CL-20炸药飞秒激光能量吸收机制与多光子非线性光学特性研究

为解决CL-20炸药高机械敏感性导致的精密加工难题，研究人员通过密度泛函理论（DFT）和振动频率分析，系统研究了五种晶型（α/β/ε/ξ/γ）CL-20的紫外-可见（UV-Vis）和红外（IR）吸收光谱特性，揭示了200-1200 nm波段内单光子/多光子吸收规律，发现400-750 nm飞秒激光诱导的显著双光子（2PA）和三光子（3PA）效应，为高安全性激光加工提供了关键光学参数。

　　

在武器系统小型化与高能效需求的推动下，2,4,6,8,10,12-六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）作为当前能量最高的单质炸药，其应用却受限于高机械敏感性和精密加工难题。传统机械加工易引发意外爆炸，而飞秒激光凭借极短脉冲（10^-15秒量级）和"冷加工"特性，为CL-20的安全处理提供了新思路。然而，激光加工效率取决于炸药分子对光子的吸收机制，此前CL-20的光学特性尤其是非线性吸收参数尚属空白，严重制约了工艺优化。

针对这一瓶颈，国内研究人员采用密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TD-DFT），结合振动频率分析方法，系统研究了α、β、ε、ξ、γ五种晶型CL-20分子的电子结构。通过计算紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和红外光谱（IR），首次揭示了300-1200 nm波段内单光子跃迁并非主要吸收机制，而在200-250 nm紫外区才出现显著单光子吸收，其线性吸收系数α排序为γ>α>ξ>β>ε，与预测的烧蚀阈值呈负相关。更重要的发现是，在400-500 nm和650-750 nm飞秒激光作用下，五种晶型均表现出明显的双光子吸收（2PA）和三光子吸收（3PA）效应，且总吸收系数A(I)与激光功率密度呈正相关。这些非线性光学特性的量化数据，为CL-20炸药的飞秒激光参数选择提供了理论依据。

研究主要采用三种关键技术：1）基于Material Studio构建24 ?立方模拟盒的分子动力学模型；2）通过TD-DFT计算激发态电子跃迁行为，获得UV-Vis光谱振荡强度；3）振动频率分析解析IR特征吸收峰。

研究结果可分为三部分：

1. 紫外-可见光谱分析：五种晶型在200-300 nm出现强吸收峰，对应π→π^*电子跃迁，而300 nm以上波段吸收微弱，证实常规激光难以通过单光子机制耦合能量。

2. 红外吸收特性：硝基（NO₂）伸缩振动在1600 cm^-1附近产生特征峰，表明IR激光可通过分子振动模式实现能量沉积。

3. 非线性吸收效应：在400-750 nm飞秒激光作用下，双光子吸收截面δ⁽²⁾达10^-50 cm⁴·s·photon^-1量级，三光子吸收截面α⁽³⁾呈指数增长，证实多光子过程是飞秒激光加工的主要能量耦合途径。

该研究首次建立了CL-20炸药多光子吸收的定量模型，破解了飞秒激光参数优化缺乏理论指导的困境。通过揭示γ晶型兼具高吸收系数与低烧蚀阈值的特性，为定向晶型控制提供了新思路。更重要的是，发现激光功率密度与非线性吸收的强相关性，为发展CL-20炸药的功率梯度加工工艺奠定了科学基础。这些成果发表于《Journal of Luminescence》，不仅推动了含能材料加工技术的进步，也为武器系统效能提升提供了关键技术支撑。