（1）体衍射光学元件及其在高能高功率激光系统中的应用
高能高功率激光技术是衡量国家高端制造与国防科技水平的重要标志，其在激光核聚变能源开发、超强超短脉冲激光装置、定向能武器系统等战略性领域具有不可替代的作用。基于光热敏折变玻璃（Photo-Thermo-Refractive，PTR）材料的体Bragg光栅兼具角谱和光谱选择能力，能够有效提升高能高功率激光系统的性能，已成为高能高功率激光全域调控领域的核心光学元件。透射式体Bragg光栅能够有效抑制高功率激光传输过程中的非线性效应、改善近场与远场的光束质量，提升高功率激光的传输放大特性，是新一代激光聚变装置的理想近场滤波元件；基于反射式体Bragg光栅的外腔结构能够实现高亮度高效率半导体泵源光谱锁定与窄化，是新一代高能气体激光器的关键技术；基于体Bragg光栅的超窄线宽激光器，对于高能激光、高端超快激光制造装备、精密科研设备与光学探测仪器的发展也具有重要价值。
图1 体Bragg光栅的光谱/角谱选择特性及其在高能高功率激光系统中的应用
（2）功能光学玻璃材料的设计制备
分子动力学模拟作为一种高效的材料计算方法，在研究领域得到了广泛应用，其能够精确表征复合体系在载荷作用下的微观结构演变规律。本研究采用实验与仿真相结合的技术路线，系统研究了PTR玻璃在原子尺度的结构演变规律，重点考察了Na2O含量对玻璃网络结构的影响，并进一步分析了玻璃结构与其析晶性能的关联性，提出了PTR玻璃的性能优化方案。
通过构建Na2O-Al2O3-SiO2多组分PTR玻璃动力学模型，精确计算了不同Na2O含量下玻璃网络的键长键角分布、径向分布函数及Si-O结构中O的配位数，揭示了Na+在玻璃网络中的迁移机制及其对PTR玻璃析晶性能的影响作用。实验证实随着SiO2/Na2O摩尔比的增加，PTR玻璃体系中硅氧网络结构的聚合度呈现显著增强趋势。这种结构变化导致玻璃体系的稳定性提升，具体表现为结晶活化能增大，晶体生长动力学过程明显减缓。组分调控显著抑制了PTR玻璃在等温结晶过程中的不透明化现象，使其在宽光谱范围内保持了优异的光学透过性能。本工作通过多尺度表征与分子动力学模拟相结合的研究方法，系统揭示了PTR玻璃网络结构的演变规律及其与光热响应性能的构效关系，建立了可工程化的工艺参数优化窗口。相关成果在Ceram. Int.等领域内具有影响力的SCI期刊上发表论文2篇，为PTR玻璃的定向设计提供了理论支撑和实践指导。
图2基于实验与分子动力学的PTR玻璃结构解析
（2）功能光学玻璃材料诱导析晶机理及动力学模型
光热敏折变（Photo-Thermo-Refractive，PTR）玻璃光敏-成核-析晶动力学过程具有明显的紫外光辐照剂量和热处理温度-时间依赖性，并呈现出显著的跨尺度复杂性。本研究的关键创新在于深入理解了PTR玻璃的光热诱导析晶机理，并基于此建立了精确的光敏-成核-析晶动力学模型，为光热处理工艺的优化提供了理论指导。
针对PTR玻璃体系各掺杂离子作用机制的认知缺口，系统分析了体Bragg光栅制备过程中的光敏-热成核-热析晶三大工艺环节涉及的机理性问题。采用吸收光谱的高斯函数解卷积与Taco-plot分析，结合拉曼光谱原位监测技术揭示了PTR玻璃中的光敏掺杂离子（Ag+/Ce3+）在不同辐照方式下响应机制以及玻璃基质内部复杂的光化学反应过程的时空演化规律（J. Non-Cryst. Solids, 2025）。通过光谱-透射电镜联用分析技术，系统解析了Ag+→Ag-NPs形核动力学机制（J. Non-Cryst. Solids, 2023），证实了Ag-NPs作为异质晶核能够显著降低非均相析晶的析晶势垒（Opt. Mater., 2022），在此基础上建立了Ag-NPs的尺寸分布与析晶活化能的指数关联模型。通过解析等温/非等温析晶过程中NaF晶体生长动力学，构建了晶相结构-折射率调制的定量关联，并阐明了温度场梯度变化对微晶分布空间均匀性的调控机制（Opt. Mater., 2023）。
图3 PTR玻璃光敏-成核-析晶机理及动力学过程
针对PTR玻璃中晶核形成与晶体生长受温度-紫外光辐照多场耦合调控的难题，创新构建了光热协同跨尺度光敏-成核-析晶动力学模型。突破经典成核理论对复杂离子扩散行为的描述局限，建立了基于自由电子浓度平衡方程的光敏动力学模型，耦合蒙特卡罗算法构建“温度-时间-辐照剂量”三维动态模型。通过热力学驱动力(Δμ)、扩散系数(D)、界面能(σ)三参数联立求解，实现了晶核密度和晶粒尺寸分布的高精度预测。蒙特卡罗模拟创新引入离子迁移路径随机采样技术，揭示了Na+/F-在Ag-NPs表面的动态附着机制。结合多物理场耦合仿真，深入阐明了光热参数对微晶结构演化的作用规律。基于上述模型预测结果结合光热参数协同优化，实现了NaF微晶尺寸与浓度的跨量级调控，以及晶体质量分数与折射率调制的精准控制，支撑了高品质体Bragg光栅的制备（Ceram. Int., 2024）。
图4 PTR玻璃光敏-成核-析晶动力学模型
研究成果形成覆盖“微观机理-理论模型-宏观工艺”的完整理论体系，为PTR玻璃中NaF微晶跨尺度调控难题提供了系统性解决方案，推动了高能高功率激光器核心光学元器件的国产化进程。相关成果在J. Non-Cryst. Solids，Ceram. Int.等领域内具有影响力SCI期刊上发表论文5篇，理论模型被国内光学玻璃头部企业纳入工艺体系，为特种光学玻璃的微晶跨尺度调控提供原创性方法学支撑。