Nouvelles solutions antireflet robustes pour la fusion par confinement laser pour une alimentation énergétique propre de l'avenir

Avec des appareils à haute résolution, de petites défectuosités de surface peuvent être détectées. © Fraunhofer IMWS

Une composante optique partiellement anti-refletante exemplaire. © Fraunhofer IOF / Un exemple de composant optique partiellement anti-refletant. © Fraunhofer IOF

Image par balayage d'une nanostructure. © Fraunhofer IOF / Image à balayage d'une nanostructure. © Fraunhofer IOF

Pour que les futurs centrales de fusion laser puissent fonctionner de manière efficace et fiable, les technologies laser actuelles doivent être adaptées aux exigences extrêmes de hautes performances et de fonctionnement continu. Dans le nouveau projet de recherche « nanoAR », neuf partenaires issus de l'industrie et de la recherche travaillent sur des méthodes de dépolissage structurel et de réduction des dommages proches de la surface des composants optiques utilisés. Leurs approches pourraient également être appliquées à d'autres domaines d'utilisation pour les optiques haute performance.

Dans la fusion par confinement inertiel, des faisceaux laser de haute précision et de haute énergie sont utilisés pour comprimer et chauffer des capsules de combustible. La température et la pression dans les capsules augmentent alors de manière si importante que les noyaux atomiques fusionnent, libérant ainsi une grande quantité d'énergie. »Lorsque la quantité d'énergie produite dépasse celle consommée, la fusion par confinement laser peut devenir une source précieuse d'énergie propre pour l'avenir. Cependant, pour que cela soit possible, les technologies laser utilisées doivent être développées pour relever ces défis extrêmes«, explique le Dr.-Ing. Christian Rieck de Glatt Ingenieurtechnik GmbH à Weimar. Il coordonne le projet collaboratif prévu jusqu'en 2027, financé dans le cadre du programme de financement « Technologies de base pour la fusion – vers une centrale de fusion » du ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) avec six millions d'euros.

De nouvelles couches et structures de dépolissage doivent optimiser la guidage du faisceau laser

Les faisceaux laser doivent être alignés avec une précision extrême pour toucher uniformément la capsule de combustible et garantir une compression symétrique. Leur parcours est guidé par différents matériaux et atmosphères qui agissent comme des lentilles. Cela entraîne des pertes optiques, qui augmentent avec le nombre de lentilles utilisées. Lors de la rencontre du faisceau laser avec la capsule de combustible, de l'énergie est également perdue car le matériau de la capsule réfléchit une partie de l'énergie. Enfin, la haute énergie du laser provoque une dilatation thermique, qui varie selon la nature du matériau et peut entraîner des fissures ou d'autres dommages, nuisant à la précision et à la durée de vie des installations.

Les partenaires du projet se concentrent donc sur les couches de dépolissage, qui sont utilisées pour réduire les pertes par réflexion. Par exemple : lors du contact d’un laser avec du quartz, les pertes de réflexion sont d'environ 4 % par interface. Si le faisceau est dirigé 50 fois par une lentille en quartz, seuls 1,7 % de la puissance initiale traversent la dernière interface. C’est pourquoi les lentilles sont déjà aujourd’hui équipées de couches anti-reflets extrêmement fines et multicouches, qui réduisent efficacement ces pertes.

« Cependant, ces solutions semblent peu adaptées pour une utilisation dans de futurs réacteurs de fusion laser en pétawatt. En effet, avec une puissance laser nettement plus élevée, la charge thermique augmente : si le substrat et les couches anti-reflets se dilatent de manière différente, cela peut entraîner des défauts », explique la Dr. Nadja Felde du département « Surfaces fonctionnelles et couches » de l’Institut Fraunhofer pour l’Optique Appliquée et la Mécanique de Précision IOF à Jena. De plus, des dommages proches de la surface difficiles à détecter (dommages sous-surface, SSD), qui apparaissent par exemple lors du processus de fabrication et sont moins problématiques à des puissances laser plus faibles, peuvent devenir critiques dans des applications de fusion laser, notamment en fonctionnement continu avec des taux de répétition d’environ 10 Hz.

Combinaison de revêtements anti-reflets et de matériaux nanostructurés

Pour ouvrir la voie à des solutions durables, les partenaires du projet misent d’une part sur des couches de dépolissage nanostructurées ou poreuses basées sur des matériaux à large bande interdite, afin d’assurer la résistance à l’irradiation laser requise. D’autre part, ils expérimentent une approche soustractive : au lieu de combiner un matériau substrat avec plusieurs couches pour le dépolissage, ils optent pour des lentilles en un seul matériau, dont la surface nanostructurée doit conférer les propriétés anti-reflets souhaitées. À partir de deux matériaux à large bande interdite (quartz et fluorure de calcium), ils souhaitent développer des démonstrateurs pour différentes longueurs d’onde et durées d’impulsion, avec de grandes surfaces.

« Nous voulons démontrer que l’approche avec un dépolissage structurel peut être spécifiquement optimisée pour des applications laser de très haute performance, comme la fusion par confinement laser, et atteindre des effets anti-reflets aussi faibles que 0,5 % de réflexion résiduelle. Cette technologie offre également d’autres possibilités d’application dans le domaine des optiques haute performance », indique le Prof. Dr. Thomas Höche, responsable du domaine « Matériaux et technologies optiques » à l’Institut Fraunhofer pour la Microstructure des Matériaux et des Systèmes à Halle (Saale).

Partenaires industriels et de recherche dans le projet « nanoAR »

Les partenaires du projet « nanoAR » regroupent leur expertise en procédés de fabrication et de traitement pour réduire efficacement les SSD, en développement de processus technologiques ouverts pour la nanostructuration, y compris par simulation et modélisation, jusqu’à la caractérisation des matériaux à haute résolution et le développement de nouvelles méthodes pour le contrôle qualité.

Les participants au projet « Revêtements anti-reflets sur matériaux à large bande interdite (nanoAR) » sont Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), l’Institut Fraunhofer IOF (Jena), l’Institut Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), l’Institut Fraunhofer pour la Mécanique des Matériaux IWM (Freiburg), l’Institut Leibniz pour la Modifications de Surface IOM (Leipzig) et l’Université Ernst-Abbe (Jena).