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超强激光科学卓越创新简报

(第三百二十二期)

2022年11月14日

上海光机所提出基于钕玻璃的结构基因实现对呈非线性变化的性质准确模拟的新方法

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室研究团队提出的玻璃结构基因模拟法 (GSgM) 可实现在有限数据下对玻璃性质及玻璃成分的准确模拟及设计，相关成果以“Genome-based approach to new Nd: Phosphate glass: Composition-structure-property statistical modeling and validation”为题发表在Journal of Non-Crystalline Solids上。

　　磷酸盐激光钕玻璃（以下简称钕玻璃）因具有光学和光谱性能可调节范围宽等特点，是高功率激光惯性约束聚变装置的首选增益介质材料。大型激光装置的能量和功率的不断提高对钕玻璃的增益性能提出了更高的要求。传统的组分微调改进玻璃性能的实验方法耗时耗力。准确、迅速的材料设计方法是缩短新材料研发周期和加速材料实用化进程的关键。

　　研究团队基于Baseline钕玻璃，结合红外光谱分析技术，研究了K2O，MgO和Al2O3含量变化对光学性质(σemi,τf, Δλeff, n2) ,热膨胀系数（CTE）和液相线温度（TL）的影响，并通过数理统计分析筛选出最紧密关联的结构单元建立了结构-性质（S-P）, 成分-结构（C-S）模型。模型对各项性质的预测精度皆较为理想，相关系数较高为R2>0.97，Radj2>0.95。同时，较小 P值（<0.005）说明模型收敛性较好。随后，将C-S模型与S-P模型关联建立C-S-P模拟平台（玻璃结构基因模拟法GSgM），可实现成分、性质双向预测。并设计了P→S→C和C→S→P“双向”模拟以验证C-S-P模型预测的可靠性。验证结果显示：验证样品的性能的实际测量值与模型预测值相近，除τf 的相对误差为1.73%以外，其余性质的相对误差均小于0.5%。验证样品的成分的实际测量值与模型预测值相匹配，其相对误差均小于0.4%。以上结果表明，GSgM法可以通过少量的实验数据，达到可以根据结构信息准确模拟设计玻璃性质或由设计性质反推玻璃成分的目的，特别是对呈非线性变化的性质（光谱激光性质、TL等）。

　　相关研究得到了国家科技部重点研发项目支持。

　　原文链接

图一 PK2, PMg2, PAl2和BL玻璃的FTIR光谱。

图二 玻璃的红外 S-P 模型：(a) CTE, (b) n2, (c) TL, (d) τf, (e) σemi, (f) Δλeff (* - BL glass, Δ-PK1-3, □-PMg1-3,●-PAl1,2)。

图三 以P→S→C模型为基础的玻璃设计平台 (P-输入值，C-输出值)。

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