Nová a odolná antireflexní řešení pro laserovou fúzi k zajištění čisté energetické budoucnosti

S vysoce rozlišujícími zařízeními lze odhalit malé poškození povrchů. © Fraunhofer IMWS / S vysoce rozlišujícími zařízeními lze detekovat malé povrchové defekty. © Fraunhofer IMWS

Příklad částečně protireflexní optické součásti. © Fraunhofer IOF / An example of a partially anti-reflective optical component. © Fraunhofer IOF

Skenovací elektronový snímek nanostruktury. © Fraunhofer IOF / Skenovací elektronový snímek nanostruktury. © Fraunhofer IOF

Pro budoucí laserové fúzní elektrárny, které mají pracovat efektivně a spolehlivě, je třeba aktuální laserové technologie přizpůsobit extrémním požadavkům na vysoké výkony a dlouhodobý provoz. V novém výzkumném projektu »nanoAR« pracuje devět projektových partnerů z průmyslu a výzkumu na metodách strukturálního odlesnění a snižování povrchových poškození optických komponentů používaných v laserových systémech. Jejich přístupy by mohly být také aplikovány na další oblasti použití vysoce výkonných optik.

Při laserové termojaderné fúzi jsou používány vysoce přesné a vysoce energetické laserové paprsky k zhutnění a zahřátí palivových kapslí. V kapslích stoupají teplota a tlak tak výrazně, že jádra atomů fúzují, což uvolňuje velké množství energie. »Pokud je získané množství energie větší než vložené, může laserová termojaderná fúze představovat cenný zdroj čisté energie pro budoucnost. Aby bylo možné toho dosáhnout, je třeba dále rozvíjet mimo jiné použité laserové technologie, které čelí extrémním výzvám«, říká Dr.-Ing. Christian Rieck ze společnosti Glatt Ingenieurtechnik GmbH v Weimaru. Koordinuje projekt, který je plánován do roku 2027 a je financován v rámci programu »Základní technologie pro fúzi – na cestě k fúzní elektrárně« Ministerstvem školství a výzkumu Německa (BMBF) s částkou šesti milionů eur.

Nové vrstvy a struktury odlesnění mají optimalizovat vedení laserového paprsku

Laserové paprsky musí být extrémně přesně směrovány, aby se rovnoměrně zasáhly palivová kapsle a zajistila se symetrická komprese. Jejich cesta je ovlivňována různými materiály a atmosférami, které fungují jako čočky. To vede k optickým ztrátám, které jsou vyšší, čím více čoček je použito. Při dopadu laserového paprsku na palivovou kapsli také dochází ke ztrátám energie, protože její materiál část energie odráží. Navíc vysoká energie laseru způsobuje tepelnou roztažnost, která se podle vlastností materiálu liší a může vést k prasklinám nebo jiným poškozením, což negativně ovlivňuje přesnost a životnost zařízení.

Proto se projektoví partneři zaměřují na vrstvy odlesnění, které se používají ke snížení odrazových ztrát. Například: při dopadu laseru na křemíkové sklo jsou odrazové ztráty asi 4 procenta na každé rozhraní. Pokud je paprsek veden 50krát čočkou z křemíkového skla, projde posledním rozhraním pouze 1,7 procenta počátečního výkonu. Proto jsou čočky již dnes opatřeny extrémně tenkými, vícenásobnými antireflexními vrstvami, které účinně snižují ztráty.

„Pro použití v budoucích petawattových laserových fúzních reaktorech se však tyto řešení zdají být málo vhodná. Protože výrazně vyšší laserový výkon zvyšuje tepelnou zátěž: pokud se substrát a vrstvy odlesnění různě rozpínají, hrozí defekty,“ říká Dr. Nadja Felde z oddělení „Funkční povrchy a vrstvy“ Fraunhoferova institutu pro aplikovanou optiku a přesnou mechaniku IOF v Jene. Navíc mohou být při použití v laserové fúzi kritická těžko rozpoznatelná povrchová poškození (Subsurface Damage, SSD), která vznikají například při výrobě, a při nižších laserových výkonech mají menší význam, avšak při dlouhodobém provozu s opakovací frekvencí cca 10 Hz mohou být problémem.

Kombinace antireflexní vrstvy a nanostrukturálních materiálů

Pro nalezení udržitelných řešení se projektoví partneři zaměřují na nanostrukturální nebo pórovité vrstvy odlesnění založené na materiálech s vysokou pásmovou šířkou, což má zajistit odolnost vůči laserovému záření. Dále testují subtraktivní přístup: namísto kombinace substrátu a několika vrstev materiálu, které slouží k odlesnění, používají čočky z jediného materiálu, jehož povrch je vhodnou nanostrukturou upraven tak, aby získal požadované vlastnosti proti odlesnění. Na příkladu dvou materiálů s velkou pásmovou šířkou (křemíkové sklo a fluorid vápenatý) mají být vyvinuty demonstrátory s velkými plochami pro různé vlnové délky a pulzové délky.

„Chceme dokázat, že přístup s strukturálním odlesněním může být cíleně optimalizován pro aplikace s nejvyšší výkonností laserů, jako je laserová termojaderná fúze, a dosáhnout co nejlepších odlesňovacích efektů pod 0,5 procenta zbytkové reflexe. Tato technologie má také další využití v oblasti vysoce výkonných optik,“ říká Prof. Dr. Thomas Höche, vedoucí oddělení „Optické materiály a technologie“ Fraunhoferova institutu pro mikrostruktury materiálů a systémů v Halle (Saale).

Partneři z průmyslu a výzkumu v projektu »nanoAR«

Partneři v projektu »nanoAR« spojují své odborné znalosti v oblasti výrobních a zpracovatelských procesů k účinnému snížení SSD prostřednictvím otevřeného vývoje technologií pro nanostrukturaci, včetně simulací a modelování, až po vysoce rozlišující charakterizaci materiálů a vývoj nových metod zajištění kvality.

Do projektu »Entspiegelnde Metaoberflächen auf Materialien mit großer Bandlücke (nanoAR)« jsou zapojeni společnosti Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), Fraunhofer IOF (Jena), Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (Freiburg), Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung IOM (Leipzig) a Hochschule Ernst Abbe (Jena).