科學(xué)家開發(fā)仿真軟件模擬激光與物質(zhì)的相互作用

　　他們的溫度區(qū)間研究包含幾個關(guān)鍵溫度點：首先是理解材料在溫度達到玻璃轉(zhuǎn)化溫度 (1,300 K) 時的熱彈性響應(yīng)， 此時，熔融石英的彈性響應(yīng)會突然增加，流阻降低。隨后，他們研究了當(dāng)溫度介于玻璃轉(zhuǎn)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(biāo)是分析當(dāng)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(fù)損壞光學(xué)元件的特定技術(shù)，Matthews 轉(zhuǎn)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(fù)方法方面發(fā)揮了巨大的作用。“高功率激光系統(tǒng)對光學(xué)元件表面粗糙度的容許度較低。要實現(xiàn)如此高標(biāo)準(zhǔn)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(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳質(zhì)，以及流體流動。

　　圖 2. 仿真結(jié)果顯示了激光加熱玻璃的馬朗戈尼流。當(dāng)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?qū)蛹壍男螤睢?/p>

　　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(xué)元件的損傷(見圖 1 上部)，實驗和仿真都顯示當(dāng)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(yīng)力引發(fā)的表面波紋時，會造成我們不希望的光調(diào)制。圖 2 顯示了由于馬朗戈尼剪切應(yīng)力造成的激光誘導(dǎo)溫度剖面和材料位移仿真。

　　為了消除該效應(yīng)，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(dāng)置于激光系統(tǒng)中時，切削后的形狀受到下游光調(diào)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(fù)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(xué)上良性”的，不會造成下游光調(diào)制(見圖 1 下部)。

　　“盡管使用紅外激光來加工石英光學(xué)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(jié)果較好地契合了團隊的實驗結(jié)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(fù)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(fù)的激光化學(xué)氣相沉積

　　LLNL 團隊研究的第三種用于修復(fù)受損光學(xué)元件的方法是激光-化學(xué)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(fù)的光學(xué)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(fù)。最終，將可能完全恢復(fù)這些光學(xué)元件的性能。

　　圖 3. 用于激光 CVD 工藝的光學(xué)耦合氣體噴嘴示意圖，氣體通過側(cè)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(xué)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)。