Forskere udvikler næste generations NIF-optik for at øge energien og begrænse skader

En ny antireflekterende belægning og en ny kemisk proces til laseroptik, udviklet af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere, repræsenterer et vigtigt gennembrud i bestræbelserne på at øge energien fra National Ignition Facility (NIF) 192 gigantiske lasere, og reducere omkostningerne ved reparation eller udskiftning af beskadiget optik, der er afgørende for dets drift.

Belægningen blev udviklet for at overvinde reflekterende energirøver fra den bageste overflade af laseranlæggets ristningsrester, eller GDS. GDS er den næstsidste optik, før NIFs laserstråler kommer ind i målkammeret, beskytte anden optik mod målkammermiljøet og hjælpe med at diagnosticere energien fra NIF's laserstråler.

En patenteret kemisk proces, kaldet Advanced Mitigation Process (AMP), beskytter optikken yderligere ved at gøre deres overflader mere modstandsdygtige over for skader ved at fjerne urenheder og absorbere mikrobrud. Disse ufuldkommenheder, når de udsættes for laserlys, skabe små skader kratere på overfladen, som vokser med gentagne laseroptagelser og begrænser optikkens levetid. Både AMP -processen og belægningen er påkrævet for at realisere disse reduktioner af skadehastigheden og muligheden for højere energi på NIF.

Disse teknologier er et resultat af vedvarende forskning og udvikling i løbet af det sidste årti, meget af det understøttet af LLNL's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program. Denne indsats involverede dannelse af en grundlæggende forståelse af den involverede kemi og fysik - herunder isolering og identifikation af nanoskala -absorberende forstadier, der fører til laserskader, forståelse af den komplekse lasermateriale -interaktionsfysik og udvikle nye kemiske processer for at afbøde dem.

"Maksimering af mængden af ​​energi og skud, der når NIF -mål, er en kritisk faktor i anlæggets bestræbelser på at betjene brugernes behov og laboratoriemissioner, sagde Tayyab Suratwala, programdirektør for optik og materialevidenskab og teknologi (OMST). "Ved at minimere skadeprocenten på NIF's optik, vi kan spare betydelig tid og omkostninger ved genbrug eller udskiftning af optik, der bliver ubrugelig, og derved øge antallet af skud, der er tilgængelige for eksperimenter. "

NIF er verdens største og højeste energilasersystem, i stand til at skabe de ekstreme temperaturer og pres, der er nødvendige for videnskabsbaseret lagerforvaltning og uddybe forståelsen af ​​universet. I NIF -laseroptagelser, en kompleks optikserie, herunder forstærkere, spejle og bølgelængdeomformere, styrker og leder laserlys ind i målkammeret, hvor det er fokuseret på miniaturemål for inertial indeslutningsfusion og fysiske eksperimenter med høj energitæthed.

GDS afleder en lille mængde laserlys og sender det til en enhed, der bruges til at måle dets energi, for at hjælpe forskere med at balancere laserenergien i NIF's stråler, når de kommer ind i målkammeret. Problematiske refleksioner fra denne optik blev i sidste ende ansvarlig for meget af den skade, den oplever, ifølge Marcus Monticelli, LLNL procesingeniør leder.

Et gitter er en diffraktiv optik, der opdeler lys i forskellige bølgelængder, der bevæger sig i bestemte retninger, nogenlunde analogt med regnbuemønsteret set på bagsiden af ​​en CD. "Disse gitre skal være meget stabile, "Sagde Monticelli." Måden at holde det stabilt på, historisk set skulle lade det stå uden belægning, fordi brydningsindekset for belægningen kan ændre sig med tiden. Det vil påvirke diffraktionseffektiviteten betydeligt, og det ville forårsage problemer med strømbalancering på NIF. "

Men at efterlade en smeltet silicaoptik som GDS ucoated resulterer i en straf i energi:ved 352-nanometeret, eller ultraviolet, bølgelængde af NIF's lasere, 3,7 procent af laserenergien reflekterer strålelinjen fra optikkens udgangsoverflade og skal fanges af en stråledump, så den ikke beskadiger anden optik. "Når du taler om 1,8 megajoules på NIF på 3 nanosekunder, det er en meget stor portion magt, "Sagde Monticelli, bemærker, at forskere sardonisk har spøgt med, at "verdens største laser er NIF, og verdens næststørste laser er refleksionen fra NIF -optik. "

Noget af dette reflekterede lys sprang rundt i det integrerede optikmodul (IOM), der indeholder den sidste optik, skaber en meget fokuseret lysstråle, et fokuserende "spøgelse, "det var intenst nok til at beskadige IOM's lysende lysabsorberende glas lige over udgangsfladen på GDS." Hver gang vi skød laseren, "sagde Jeff Bude, videnskab og teknologi fører. "Det ødelagde IOM og spyttede affald overalt i GDS."

Affaldspartiklerne skabte tusindvis af potentielle skader på GDS, hvoraf mange, når de udsættes for NIF's højenergielaserstråler, blev til sidst stor nok til at gøre optikken ubrugelig. "Affaldet, der forårsagede skader, begrænsede ydeevnen for den iboende skadebestandige AMP-behandlede optik, "Bude sagde." At forstå og løse dette problem var et resultat af vedvarende forskning og udvikling om forskellige former for affalds indvirkning på laserskader og fra nye eksperimenter på NIF og i offline lasertestlaboratorier. "

På grund af dette og andre årsager, så mange som 30-40 optik om ugen skulle fjernes fra service, så skadesteder kunne repareres lokalt gennem en proces kendt som "NIF Recycle Loop". Løkken er designet til at sikre, at NIF økonomisk fungerer ved maksimal energi ved at begrænse sandsynligheden for skader og handle hurtigt for at afbøde yderligere skader, når den sker.

For at løse problemer med reflekteret lys, en LLNL-udviklet kolloidal silica-partikelbelægning, fremstillet ved en kemisk sol-gel-proces, blev brugt på ristoverfladen af ​​GDS. Disse partikler blev behandlet med et kemikalie, der modificerer overfladen, gør dem mere immune over for ændringer i fugtighed og andre miljøfaktorer, og test viste, at den var ideel til brug som GDS -belægning. For at rumme belægningerne, teamet havde brug for at ændre processen for litografisk aftryk af de holografiske riste på udgangsoverfladen af ​​GDS -optikken. Kontrollerede forsøg med både standard og belagt GDS, kombineret med andre laserforbedringer såsom reducering af strålekontrast, viste en mere end 50-faldig reduktion i antallet af problematiske skadesteder.

Test af den belagte og AMPed GDS begyndte for cirka to år siden. Fra marts NIF er omkring tre fjerdedele af vejen til at erstatte ubestrøget GDS med den nye model, da de ældre versioner overlever deres anvendelighed. Teamet forudser, at genbrugshastigheden for beskadiget optik vil blive halveret-fra 30-40 om ugen til 10-20 om ugen-når alle de antireflekterende GDS er på plads. Ved den aktuelle skudhastighed, antallet af nye GDS, der skal købes, falder fra cirka 130 om året til cirka 40, Suratwala sagde - en betydelig besparelse.

NIF -eksperimenter understøtter National Nuclear Security Administration's Stockpile Stewardship Program for at sikre sikkerheden, sikkerhed og pålidelighed af landets atomafskrækkende virkning, samtidig med at forskere fra hele verden får unikke varme- og trykforhold til grundlæggende videnskabelige undersøgelser.

Resultaterne af denne indsats vil blive offentliggjort som en del af en Optik Express papir senere på foråret.