科学家开发仿真软件模拟激光与物质的相互作用

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员通过多物理场仿真开发出了一种用于修复熔融石英

激光器具有可调谐和精确等优点,广泛应用于从普通家用电器到先进研究设备的诸多应用中,较突出的日常应用包括汽车零部件、条形码扫描仪、DVD 播放器和光纤通讯等。虽然很少有人会把激光器看作一个高精度热源,但正是这项特性才使它成为材料处理应用中一个非常有效的工具,它可以实现纳米级精度的材料控制或更改,比如玻璃、金属,或聚合物等特定物质。

在任何应用中,理解激光与物质间的相互作用都是设计和优化激光系统的关键。Manyalibo Matthews 是劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 材料科学部的副组长,他正在研究这些复杂的激光与物质间的相互作用。他的研究涉及世界上最易扩展的激光系统中熔融石英光学元件的修理和保养。

位于加州的 LLNL 负责管理国家点火装置 (NIF),这里拥有世界上最大、功率最高的激光器。这台巨型机器能发出 192 条独立的激光束,包含 40,000 个光学元件,用于聚焦、反射和引导这些激光束,它们可以将发射的激光脉冲能量放大 100 亿倍,然后将其导向至类似铅笔上橡皮擦大小的一个目标。该激光器产生的温度、压力和密度类似于恒星、超新星和大型行星内核中的情况。天体物理和核研究人员正使用该巨型激光来更好地了解宇宙,用作惯性约束聚变 (ICF) 技术,即加热氢燃料,并将其压缩到可以发生核聚变反应的临界点。

但是,这个强大激光器的反复使用会破坏系统中的光学元件。“这些光学元件相当昂贵。” Matthews 说:“ NIF 产生的高功率激光会破坏部分熔融石英光学元件,比如表面会出现小坑,就像石头撞到您汽车挡风玻璃时留下的痕迹一样。我们正在全力修理和回收已损坏的那些元件。”图 1 中的示例显示了两个受损的光学表面修复前和修复后的样子。

图 1. 反复暴露于高峰值功率激光脉冲下而损坏的光学元件示例。(a) 和 (c) 点为受损的光学表面,(b) 和 (d) 对应于修复后的受损点。使用慢速退火工艺修复 (a) 处的受损,而 NIF 现在正使用快速微成形技术来修复 (c) 处的受损,因此它在光学上是良性的。

虽然由于激光器反复使用所累积的能量会随着时间的继续而破坏光学元件,但我们也可以利用激光器来修复。不同于 NIF 所用的横跨三个足球场大小的巨大激光器系统,我们使用了一个较小的、集成了光束和脉冲成形单元的桌面型系统来制作损害缓解系统,从而修复受损的光学元件。Matthews 最近在 LLNL 的研究侧重于光学元件修复的新技术,从更广泛的角度来看,涉及激光与熔融石英或玻璃之间的相互作用。

Matthews 和他的团队使用仿真探讨了用于修复损坏光学元件的三项技术:红外线 (IR) 脉冲激光微成形/微机械加工、慢速退火,以及激光化学气相沉积((L-CVD)。

在第一个研究周期中,他们重点分析了不同温度下熔融石英暴露于激光中时所发生行为背后的基础物理学和材料科学。

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