科學(xué)家開(kāi)發(fā)仿真軟件模擬激光與物質(zhì)的相互作用

　　勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室的研究人員通過(guò)多物理場(chǎng)仿真開(kāi)發(fā)出了一種用于修復熔融石英光學(xué)元件的技術(shù)。

　　激光器具有可調諧和精確等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于從普通家用電器到先進(jìn)研究設備的諸多應用中，較突出的日常應用包括汽車(chē)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，但正是這項特性才使它成為材料處理應用中一個(gè)非常有效的工具，它可以實(shí)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(zhì)。

　　在任何應用中，理解激光與物質(zhì)間的相互作用都是設計和優(yōu)化激光系統的關(guān)鍵。Manyalibo Matthews 是勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室 (LLNL) 材料科學(xué)部的副組長(cháng)，他正在研究這些復雜的激光與物質(zhì)間的相互作用。他的研究涉及世界上最易擴展的激光系統中熔融石英光學(xué)元件的修理和保養。

　　一 利用激光修復大功率系統光學(xué)元件

　　位于加州的 LLNL 負責管理國家點(diǎn)火裝置 (NIF)，這里擁有世界上最大、功率最高的激光器。這臺巨型機器能發(fā)出 192 條獨立的激光束，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，然后將其導向至類(lèi)似鉛筆上橡皮擦大小的一個(gè)目標。該激光器產(chǎn)生的溫度、壓力和密度類(lèi)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(lái)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)生核聚變反應的臨界點(diǎn)。

　　但是，這個(gè)強大激光器的反復使用會(huì )破壞系統中的光學(xué)元件。“這些光學(xué)元件相當昂貴。” Matthews 說(shuō)：“ 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 )出現小坑，就像石頭撞到您汽車(chē)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(xué)元件示例。(a) 和 (c) 點(diǎn)為受損的光學(xué)表面，(b) 和 (d) 對應于修復后的受損點(diǎn)。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(shù)來(lái)修復 (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使用所累積的能量會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的繼續而破壞光學(xué)元件，但我們也可以利用激光器來(lái)修復。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，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來(lái)制作損害緩解系統，從而修復受損的光學(xué)元件。Matthews 最近在 LLNL 的研究側重于光學(xué)元件修復的新技術(shù)，從更廣泛的角度來(lái)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(xué)元件的三項技術(shù):紅外線(xiàn) (IR) 脈沖激光微成形/微機械加工、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)生行為背后的基礎物理學(xué)和材料科學(xué)。