科学家开发仿真软件模拟激光与物质的相互作用

　　图 4. L-CVD 的速度和温度场仿真。上：从直径 3 mm 的喷嘴中流出的 L-CVD 前体流动速度等值线，以及由于空气玻璃界面处激光加热诱发的温度场。下：汽化石英的速度流线，在左下角可以看到以扩散为主的玻璃传递(深蓝色)。

　　研究小组发现，如要避免一些较常见于 L-CVD 沉积剖面的多余特征，比如著名的“火山”特征，激光功率是一个关键的工艺参数。

　　“就我们所知，迄今为止，还没有任何其他方法可以通过将缺损材料替换为高等级基底材料来增材修复损伤。” Matthews 说道：“这一方法的成功应用可以降低加工成本、延长光学元件的使用寿命，并为一般的高功率激光应用带来抗刮伤能力更强的光学元件。此外，相对常规方法，L-CVD 对除石英玻璃之外的其他材料系统也颇具优势。能够模拟瞬态流动、反应和传热，对探索新应用有很大的帮助。”

　　五 从玻璃修复到制造

　　虽然使用 L-CVD 工艺翻新光学元件这一技术仍处于探索阶段，但作为 NIF 的光学修复项目之一，团队已经实现了基于 CO2 激光器的表面微成形，并通过多物理场仿真进行了优化。2014 年，NIF 已经使用红外微成形和其他技术修复了 13,000 个以上的受损点，他们正不断循环利用光学元件，保证了日常使用。

　　不过，他们对激光与物质之间相互作用的研究并没有止步于光学元件的修复。Mathews 和他的团队还进一步开发出了一项称作选择性激光烧结 (SLM)的 3D 打印增材工艺，以支持一个实验室级别的增材制造计划。“这项研究让我感觉非常兴奋。” Matthews 说道：“找出如何优化 3D 打印系统会给这一正在快速发展的行业带来重大的影响，在过去，我们很大程度上只能依赖试错法，现在则将能从这一基于模型的方法中受益。”

　　LLNL 光学元件损伤缓解和激光材料加工研究小组(从左到右)：Gabe Guss、Nan Shen、Norman Nielsen、Manyalibo Matthews、Rajesh Raman 和 Selim Elhadj。他们背后的设备用于研究高功率激光辐射下的金属粉末熔融动力学，这是金属基增材制造(3D 打印)领域的一个重要课题。