科學家開發(fā)仿真軟件模擬激光與物質的相互作用

　　他們的溫度區(qū)間研究包含幾個關鍵溫度點：首先是理解材料在溫度達到玻璃轉化溫度 (1,300 K) 時的熱彈性響應， 此時，熔融石英的彈性響應會突然增加，流阻降低。隨后，他們研究了當溫度介于玻璃轉化溫度和蒸發(fā)點 (約 2,200K) 時，玻璃在粘性流動下的分子弛豫。最終的目標是分析當溫度介于 2,200 和 3,400 K 時，材料的蒸發(fā)和再沉積。

　　為了探討用于修復損壞光學元件的特定技術，Matthews 轉向 COMSOL Multiphysics? 軟件尋求幫助。“我決定使用 COMSOL 來更好地了解到底發(fā)生了什么。” Matthews 說道：“軟件包含了所有必需的物理場，因此我可以輕松嘗試我的想法，省去了從頭開始編寫代碼所需花費的時間和精力。”

　　根據(jù) Matthews 的說法，COMSOL 在幫助他們理解激光與熔融石英之間的相互作用，以及完善特定修復方法方面發(fā)揮了巨大的作用。“高功率激光系統(tǒng)對光學元件表面粗糙度的容許度較低。要實現(xiàn)如此高標準的平坦度，需要進行多方面的仿真。”他說道。他所進行的仿真包括流體中的傳熱、化學反應、結構力學、傳質，以及流體流動。

　　圖 2. 仿真結果顯示了激光加熱玻璃的馬朗戈尼流。當激光加熱在依賴于溫度的表面張力中造成梯度時，就會使材料快速向外流動，形成看起來很像波紋或層級的形狀。

　　三 紅外脈沖的激光微成形

　　雖然首先使用了慢速退火這一簡單的方法來緩解光學元件的損傷(見圖 1 上部)，實驗和仿真都顯示當放置于激光束中的元件表面包含由熱毛細流或馬朗戈尼剪切應力引發(fā)的表面波紋時，會造成我們不希望的光調制。圖 2 顯示了由于馬朗戈尼剪切應力造成的激光誘導溫度剖面和材料位移仿真。

　　為了消除該效應，Matthews 和他的同事們探討了使用更短激光脈沖(幾十微秒相對于每分鐘)來精確“切削”材料形狀，當置于激光系統(tǒng)中時，切削后的形狀受到下游光調制的影響更小。在快速燒蝕緩解 (RAM) 方法中，使用紅外激光以略高于蒸發(fā)點的溫度加熱基底， 這將精確地移除極少量的材料，并生成一個光滑、無裂隙的表面。材料的納米級燒蝕將會重復上千次，甚至幾百萬次，最終會形成一個光滑的圓錐形坑，該形狀是“光學上良性”的，不會造成下游光調制(見圖 1 下部)。

　　“盡管使用紅外激光來加工石英光學元件的歷史很長。”Matthews 說道：“人們卻很少嘗試通過理解其中的能量耦合和熱流來優(yōu)化這一工藝。通過在 COMSOL 中仿真大范圍的激光參數(shù)和材料屬性，我們能夠回答許多這類問題。”

　　對燒蝕區(qū)域溫度和材料行為的仿真 結果較好地契合了團隊的實驗結果。“我們的研究成果將具有深遠的影響。”Matthews 說道：“除了能用于修復高功率脈沖激光系統(tǒng)中的損傷，還能用于幾乎所有需要激光拋光、退火，以及石英表面1微成形的系統(tǒng)。”

　　四 用于大型修復的激光化學氣相沉積

　　LLNL 團隊研究的第三種用于修復受損光學元件的方法是激光-化學氣相沉積(L-CVD)。在此增材工藝中，石英前體氣體通過噴嘴“流到”表面上。利用一個窗口(見圖 3)將聚焦的 CO2 激光束耦合到噴嘴上，分解前體并在受損坑處沉積固體 Sio2 玻璃。對于帶有較大缺陷且較難使用紅外微成形或其他削除方法修復的光學元件表面，他們正在研究使用 L-CVD 來對表面進行納米精度的修復。最終，將可能完全恢復這些光學元件的性能。

　　圖 3. 用于激光 CVD 工藝的光學耦合氣體噴嘴示意圖，氣體通過側向端口進入，紅外激光通過 ZnSe 窗口沿軸向進入。

　　“通過仿真，我們實驗了激光束強度、位置和脈沖時長會如何影響沉積在光學元件上的材料數(shù)量。” Matthews 解釋說。仿真可以確定石英分解時的濃度和流動，以及沉積材料的位置(見圖 4)。