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)。
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。
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 來更好地了解到底發(fā)生了什么。” Matthews 說道：“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，省去了從頭開始編寫代碼所需花費(fèi)的時(shí)間和精力。”
根據(jù) Matthews 的說法，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)單的方法來緩解光學(xué)元件的損傷(見圖 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(見圖 1 下部)。
“盡管使用紅外激光來加工石英光學(xué)元件的歷史很長(zhǎng)。”Matthews 說道：“人們卻很少嘗試通過理解其中的能量耦合和熱流來優(yōu)化這一工藝。通過在 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，石英前體氣體通過噴嘴“流到”表面上。利用一個(gè)窗口(見圖 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，氣體通過側(cè)向端口進(jìn)入，紅外激光通過 ZnSe 窗口沿軸向進(jìn)入。
“通過仿真，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。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(見圖 4)。
圖 4. L-CVD 的速度和溫度場(chǎng)仿真。上：從直徑 3 mm 的噴嘴中流出的 L-CVD 前體流動(dòng)速度等值線，以及由于空氣玻璃界面處激光加熱誘發(fā)的溫度場(chǎng)。下：汽化石英的速度流線，在左下角可以看到以擴(kuò)散為主的玻璃傳遞(深藍(lán)色)。
研究小組發(fā)現(xiàn)，如要避免一些較常見于 L-CVD 沉積剖面的多余特征，比如著名的“火山”特征，激光功率是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。
“就我們所知，迄今為止，還沒有任何其他方法可以通過將缺損材料替換為高等級(jí)基底材料來增材修復(fù)損傷。” Matthews 說道：“這一方法的成功應(yīng)用可以降低加工成本、延長(zhǎng)光學(xué)元件的使用壽命，并為一般的高功率激光應(yīng)用帶來抗刮傷能力更強(qiáng)的光學(xué)元件。此外，相對(duì)常規(guī)方法，L-CVD 對(duì)除石英玻璃之外的其他材料系統(tǒng)也頗具優(yōu)勢(shì)。能夠模擬瞬態(tài)流動(dòng)、反應(yīng)和傳熱，對(duì)探索新應(yīng)用有很大的幫助。”
五 從玻璃修復(fù)到制造
雖然使用 L-CVD 工藝翻新光學(xué)元件這一技術(shù)仍處于探索階段，但作為 NIF 的光學(xué)修復(fù)項(xiàng)目之一，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于 CO2 激光器的表面微成形，并通過多物理場(chǎng)仿真進(jìn)行了優(yōu)化。2014 年，NIF 已經(jīng)使用紅外微成形和其他技術(shù)修復(fù)了 13,000 個(gè)以上的受損點(diǎn)，他們正不斷循環(huán)利用光學(xué)元件，保證了日常使用。
不過，他們對(duì)激光與物質(zhì)之間相互作用的研究并沒有止步于光學(xué)元件的修復(fù)。Mathews 和他的團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開發(fā)出了一項(xiàng)稱作選擇性激光燒結(jié) (SLM)的 3D 打印增材工藝，以支持一個(gè)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的增材制造計(jì)劃。“這項(xiàng)研究讓我感覺非常興奮。” Matthews 說道：“找出如何優(yōu)化 3D 打印系統(tǒng)會(huì)給這一正在快速發(fā)展的行業(yè)帶來重大的影響，在過去，我們很大程度上只能依賴試錯(cuò)法，現(xiàn)在則將能從這一基于模型的方法中受益。”
LLNL 光學(xué)元件損傷緩解和激光材料加工研究小組(從左到右)：Gabe Guss、Nan Shen、Norman Nielsen、Manyalibo Matthews、Rajesh Raman 和 Selim Elhadj。他們背后的設(shè)備用于研究高功率激光輻射下的金屬粉末熔融動(dòng)力學(xué)，這是金屬基增材制造(3D 打印)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。
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