质的熔石英结构模型的电子信息；即利用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。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的方式与步骤S2相同。
S4、基于第一原理计算含杂质的熔石英结构模型的宏观热物性参数；即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：
Figure BDA0003416531250000071
Etol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，m、n和k分别代表Si原子、O原子和杂质原子的个数，N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，ESi是Si晶体中每个Si原子的能量，EO是氧气分子中平均每个原子的能量，Ek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m和体积v进行计算，计算公式为：
Figure BDA0003416531250000081
S5、基于步骤S2-S4得到的结果和纯熔石英的密度(为现有的计算方式)对含杂质的熔石英进行激光损伤判断。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Ef2与无辐照条件下的形成能Ef1进行对照，若Ef2明显小于Ef1，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(熔融温度)，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；
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。
实施例
例如：纯熔石英结构模型含有96个原子(Si：32，O：64)的。该熔融石英模型是基于2×1×2的石英晶体超胞利用BSMC(Bond Switch of Monte Carlo)程序生成。
含铁杂质的熔石英结构模型有97个原子(Si：32，O：64，Fe：1)，如图2所示结构。
含铁杂质的熔石英结构模型进行模拟辐照过程的分子动力学计算后，不同氧原子数目吸收能量的不同DOS图由图3所示。当只有3个氧原子吸收能量时，原来费米能级以下由铁原子形成杂质能级消失，而费米能级以上的缺陷能级吸收峰开始略微升高。而当5个氧原子吸收能量时，费米能级以下原来主要由铁原子贡献位于0.71eV附近的杂质能级消失，辐照前最左边位于2.01eV处的由Fe和3配位硅(Si)原子共同贡献的吸收峰降低。而费米能级以上的缺陷能级更加明显。当8个氧原子吸收能量时，带隙明显较原来变窄(由5.56eV变为约4.8eV)，由铁(Fe)杂质贡献的杂质能级吸收峰开始升高，且更加接近费米面。当10个氧原子吸收能量时，发现在极度靠近费米能级处，0.046ev处出现了一个巨大的吸收峰，且主要由铁(Fe)贡献。由此可见，经激光辐照吸收能量后，含Fe杂质的熔石英体系的禁带能级会发生改变，带隙趋向变窄，随着吸收能量的增大，最终大量电子趋向处于费米能级附近，处于半占据态，为电子跃迁进入导带提供了条件。
电子态密度是材料的微观电子结构的反应，针对于熔石英这样的绝缘材料来说，激光辐照通常会改变材料的电子结构，也即改变电子态密度分布，可通过态密度分布曲线获得材料的带隙宽度，在强烈的激光辐照和杂质原子的影响下，带隙宽度可变窄，导致材料从绝缘体向半导体，甚至于导体转变，导致材料物理性能改变，此时可判断含Fe杂质的熔石英材料损伤。
可见含铁杂质的熔石英由于铁杂质提供的自由电子，在激光辐照吸收能量的效应下较容易发生电子崩电离现象，容易引起熔石英发生激光辐照损伤。会大幅降低熔石英光学元件的使用寿命。
以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

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：
Figure 452755DEST_PATH_IMAGE001
Figure 129724DEST_PATH_IMAGE002
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，
Figure 302079DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 581751DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 788741DEST_PATH_IMAGE005
分别代表
Figure 636611DEST_PATH_IMAGE006
原子、
Figure 296263DEST_PATH_IMAGE007
原子和杂质原子的个数，
Figure 379625DEST_PATH_IMAGE008
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，
Figure 175543DEST_PATH_IMAGE009
是
Figure 194315DEST_PATH_IMAGE006
晶体中每个
Figure 341262DEST_PATH_IMAGE006
原子的能量，
Figure 228316DEST_PATH_IMAGE010
是氧气分子中平均每个原子的能量，
Figure 144319DEST_PATH_IMAGE011
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
Figure 68413DEST_PATH_IMAGE012
和体积
Figure 702656DEST_PATH_IMAGE013
进行计算，计算公式为：
Figure 629286DEST_PATH_IMAGE014
；
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
Figure 665375DEST_PATH_IMAGE015
与无辐照条件下的形成能
Figure 760370DEST_PATH_IMAGE016
进行对照，若
Figure 881910DEST_PATH_IMAGE017
明显小于
Figure 110766DEST_PATH_IMAGE016
，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；
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VASP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。
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