Een nieuwe antireflectiecoating en een nieuw chemisch proces voor laseroptiek, ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), vertegenwoordigt een belangrijke doorbraak in zijn poging om de energie van de 192 gigantische lasers van de National Ignition Facility (NIF) te stimuleren, en de kosten verlagen voor het repareren of vervangen van beschadigde optica die essentieel zijn voor de werking ervan.

De coating is ontwikkeld om energieverslindende reflecties van het achteroppervlak van de roosterafvalschilden van de laserfaciliteit te overwinnen, of GDS. De GDS is de voorlaatste optiek voordat de laserstralen van NIF de doelkamer binnenkomen. andere optica beschermen tegen de omgeving van de doelkamer en helpen bij de diagnose van de energie van de laserstralen van NIF.

Een gepatenteerd chemisch proces, het Advanced Mitigation Process (AMP) genoemd, beschermt de optica verder door hun oppervlakken beter bestand te maken tegen beschadigingen door onzuiverheden te verwijderen en microfracturen te absorberen. Deze onvolkomenheden, bij blootstelling aan laserlicht, maak kleine schadekraters op het oppervlak, die groeien met herhaalde laserschoten en de levensduur van de optiek beperken. Zowel het AMP-proces als de coating zijn nodig om deze vermindering van de schadesnelheid en de mogelijkheid van hogere energie op NIF te realiseren.

Deze technologieën zijn het resultaat van aanhoudend onderzoek en ontwikkeling in de afgelopen tien jaar, een groot deel ervan wordt ondersteund door het Laboratory Directed Research and Development (LDRD) -programma van LLNL. Deze inspanning omvatte het vormen van een fundamenteel begrip van de betrokken scheikunde en natuurkunde - inclusief het isoleren en identificeren van absorberende voorlopers op nanoschaal die leiden tot laserschade, het begrijpen van de complexe interactiefysica van lasermaterie en het ontwikkelen van nieuwe chemische processen om deze te verminderen.

"Het maximaliseren van de hoeveelheid energie en schoten die NIF-doelen bereiken, is een cruciale factor in de inspanningen van de faciliteit om aan de behoeften van haar gebruikers en laboratoriummissies te voldoen, " zei Tayyab Suratwala, programmadirecteur voor Optica en Materiaalkunde en Technologie (OMST). "Door de schade aan de optica van NIF te minimaliseren, we kunnen aanzienlijke tijd en kosten besparen bij het recyclen of vervangen van optica die onbruikbaar worden, en daardoor het aantal beschikbare schoten voor onderzoekers te vergroten."

NIF is 's werelds grootste lasersysteem met de hoogste energie, in staat om de extreme temperaturen en drukken te creëren die nodig zijn voor op wetenschap gebaseerde voorraadbeheer en een dieper begrip van het universum. Bij NIF-laseropnamen, een complexe reeks optica, inclusief versterkers, spiegels en golflengteomvormers, versterkt en geleidt laserlicht in de doelkamer, waar het is gericht op miniatuurdoelen voor fusie van traagheidsopsluiting en fysica-experimenten met hoge energiedichtheid.

De GDS buigt een kleine hoeveelheid laserlicht af en stuurt het naar een apparaat dat wordt gebruikt om zijn energie te meten, om onderzoekers te helpen de laserenergie in de bundels van NIF in evenwicht te brengen wanneer ze de doelkamer binnenkomen. Problematische reflecties van deze optiek werden uiteindelijk verantwoordelijk voor veel van de schade die het ondervindt, volgens Marcus Monticelli, LLNL proces engineer lead.

Een rooster is een diffractieve optiek die licht splitst in verschillende golflengten die in bepaalde richtingen reizen, ongeveer analoog aan het regenboogpatroon op de achterkant van een compact disc. "Deze roosters moeten zeer stabiel zijn, " zei Monticelli. "De manier om het stabiel te houden, historisch, was om het onbekleed te laten, omdat de brekingsindex van de coating met de tijd kan veranderen. Dat zal de diffractie-efficiëntie aanzienlijk beïnvloeden, en dat zou problemen met de stroombalans op NIF veroorzaken."

