科學家開發(fā)仿真軟件模擬激光與物質(zhì)的相互作用

　　勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員通過多物理場仿真開發(fā)出了一種用于修復熔融石英光學元件的技術。

　　激光器具有可調(diào)諧和精確等優(yōu)點，廣泛應用于從普通家用電器到先進研究設備的諸多應用中，較突出的日常應用包括汽車零部件、條形碼掃描儀、DVD 播放器和光纖通訊等。雖然很少有人會把激光器看作一個高精度熱源，但正是這項特性才使它成為材料處理應用中一個非常有效的工具，它可以實現(xiàn)納米級精度的材料控制或更改，比如玻璃、金屬，或聚合物等特定物質(zhì)。

　　在任何應用中，理解激光與物質(zhì)間的相互作用都是設計和優(yōu)化激光系統(tǒng)的關鍵。Manyalibo Matthews 是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 材料科學部的副組長，他正在研究這些復雜的激光與物質(zhì)間的相互作用。他的研究涉及世界上最易擴展的激光系統(tǒng)中熔融石英光學元件的修理和保養(yǎng)。

　　一 利用激光修復大功率系統(tǒng)光學元件

　　位于加州的 LLNL 負責管理國家點火裝置 (NIF)，這里擁有世界上最大、功率最高的激光器。這臺巨型機器能發(fā)出 192 條獨立的激光束，包含 40,000 個光學元件，用于聚焦、反射和引導這些激光束，它們可以將發(fā)射的激光脈沖能量放大 100 億倍，然后將其導向至類似鉛筆上橡皮擦大小的一個目標。該激光器產(chǎn)生的溫度、壓力和密度類似于恒星、超新星和大型行星內(nèi)核中的情況。天體物理和核研究人員正使用該巨型激光來更好地了解宇宙，用作慣性約束聚變 (ICF) 技術，即加熱氫燃料，并將其壓縮到可以發(fā)生核聚變反應的臨界點。

　　但是，這個強大激光器的反復使用會破壞系統(tǒng)中的光學元件。“這些光學元件相當昂貴。” Matthews 說：“ NIF 產(chǎn)生的高功率激光會破壞部分熔融石英光學元件，比如表面會出現(xiàn)小坑，就像石頭撞到您汽車擋風玻璃時留下的痕跡一樣。我們正在全力修理和回收已損壞的那些元件。”圖 1 中的示例顯示了兩個受損的光學表面修復前和修復后的樣子。

　　圖 1. 反復暴露于高峰值功率激光脈沖下而損壞的光學元件示例。(a) 和 (c) 點為受損的光學表面，(b) 和 (d) 對應于修復后的受損點。使用慢速退火工藝修復 (a) 處的受損，而 NIF 現(xiàn)在正使用快速微成形技術來修復 (c) 處的受損，因此它在光學上是良性的。

　　雖然由于激光器反復使用所累積的能量會隨著時間的繼續(xù)而破壞光學元件，但我們也可以利用激光器來修復。不同于 NIF 所用的橫跨三個足球場大小的巨大激光器系統(tǒng)，我們使用了一個較小的、集成了光束和脈沖成形單元的桌面型系統(tǒng)來制作損害緩解系統(tǒng)，從而修復受損的光學元件。Matthews 最近在 LLNL 的研究側重于光學元件修復的新技術，從更廣泛的角度來看，涉及激光與熔融石英或玻璃之間的相互作用。

　　二 模擬激光與玻璃的相互作用

　　Matthews 和他的團隊使用仿真探討了用于修復損壞光學元件的三項技術:紅外線 (IR) 脈沖激光微成形/微機械加工、慢速退火，以及激光化學氣相沉積((L-CVD)。

　　在第一個研究周期中，他們重點分析了不同溫度下熔融石英暴露于激光中時所發(fā)生行為背后的基礎物理學和材料科學。