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。
激光器具有可調諧和精確等優點，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。
在任何應用中，理解激光與物質間的相互作用都是設計和優化激光系統的關鍵。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間的相互作用。他的研究涉及世界上最易擴展的激光系統中熔融石英光學元件的修理和保養。
一 利用激光修復大功率系統光學元件
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。該激光器產生的溫度、壓力和密度類似于恒星、超新星和大型行星內核中的情況。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中的光學元件。“這些光學元件相當昂貴。” Matthews 說：“ NIF 產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，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來制作損害緩解系統，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生行為背后的基礎物理學和材料科學。
他們的溫度區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，材料的蒸發和再沉積。
他們的溫度區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 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揮了巨大的作用。“高功率激光系統對光學元件表面粗糙度的容許度較低。要實現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化這一工藝。通過在 COMSOL 中仿真大范圍的激光參數和材料屬性，我們能夠回答許多這類問題。”
對燒蝕區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。”
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)。
圖 4. L-CVD 的速度和溫度場仿真。上：從直徑 3 mm 的噴嘴中流出的 L-CVD 前體流動速度等值線，以及由于空氣玻璃界面處激光加熱誘發的溫度場。下：汽化石英的速度流線，在左下角可以看到以擴散為主的玻璃傳遞(深藍色)。
研究小組發現，如要避免一些較常見于 L-CVD 沉積剖面的多余特征，比如著名的“火山”特征，激光功率是一個關鍵的工藝參數。
“就我們所知，迄今為止，還沒有任何其他方法可以通過將缺損材料替換為高等級基底材料來增材修復損傷。” Matthews 說道：“這一方法的成功應用可以降低加工成本、延長光學元件的使用壽命，并為一般的高功率激光應用帶來抗刮傷能力更強的光學元件。此外，相對常規方法，L-CVD 對除石英玻璃之外的其他材料系統也頗具優勢。能夠模擬瞬態流動、反應和傳熱，對探索新應用有很大的幫助。”
五 從玻璃修復到制造
雖然使用 L-CVD 工藝翻新光學元件這一技術仍處于探索階段，但作為 NIF 的光學修復項目之一，團隊已經實現了基于 CO2 激光器的表面微成形，并通過多物理場仿真進行了優化。2014 年，NIF 已經使用紅外微成形和其他技術修復了 13,000 個以上的受損點，他們正不斷循環利用光學元件，保證了日常使用。
不過，他們對激光與物質之間相互作用的研究并沒有止步于光學元件的修復。Mathews 和他的團隊還進一步開發出了一項稱作選擇性激光燒結 (SLM)的 3D 打印增材工藝，以支持一個實驗室級別的增材制造計劃。“這項研究讓我感覺非常興奮。” Matthews 說道：“找出如何優化 3D 打印系統會給這一正在快速發展的行業帶來重大的影響，在過去，我們很大程度上只能依賴試錯法，現在則將能從這一基于模型的方法中受益。”
LLNL 光學元件損傷緩解和激光材料加工研究小組(從左到右)：Gabe Guss、Nan Shen、Norman Nielsen、Manyalibo Matthews、Rajesh Raman 和 Selim Elhadj。他們背后的設備用于研究高功率激光輻射下的金屬粉末熔融動力學，這是金屬基增材制造(3D 打印)領域的一個重要課題。
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