Maar het ongecoat laten van een fused silica-optiek zoals de GDS resulteert in een boete in energie:bij de 352-nanometer, of ultraviolet, golflengte van de lasers van NIF, 3,7 procent van de laserenergie reflecteert via de bundellijn vanaf het uitgangsoppervlak van de optiek en moet worden opgevangen door een bundeldump, zodat deze andere optica niet beschadigt. "Als je het hebt over 1,8 megajoule op NIF in 3 nanoseconden, dat is een heel groot stuk kracht, "Monticelli zei, opmerkend dat onderzoekers sardonisch grappen dat "de grootste laser ter wereld NIF is, en 's werelds op een na grootste laser is de reflectie van NIF-optiek."

Een deel van dit gereflecteerde licht kaatste rond in de geïntegreerde optische module (IOM) die de uiteindelijke optica bevat, het creëren van een zeer gerichte lichtstraal, een scherpstellende "geest, " dat was intens genoeg om het strooilichtabsorberende glas van de IOM net boven het uitgangsoppervlak van de GDS te beschadigen. "Elke keer dat we de laser beschoten, " zei Jeff Bude, wetenschap en technologie leiden. "Het beschadigde de IOM en spuwde puin over de hele GDS."

De puindeeltjes creëerden duizenden potentiële schadeplaatsen op de GDS, waarvan vele, wanneer blootgesteld aan NIF's hoogenergetische laserstralen, werd uiteindelijk groot genoeg om de optiek onbruikbaar te maken. "Het puin dat schade veroorzaakte, beperkte de prestaties van de inherent schadebestendige AMP-behandelde optiek, " zei Bude. "Het begrijpen en oplossen van dit probleem was het resultaat van aanhoudend onderzoek en ontwikkeling naar de impact van verschillende soorten puin op laserschade en van nieuwe experimenten op NIF en in offline lasertestlaboratoria."

Door deze en andere oorzaken maar liefst 30-40 optica moesten per week uit dienst worden genomen, zodat schadelocaties lokaal konden worden gerepareerd via een proces dat bekend staat als de 'NIF Recycle Loop'. De lus is ontworpen om ervoor te zorgen dat NIF economisch op maximale energie werkt door de kans op schade te beperken en snel te handelen om verdere schade te beperken wanneer deze zich toch voordoet.

Om de problemen met gereflecteerd licht op te lossen, een door LLNL ontwikkelde coating van colloïdale silicadeeltjes, gemaakt door een sol-gel chemisch proces, werd gebruikt op het roosteroppervlak van de GDS. Deze deeltjes zijn behandeld met een chemische stof die het oppervlak aanpast, waardoor ze meer immuun zijn voor veranderingen in vochtigheid en andere omgevingsfactoren, en testen toonden aan dat het ideaal was voor gebruik als GDS-coating. Om de coatings op te nemen, het team moest het proces aanpassen voor het lithografisch afdrukken van de holografische roosters op het uitgangsoppervlak van de GDS-optiek. Gecontroleerde experimenten met zowel standaard als gecoat GDS, gecombineerd met andere laserverbeteringen zoals het verminderen van het bundelcontrast, toonde een meer dan 50-voudige vermindering van het aantal problematische schadeplaatsen.

Het testen van de gecoate en AMPed GDS begon ongeveer twee jaar geleden. Met ingang van maart, NIF is ongeveer driekwart van de weg door het vervangen van ongecoate GDS door het nieuwe model, aangezien de oudere versies hun bruikbaarheid overleven. Het team voorspelt dat de recyclingsnelheid voor beschadigde optica zal worden gehalveerd - van 30-40 per week tot 10-20 per week - wanneer alle antireflecterende GDS aanwezig zijn. Bij de huidige opnamesnelheid het aantal nieuwe GDS dat moet worden aangeschaft zal dalen van ongeveer 130 per jaar tot ongeveer 40, Suratwala zei - een aanzienlijke kostenbesparing.

NIF-experimenten ondersteunen het Stockpile Stewardship Program van de National Nuclear Security Administration om de veiligheid, veiligheid en betrouwbaarheid van het nucleaire afschrikmiddel van het land, terwijl het wetenschappers van over de hele wereld ook unieke omstandigheden van hitte en druk biedt voor fundamentele wetenschappelijke studies.

De resultaten van deze inspanning zullen worden gepubliceerd als onderdeel van een Optica Express papier later dit voorjaar.