Nuove e robuste soluzioni antiriflesso per la fusione laser a portata di mano per un futuro di energia pulita

Con dispositivi ad alta risoluzione, è possibile rilevare piccoli difetti superficiali. © Fraunhofer IMWS / Con apparecchiature ad alta risoluzione, si possono individuare piccoli difetti sulla superficie. © Fraunhofer IMWS

Un componente ottico parzialmente antiriflessivo di esempio. © Fraunhofer IOF / Un esempio di componente ottico parzialmente antiriflessivo. © Fraunhofer IOF

Immagine a scansione elettronica di una nanostruttura. © Fraunhofer IOF / Immagine a scansione elettronica di una nanostruttura. © Fraunhofer IOF

Affinché i futuri impianti di fusione laser possano funzionare in modo efficiente e affidabile, le tecnologie laser attuali devono essere adattate alle esigenze estreme di alte prestazioni e funzionamento continuo. Nel nuovo progetto di ricerca »nanoAR« lavorano nove partner di progetto provenienti dall'industria e dalla ricerca su metodi per l'eliminazione delle riflessioni strutturali e la riduzione dei danni superficiali delle componenti ottiche impiegate. I loro approcci potrebbero essere applicati anche ad altri campi di applicazione per ottiche ad alte prestazioni.

Nel processo di fusione laser a inerzia, vengono utilizzati raggi laser ad alta precisione e alta energia per comprimere e riscaldare le capsule di combustibile. All’interno delle capsule, temperatura e pressione aumentano così tanto che i nuclei atomici si fondono, rilasciando una grande quantità di energia. »Se la quantità di energia ottenuta è superiore a quella impiegata, la fusione laser a inerzia può diventare una preziosa fonte di energia pulita per il futuro. Perché ciò possa avvenire, è necessario sviluppare ulteriormente le tecnologie laser impiegate per affrontare le sfide estreme«, afferma il Dr.-Ing. Christian Rieck della Glatt Ingenieurtechnik GmbH di Weimar. Coordina il progetto congiunto, previsto fino al 2027, finanziato dal programma di sostegno »Tecnologie di base per la fusione – verso una centrale di fusione« del Ministero federale dell’istruzione e della ricerca (BMBF) con sei milioni di euro.

Schemi innovativi di rivestimenti antiriflesso e strutture mirano a ottimizzare la guida del raggio laser

I raggi laser devono essere allineati con estrema precisione per colpire uniformemente la capsula di combustibile e garantire una compressione simmetrica. Il loro percorso viene controllato attraverso vari materiali e atmosfere che funzionano come lenti. Ciò comporta perdite ottiche, che aumentano con il numero di lenti impiegate. Anche l’energia si perde quando il raggio laser colpisce la capsula di combustibile, poiché il materiale riflette parte dell’energia. Infine, l’alta energia del laser provoca un’espansione termica, che varia a seconda delle proprietà del materiale e può causare crepe o altri danni, compromettendo la precisione e la durata delle apparecchiature.

I partner di progetto si concentrano quindi sui rivestimenti antiriflesso usati per ridurre le perdite di riflessione. Ad esempio: quando un laser colpisce il quarzo, le perdite di riflessione sono circa il 4% per ogni interfaccia. Se il raggio viene guidato 50 volte da una lente in quarzo, solo l’1,7% della potenza iniziale attraversa l’ultima interfaccia. Per questo motivo, oggi le lenti sono già dotate di sottili rivestimenti antiriflesso multistrato che riducono efficacemente le perdite.

»Tuttavia, queste soluzioni sembrano poco adatte per l’uso in futuri reattori di fusione laser petawatt. Infatti, con l’aumento della potenza laser, aumenta anche il carico termico: se il substrato e i rivestimenti antiriflesso si espandono in modo diverso, si rischiano difetti«, afferma la Dr.ssa Nadja Felde del dipartimento »Superfici funzionali e rivestimenti« dell’Istituto Fraunhofer per l’ottica applicata e la microtecnica IOF di Jena. Inoltre, danni superficiali difficili da individuare (danni sotto superficie, SSD), che si formano durante il processo di produzione e sono meno rilevanti a potenze laser inferiori, possono diventare critici nelle applicazioni di fusione laser, specialmente in funzionamento continuo con frequenze di ripetizione di circa 10 Hz.

Combinazione di rivestimenti antiriflesso e materiali nanostrutturati

Per sviluppare soluzioni sostenibili, i partner di progetto puntano da un lato su rivestimenti antiriflesso nanostrutturati o porosi basati su materiali con ampia banda proibita, che garantiscano la resistenza richiesta alle radiazioni laser. Dall’altro, sperimentano un approccio sottrattivo: invece di combinare un substrato con più strati di materiali per l’antiriflesso, utilizzano lenti realizzate in un unico materiale, la cui superficie nanostrutturata conferisce le proprietà antiriflesso desiderate. Con l’esempio di due materiali con ampia banda proibita (quarzo e fluoruro di calcio), si svilupperanno dimostratori per diverse lunghezze d’onda e impulsi con superfici di grandi dimensioni.

»Vogliamo dimostrare che l’approccio con un rivestimento strutturale può essere ottimizzato specificamente per applicazioni di laser ad alte prestazioni come la fusione laser a inerzia, raggiungendo effetti antiriflesso inferiori allo 0,5% di riflessione residua. La tecnologia offre anche ulteriori opportunità di utilizzo nel campo delle ottiche ad alte prestazioni«, afferma il Prof. Dr. Thomas Höche, responsabile del settore »Materiali e tecnologie ottiche« presso l’Istituto Fraunhofer per le microstrutture di materiali e sistemi di Halle (Saale).

Partner industriali e di ricerca nel progetto »nanoAR«

I partner di progetto combinano nel progetto »nanoAR« le loro competenze nei processi di produzione e lavorazione per la riduzione efficace dei SSD, attraverso lo sviluppo di processi aperti per la nanostrutturazione, anche mediante simulazioni e modellazioni, fino alla caratterizzazione dei materiali ad alta risoluzione e allo sviluppo di nuove metodologie per il controllo qualità.

Coinvolti nel progetto »Rivestimenti metallo-superficiali antiriflesso su materiali con ampia banda proibita (nanoAR)« sono Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), l’Istituto Fraunhofer IOF (Jena), l’Istituto Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), l’Istituto Fraunhofer per la meccanica dei materiali IWM (Freiburg), l’Istituto Leibniz per la modifica delle superfici IOM (Leipzig) e l’Università Ernst-Abbe (Jena).