激光是由单一波长的光子组成的聚焦光束，广泛用于各种应用中，从无创手术到光纤通信，再到材料加工，甚至 DVD 播放器。今天这篇文章，让我们看看来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个研究团队如何借助多物理场仿真研究激光与材料的相互作用，来避免高功率激光系统内部光学器件的损坏。
对内部光学器件的激光诱导破坏(LID)
LLNL研究人员的工作是理解激光与材料的复杂相互作用。LLNL 负责掌管国家点火装置（NIF），这个装置具有世界上最大和最有能量的激光,可以将光能放大到天文数字的倍数，因此被天体物理学家用来深入探讨宇宙和核聚变。
但是，这种激光的工作条件非常苛刻，会对聚焦、反射和引导激光束的内部（或固有）光学器件造成损坏。反复使用激光会对这些光学器件造成损坏，留下一些微小的凹痕和碎片，如下图所示。这种损坏，如果不加以修复，可能会改变激光器的光学特性，从而改变激光器的功能，特别是会导致不必要的光调制和散射。同时，这些光学器件很昂贵，反复更换它们对项目来说是不经济的。
因反复暴露在高峰值功率的激光脉冲中而损坏的光学器件的示例。左边显示的为损坏的光学表面，右边显示了相应的修复部位。
小型激光器可以解决内部光学器件的激光诱导损伤的潜在问题。LLNL 材料科学部的一个研究团队在 Manyalibo Matthews 的带领下，专注于研究修复这些光学器件的创新技术。在仿真的帮助下，他们正在探索红外脉冲微整形、热退火和激光化学气相沉积（L-CVD）等方法。
多物理场仿真提供了一种解决方案
仿真研究的第一步是了解熔融石英在不同温度下暴露在激光束下的行为。研究团队利用 COMSOL Multiphysics 的内置功能，同时模拟了多种物理现象，包括流体流动、传热、质量传递、结构力学和化学反应等。
研究团队首先模拟了熔融石英玻璃在 1300K（即玻璃的转化温度）以下的热力学反应，然后对更高温度下的结构松弛和黏性流动进行模拟。最后，他们探索了材料在 2200~3400K 温度下的蒸发和再沉积。这有助于他们了解熔融石英玻璃的机械反应以及其在极高温度下的表现。
红外微加工工艺
研究人员观察到，在高温下，玻璃的流动会引起干扰光学特性的波纹，如下图所示。他们使用非常短的红外激光脉冲来消除这些缺陷，留下一个光滑的表面。
借助 COMSOL Multiphysics，该团队能够了解各种参数下的能量耦合和热量流动，例如对于激光脉冲的持续时间（微秒与几分钟相比），他们的模拟结果与实验观察结果一致。模拟结果还帮助研究团队了解了激光照射区域的材料和温度行为。这些知识可以应用在涉及硅石表面抛光、退火和微整形的许多其他领域，如光学玻璃抛光，以及医疗和摩擦类应用。
模拟结果显示激光加热玻璃的马兰戈尼流动。当激光加热导致与温度有关的表面张力的梯度时，马兰戈尼效应就会发生，这会导致材料径向向外流动，形成边缘凸起的坑。
模拟用于修复较大缺陷的激光 CVD
为了研究光学系统中较大的缺陷，LLNL 的研究人员探索了 L-CVD 的应用。这种增材工艺使用二氧化硅前体气体与二氧化碳激光束相结合，以纳米级的精度将材料沉积在受损表面。在工艺过程中，前体气体与激光束一起先通过一个喷嘴流向光学表面。然后，激光束分解气体并在受损的光学表面上沉积固体二氧化硅。尽管这项技术仍处于早期阶段，但它显示了巨大的应用前景。通过使用 COMSOL Multiphysics 软件来优化光束强度、位置和脉冲持续时间以及沉积材料的流动和浓度，该团队在理解影响 L-CVD 的各种因素和解决未来增材损伤修复方面取得了非常大的进展。
L-CVD的速度和温度场，显示与前驱体流动相关的速度曲线（左）和汽化硅的速度流线（右）。
基于仿真研究激光与材料相互作用的好处
已经使用红外微整形对 NIF 激光器中的大约 13 万个损伤点进行了修复，部分是利用研究人员的多物理场仿真结果进行的优化。这使得该项目中的光学器件得以循环使用，并大大降低了项目成本。LLNL 的团队还支持整个实验室的用于3D 打印的增材制造计划，这有可能是比修复损坏的光学器件具有更深远意义的应用。
拓展资源
- 阅读 COMSOL News 2015 第 17 页，获取 LLNL 使用仿真进行工作的完整故事。
- 阅读关于本博客中提出的研究的文章
- M.J. Matthews, S.T. Yang, N. Shen, S. Elhadj, R.N. Raman, G. Guss, I.L. Bass, M.C. Nostrand, P.J. Wegner, “Micro-Shaping, Polishing, and Damage Repair of Fused Silica Surfaces Using Focused Infrared Laser Beams“, Advanced Engineering Materials, 17, 2015, p. 247.
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