Nuevas y robustas soluciones antirreflejo para la fusión por láser con el fin de una energía limpia en el futuro

Con dispositivos de alta resolución, se pueden detectar pequeñas imperfecciones en las superficies. © Fraunhofer IMWS / Con equipos de alta resolución, se pueden detectar pequeñas deficiencias en la superficie. © Fraunhofer IMWS

Una componente óptica parcialmente antirreflejo. © Fraunhofer IOF / Un ejemplo de un componente óptico parcialmente antirreflejo. © Fraunhofer IOF

Imagen de microscopía electrónica de barrido de una nanostructura. © Fraunhofer IOF / Imagen de microscopía electrónica de una nanostructura. © Fraunhofer IOF

Para que las futuras centrales de fusión láser puedan operar de manera eficiente y confiable, las tecnologías láser actuales deben adaptarse a los requisitos extremos de altas potencias y operación continua. En el nuevo proyecto de investigación »nanoAR«, nueve socios de la industria y la investigación trabajan en métodos para la eliminación estructural de la reflexión y la reducción de daños superficiales cercanos a los componentes ópticos utilizados. Sus enfoques también podrían aplicarse a otros campos de aplicación de ópticas de alta potencia.

En la fusión por tracción láser, se utilizan haces láser de alta precisión y alta energía para comprimir y calentar cápsulas de combustible. En las cápsulas, la temperatura y la presión aumentan tanto que los núcleos atómicos fusionan, liberando una gran cantidad de energía. »Si la cantidad de energía obtenida es mayor que la invertida, la fusión por tracción láser puede ser una fuente valiosa de energía limpia para el futuro. Para que esto sea posible, las tecnologías láser utilizadas deben seguir desarrollándose para afrontar los desafíos extremos«, dice el Dr.-Ing. Christian Rieck de Glatt Ingenieurtechnik GmbH en Weimar. Él coordina el proyecto conjunto, que está previsto hasta 2027 y que es financiado por el programa de subvenciones »Tecnologías básicas para la fusión – en camino hacia una central de fusión« del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) con seis millones de euros.

Capas y estructuras antirreflejo innovadoras para optimizar la conducción del haz láser

Los haces láser deben estar alineados con una precisión extrema para impactar de manera uniforme en la cápsula de combustible y garantizar una compresión simétrica. Su camino está guiado por diversos materiales y atmósferas que actúan como lentes. Esto conduce a pérdidas ópticas, que aumentan cuanto más lentes se utilizan. También, al incidir el haz láser en la cápsula de combustible, se pierde energía porque su material refleja parte de la energía. Además, la alta energía del láser provoca expansión térmica, que varía según la naturaleza del material y puede causar grietas u otros daños, afectando negativamente la precisión y la durabilidad de las instalaciones.

Por ello, los socios del proyecto se centran en las capas antirreflejo que se utilizan para reducir las pérdidas por reflexión. Como ejemplo: al impactar un láser en vidrio de cuarzo, las pérdidas por reflexión son aproximadamente del 4 por ciento por interfaz. Cuando el haz se dirige 50 veces con una lente de vidrio de cuarzo, solo pasa el 1,7 por ciento de la potencia inicial por la última interfaz. Por ello, ya se utilizan lentes con capas antirreflejo extremadamente delgadas y multicapa, que reducen eficazmente las pérdidas.

»Sin embargo, estas soluciones parecen poco adecuadas para su uso en futuros reactores de fusión láser de petavatio. La mayor potencia láser aumenta la carga térmica: si el sustrato y las capas antirreflejo se expanden de manera diferente, pueden surgir defectos«, dice la Dra. Nadja Felde del departamento »Superficies funcionales y capas« en el Instituto Fraunhofer para Óptica Aplicada y Mecánica de Precisión IOF en Jena. Además, los daños superficiales cercanos a la superficie (Daño Subsuperficial, SSD), que se producen en el proceso de fabricación y que tienen menor impacto en láseres de menor potencia, pueden volverse críticos en aplicaciones de fusión láser, especialmente en operación continua a tasas de repetición de aproximadamente 10 Hz.

Combinación de recubrimiento antirreflejo y materiales nanostructurados

Para desarrollar soluciones viables, los socios del proyecto apuestan por capas antirreflejo nanostructuradas o porosas basadas en materiales con banda prohibida alta, que garantizan la resistencia a la radiación láser requerida. Además, prueban un enfoque sustractivo: en lugar de combinar un material base con varias capas para reducir la reflexión, utilizan lentes de un solo material que, mediante una nan Estructuración adecuada de su superficie, adquieren las propiedades antirreflejo deseadas. A partir de dos materiales con banda prohibida grande (vidrio de cuarzo y fluoruro de calcio), se desarrollarán demostradores con superficies amplias para diferentes longitudes de onda y pulsos.

»Queremos demostrar que el enfoque con una eliminación estructural de la reflexión puede optimizarse específicamente para aplicaciones de láser de alta potencia, como la fusión por tracción láser, logrando efectos antirreflejo de hasta menos del 0,5 por ciento de reflexión residual. Además, esta tecnología ofrece otras oportunidades de aplicación en el campo de las ópticas de alta potencia«, dice el Prof. Dr. Thomas Höche, jefe del área »Materiales y tecnologías ópticas« en el Instituto Fraunhofer para Microestructuras de Materiales y Sistemas en Halle (Saale).

Socios de la industria y la investigación en el proyecto »nanoAR«

Los socios del proyecto reúnen en »nanoAR« su experiencia en procesos de fabricación y mecanizado para reducir eficazmente SSD, mediante el desarrollo de procesos abiertos para la creación de nanostructuras, también mediante simulaciones y modelado, hasta la caracterización de materiales de alta resolución y el desarrollo de nuevos métodos para el aseguramiento de la calidad.

Participan en el proyecto »Recubrimientos metaantirreflejo en materiales con banda prohibida grande (nanoAR)« las empresas Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), el Fraunhofer IOF (Jena), el Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), el Fraunhofer Instituto de Mecánica de Materiales IWM (Freiburgo), el Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung IOM (Leipzig) y la Hochschule Ernst-Abbe (Jena).