科學(xué)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過多物理場(chǎng)仿真開發(fā)出了一種用于修復(fù)熔融石英光學(xué)元件的技術(shù)。

　　激光器具有可調(diào)諧和精確等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于從普通家用電器到先進(jìn)研究設(shè)備的諸多應(yīng)用中，較突出的日常應(yīng)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(huì)把激光器看作一個(gè)高精度熱源，但正是這項(xiàng)特性才使它成為材料處理應(yīng)用中一個(gè)非常有效的工具，它可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)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(yīng)用中，理解激光與物質(zhì)間的相互作用都是設(shè)計(jì)和優(yōu)化激光系統(tǒng)的關(guān)鍵。Manyalibo Matthews 是勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 材料科學(xué)部的副組長(zhǎng)，他正在研究這些復(fù)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(kuò)展的激光系統(tǒng)中熔融石英光學(xué)元件的修理和保養(yǎng)。

　　一 利用激光修復(fù)大功率系統(tǒng)光學(xué)元件

　　位于加州的 LLNL 負(fù)責(zé)管理國(guó)家點(diǎn)火裝置 (NIF)，這里擁有世界上最大、功率最高的激光器。這臺(tái)巨型機(jī)器能發(fā)出 192 條獨(dú)立的激光束，包含 40,000 個(gè)光學(xué)元件，用于聚焦、反射和引導(dǎo)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(dǎo)向至類似鉛筆上橡皮擦大小的一個(gè)目標(biāo)。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(shù)，即加熱氫燃料，并將其壓縮到可以發(fā)生核聚變反應(yīng)的臨界點(diǎn)。

　　但是，這個(gè)強(qiáng)大激光器的反復(fù)使用會(huì)破壞系統(tǒng)中的光學(xué)元件。“這些光學(xué)元件相當(dāng)昂貴。” Matthews 說：“ NIF 產(chǎn)生的高功率激光會(huì)破壞部分熔融石英光學(xué)元件，比如表面會(huì)出現(xiàn)小坑，就像石頭撞到您汽車擋風(fēng)玻璃時(shí)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(gè)受損的光學(xué)表面修復(fù)前和修復(fù)后的樣子。

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

　　雖然由于激光器反復(fù)使用所累積的能量會(huì)隨著時(shí)間的繼續(xù)而破壞光學(xué)元件，但我們也可以利用激光器來修復(fù)。不同于 NIF 所用的橫跨三個(gè)足球場(chǎng)大小的巨大激光器系統(tǒng)，我們使用了一個(gè)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(fù)受損的光學(xué)元件。Matthews 最近在 LLNL 的研究側(cè)重于光學(xué)元件修復(fù)的新技術(shù)，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(tuán)隊(duì)使用仿真探討了用于修復(fù)損壞光學(xué)元件的三項(xiàng)技術(shù):紅外線 (IR) 脈沖激光微成形/微機(jī)械加工、慢速退火，以及激光化學(xué)氣相沉積((L-CVD)。

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