Új és strapabíró antireflexmegoldások lézeres tömegfúzióhoz a jövő tiszta energiaellátásához

Kiváló felbontású eszközökkel kis felületi sérülések is észlelhetők. © Fraunhofer IMWS / With high-resolution equipment, small surface defects can be detected. © Fraunhofer IMWS

Egy példaszerű részben antireflexiós optikai alkatrész. © Fraunhofer IOF / An example of a partially anti-reflective optical component. © Fraunhofer IOF

Rasterscan-Elektronenmikroskopie einer Nanostruktur. © Fraunhofer IOF / Rasterelektronenbild einer Nanostruktur. © Fraunhofer IOF

Az elkövetkező lézerfúziós erőművek hatékony és megbízható működéséhez a jelenlegi lézertechnológiákat az extrém teljesítmény- és folyamatos üzemelési követelményekhez kell igazítani. Az új kutatási projektben, »nanoAR«, kilenc ipari és kutatópartner dolgozik a szerkezeti elnyelés csökkentésének és a felületi károsodások minimalizálásának módszerein az alkalmazott optikai komponenseken. Az általuk kidolgozott megközelítések más alkalmazási területeken is átültethetők a nagy teljesítményű optikák számára.

A lézeres hajtású fúzió során nagy pontosságú és nagy energiájú lézersugarakat használnak az üzemanyag-kapszulák összenyomására és felmelegítésére. A kapszulákban a hőmérséklet és a nyomás annyira megnő, hogy az atommagok fúzióba lépnek, ami nagy mennyiségű energiát szabadít fel. »Ha a nyert energia mennyisége nagyobb, mint a felhasznált, a lézeres hajtású fúzió értékes forrás lehet a jövő tiszta energiatermeléséhez. Ahhoz azonban, hogy ez sikerüljön, többek között a használt lézertechnológiákat az extrém kihívásokhoz kell továbbfejleszteni«, mondja Dr.-Ing. Christian Rieck a Glatt Ingenieurtechnik GmbH-tól Weimarban. Ő koordinálja a 2027-ig tartó, »Alaptechnológiák a fúzióhoz – az út a fúziós erőmű felé« című szövetségi minisztérium által támogatott projektet, melyet hatmillió euróval finanszíroz az Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF).

Új típusú elnyeléscsökkentő rétegek és szerkezetek optimalizálják a lézersugárvezetést

A lézersugaraknak rendkívül pontosan kell irányítaniuk, hogy egyenletesen találkozzanak az üzemanyag-kapszulával, és szimmetrikus összenyomást biztosítsanak. Az útjukat különböző anyagok és atmoszférák vezetik, amelyek lencsékhez hasonlóan működnek. Ez optikai veszteségekhez vezet, amelyek annál magasabbak, minél több lencsét alkalmaznak. A lézersugár találkozásakor a kapszulával energia veszik el, mivel az anyaga egy része visszaveri az energiát. Végül a lézer magas energiája termikus tágulást okoz, amely az anyag tulajdonságaitól függően különböző mértékben jelentkezik, és repedéseket vagy más károsodásokat okozhat, ezáltal rontva a pontosságot és az élettartamot.

A projektpartnerek ezért az elnyeléscsökkentő rétegekre összpontosítanak, amelyek a reflexiós veszteségek csökkentésére szolgálnak. Például: amikor egy lézer a kvardüveghez ér, a reflexiós veszteségek körülbelül 4 százalékosak minden határfelületen. Ha a sugár 50 alkalommal irányul kvardüveg-lencsén keresztül, akkor csak 1,7 százalék marad az eredeti teljesítményből a legutolsó határfelületen. Ezért már ma is extrémen vékony, több rétegből álló antireflexiós rétegekkel látják el a lencséket, amelyek hatékonyan csökkentik a veszteségeket.

»Az ilyen megoldások azonban alig alkalmasak a jövő petawattos lézerfúziós reaktorainak alkalmazására. Mivel a lézer teljesítménye jelentősen növekszik, a termikus terhelés is nő: ha az alátétek és az antireflexiós rétegek különböző mértékben tágulnak, károk keletkezhetnek«, mondja Dr. Nadja Felde az Fraunhofer Optikai és Finommechanikai Intézet (IOF) funkcionális felületek és rétegek osztályától Jénában. Emellett a felületi károsodások, például a gyártási folyamat során keletkező, nehezen észrevehető szubfelszíni károsodások (SSD) kritikusak lehetnek a lézerfúziós alkalmazásokban – különösen folyamatos üzemmódban, kb. 10 Hz ismétlési rátával.

Kombináció antireflexiós bevonattal és nanostrukturált anyagokkal

Az életképes megoldások kidolgozása érdekében a projektpartnerek egyrészt nanostrukturált vagy pórusos elnyeléscsökkentő rétegeket alkalmaznak, amelyek magas sávszélességű anyagokon alapulnak, ezáltal biztosítva a lézeres sugárzásnak való ellenállóságot. Másrészt egy subtractív megközelítést próbálnak ki: nem egy alátét anyagból és több rétegből álló elnyeléscsökkentő szerkezetből, hanem egyetlen anyagból készült lencsék alkalmazásával, amelyek megfelelő nanostrukturálásukkal elérik a kívánt anti-reflex tulajdonságokat. Két magas sávszélességű anyag, a kvardüveg és a kalcium-fluorid példáján keresztül különböző hullám- és impulzushosszúságú demonstrátorokat fejlesztenek nagy felületeken.

„Célunk bebizonyítani, hogy a szerkezeti elnyeléscsökkentés módszerével a legmagasabb teljesítményű lézerekhez, például a lézerfúzióhoz optimalizálható, és lehetőség szerint 0,5 százalék alatti maradék reflexióval érhető el a legjobb elnyelés. Ez a technológia további lehetőségeket kínál a nagy teljesítményű optikák területén”, mondja Prof. Dr. Thomas Höche, az »Optikai anyagok és technológiák« szakterület vezetője a Fraunhofer Mikrostruktúrák és Rendszerek Intézetében Halle (Saale).

Ipari és kutatói partnerek a »nanoAR« projektben

A projekt partnerei a »nanoAR« keretében összegzik szakértelmüket a gyártási és megmunkálási eljárásokban, a SSD hatékony csökkentése érdekében, nyitott technológiai folyamatfejlesztéssel a nanostruktúrák létrehozására, beleértve szimulációkat és modellezést, egészen a legmagasabb felbontású anyagjellemzésig és új módszerek kifejlesztéséig a minőségbiztosítás területén.

A »nanoAR« projektben részt vesznek a Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), a POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), a FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), a Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), a Fraunhofer IOF (Jena), a Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), a Fraunhofer Anyagmechanika Intézet IWM (Freiburg), a Leibniz Felületi Módosítás Intézet IOM (Leipzig) és az Ernst-Abbe Főiskola (Jena).