他們的溫度區(qū)間研究包含幾個(gè)關(guān)鍵溫度點(diǎn)：首先是理解材料在溫度達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度 (1,300 K) 時(shí)的熱彈性響應(yīng)， 此時(shí)，熔融石英的彈性響應(yīng)會(huì)突然增加，流阻降低。隨后，他們研究了當(dāng)溫度介于玻璃轉(zhuǎn)化溫度和蒸發(fā)點(diǎn) (約 2,200K) 時(shí)，玻璃在粘性流動(dòng)下的分子弛豫。最終的目標(biāo)是分析當(dāng)溫度介于 2,200 和 3,400 K 時(shí)，材料的蒸發(fā)和再沉積。

　　為了探討用于修復(fù)損壞光學(xué)元件的特定技術(shù)，Matthews 轉(zhuǎn)向 COMSOL Multiphysics? 軟件尋求幫助。“我決定使用 COMSOL 來(lái)更好地了解到底發(fā)生了什么。” Matthews 說(shuō)道：“軟件包含了所有必需的物理場(chǎng)，因此我可以輕松嘗試我的想法，省去了從頭開(kāi)始編寫(xiě)代碼所需花費(fèi)的時(shí)間和精力。”

　　根據(jù) Matthews 的說(shuō)法，COMSOL 在幫助他們理解激光與熔融石英之間的相互作用，以及完善特定修復(fù)方法方面發(fā)揮了巨大的作用。“高功率激光系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的容許度較低。要實(shí)現(xiàn)如此高標(biāo)準(zhǔn)的平坦度，需要進(jìn)行多方面的仿真。”他說(shuō)道。他所進(jìn)行的仿真包括流體中的傳熱、化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳質(zhì)，以及流體流動(dòng)。

　　圖 2. 仿真結(jié)果顯示了激光加熱玻璃的馬朗戈尼流。當(dāng)激光加熱在依賴于溫度的表面張力中造成梯度時(shí)，就會(huì)使材料快速向外流動(dòng)，形成看起來(lái)很像波紋或?qū)蛹?jí)的形狀。

　　三 紅外脈沖的激光微成形

　　雖然首先使用了慢速退火這一簡(jiǎn)單的方法來(lái)緩解光學(xué)元件的損傷(見(jiàn)圖 1 上部)，實(shí)驗(yàn)和仿真都顯示當(dāng)放置于激光束中的元件表面包含由熱毛細(xì)流或馬朗戈尼剪切應(yīng)力引發(fā)的表面波紋時(shí)，會(huì)造成我們不希望的光調(diào)制。圖 2 顯示了由于馬朗戈尼剪切應(yīng)力造成的激光誘導(dǎo)溫度剖面和材料位移仿真。

　　為了消除該效應(yīng)，Matthews 和他的同事們探討了使用更短激光脈沖(幾十微秒相對(duì)于每分鐘)來(lái)精確“切削”材料形狀，當(dāng)置于激光系統(tǒng)中時(shí)，切削后的形狀受到下游光調(diào)制的影響更小。在快速燒蝕緩解 (RAM) 方法中，使用紅外激光以略高于蒸發(fā)點(diǎn)的溫度加熱基底， 這將精確地移除極少量的材料，并生成一個(gè)光滑、無(wú)裂隙的表面。材料的納米級(jí)燒蝕將會(huì)重復(fù)上千次，甚至幾百萬(wàn)次，最終會(huì)形成一個(gè)光滑的圓錐形坑，該形狀是“光學(xué)上良性”的，不會(huì)造成下游光調(diào)制(見(jiàn)圖 1 下部)。

　　“盡管使用紅外激光來(lái)加工石英光學(xué)元件的歷史很長(zhǎng)。”Matthews 說(shuō)道：“人們卻很少嘗試通過(guò)理解其中的能量耦合和熱流來(lái)優(yōu)化這一工藝。通過(guò)在 COMSOL 中仿真大范圍的激光參數(shù)和材料屬性，我們能夠回答許多這類問(wèn)題。”

　　對(duì)燒蝕區(qū)域溫度和材料行為的仿真 結(jié)果較好地契合了團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“我們的研究成果將具有深遠(yuǎn)的影響。”Matthews 說(shuō)道：“除了能用于修復(fù)高功率脈沖激光系統(tǒng)中的損傷，還能用于幾乎所有需要激光拋光、退火，以及石英表面1微成形的系統(tǒng)。”

　　四 用于大型修復(fù)的激光化學(xué)氣相沉積

　　LLNL 團(tuán)隊(duì)研究的第三種用于修復(fù)受損光學(xué)元件的方法是激光-化學(xué)氣相沉積(L-CVD)。在此增材工藝中，石英前體氣體通過(guò)噴嘴“流到”表面上。利用一個(gè)窗口(見(jiàn)圖 3)將聚焦的 CO2 激光束耦合到噴嘴上，分解前體并在受損坑處沉積固體 Sio2 玻璃。對(duì)于帶有較大缺陷且較難使用紅外微成形或其他削除方法修復(fù)的光學(xué)元件表面，他們正在研究使用 L-CVD 來(lái)對(duì)表面進(jìn)行納米精度的修復(fù)。最終，將可能完全恢復(fù)這些光學(xué)元件的性能。

　　圖 3. 用于激光 CVD 工藝的光學(xué)耦合氣體噴嘴示意圖，氣體通過(guò)側(cè)向端口進(jìn)入，紅外激光通過(guò) ZnSe 窗口沿軸向進(jìn)入。

　　“通過(guò)仿真，我們實(shí)驗(yàn)了激光束強(qiáng)度、位置和脈沖時(shí)長(zhǎng)會(huì)如何影響沉積在光學(xué)元件上的材料數(shù)量。” Matthews 解釋說(shuō)。仿真可以確定石英分解時(shí)的濃度和流動(dòng)，以及沉積材料的位置(見(jiàn)圖 4)。