激光是由單一波長的光子組成的聚焦光束，廣泛用于各種應用中，從無創手術到光纖通信，再到材料加工，甚至 DVD 播放器。今天這篇文章，讓我們看看來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的一個研究團隊如何借助多物理場仿真研究激光與材料的相互作用，來避免高功率激光系統內部光學器件的損壞。
對內部光學器件的激光誘導破壞(LID)
LLNL研究人員的工作是理解激光與材料的復雜相互作用。LLNL 負責掌管國家點火裝置（NIF），這個裝置具有世界上最大和最有能量的激光,可以將光能放大到天文數字的倍數，因此被天體物理學家用來深入探討宇宙和核聚變。
但是，這種激光的工作條件非常苛刻，會對聚焦、反射和引導激光束的內部（或固有）光學器件造成損壞。反復使用激光會對這些光學器件造成損壞，留下一些微小的凹痕和碎片，如下圖所示。這種損壞，如果不加以修復，可能會改變激光器的光學特性，從而改變激光器的功能，特別是會導致不必要的光調制和散射。同時，這些光學器件很昂貴，反復更換它們對項目來說是不經濟的。
因反復暴露在高峰值功率的激光脈沖中而損壞的光學器件的示例。左邊顯示的為損壞的光學表面，右邊顯示了相應的修復部位。
小型激光器可以解決內部光學器件的激光誘導損傷的潛在問題。LLNL 材料科學部的一個研究團隊在 Manyalibo Matthews 的帶領下，專注于研究修復這些光學器件的創新技術。在仿真的幫助下，他們正在探索紅外脈沖微整形、熱退火和激光化學氣相沉積（L-CVD）等方法。
多物理場仿真提供了一種解決方案
仿真研究的第一步是了解熔融石英在不同溫度下暴露在激光束下的行為。研究團隊利用 COMSOL Multiphysics 的內置功能，同時模擬了多種物理現象，包括流體流動、傳熱、質量傳遞、結構力學和化學反應等。
研究團隊首先模擬了熔融石英玻璃在 1300K（即玻璃的轉化溫度）以下的熱力學反應，然后對更高溫度下的結構松弛和黏性流動進行模擬。最后，他們探索了材料在 2200~3400K 溫度下的蒸發和再沉積。這有助于他們了解熔融石英玻璃的機械反應以及其在極高溫度下的表現。
紅外微加工工藝
研究人員觀察到，在高溫下，玻璃的流動會引起干擾光學特性的波紋，如下圖所示。他們使用非常短的紅外激光脈沖來消除這些缺陷，留下一個光滑的表面。
借助 COMSOL Multiphysics，該團隊能夠了解各種參數下的能量耦合和熱量流動，例如對于激光脈沖的持續時間（微秒與幾分鐘相比），他們的模擬結果與實驗觀察結果一致。模擬結果還幫助研究團隊了解了激光照射區域的材料和溫度行為。這些知識可以應用在涉及硅石表面拋光、退火和微整形的許多其他領域，如光學玻璃拋光，以及醫療和摩擦類應用。
模擬結果顯示激光加熱玻璃的馬蘭戈尼流動。當激光加熱導致與溫度有關的表面張力的梯度時，馬蘭戈尼效應就會發生，這會導致材料徑向向外流動，形成邊緣凸起的坑。
模擬用于修復較大缺陷的激光 CVD
為了研究光學系統中較大的缺陷，LLNL 的研究人員探索了 L-CVD 的應用。這種增材工藝使用二氧化硅前體氣體與二氧化碳激光束相結合，以納米級的精度將材料沉積在受損表面。在工藝過程中，前體氣體與激光束一起先通過一個噴嘴流向光學表面。然后，激光束分解氣體并在受損的光學表面上沉積固體二氧化硅。盡管這項技術仍處于早期階段，但它顯示了巨大的應用前景。通過使用 COMSOL Multiphysics 軟件來優化光束強度、位置和脈沖持續時間以及沉積材料的流動和濃度，該團隊在理解影響 L-CVD 的各種因素和解決未來增材損傷修復方面取得了非常大的進展。
L-CVD的速度和溫度場，顯示與前驅體流動相關的速度曲線（左）和汽化硅的速度流線（右）。
基于仿真研究激光與材料相互作用的好處
已經使用紅外微整形對 NIF 激光器中的大約 13 萬個損傷點進行了修復，部分是利用研究人員的多物理場仿真結果進行的優化。這使得該項目中的光學器件得以循環使用，并大大降低了項目成本。LLNL 的團隊還支持整個實驗室的用于3D 打印的增材制造計劃，這有可能是比修復損壞的光學器件具有更深遠意義的應用。
