Nieuwe en robuuste antireflectieoplossingen voor laser-gedragen fusie voor een schone energievoorziening van de toekomst

Met hoogwaardig apparatuur kunnen kleine beschadigingen aan oppervlakken worden gedetecteerd. © Fraunhofer IMWS / With high-resolution equipment, small surface defects can be detected. © Fraunhofer IMWS

Een voorbeeld van een gedeeltelijk antireflecterende optische component. © Fraunhofer IOF / An example of a partially anti-reflective optical component. © Fraunhofer IOF

Rasterelektronenaufnahme einer Nanostruktur. © Fraunhofer IOF / Scanning electron image of a nanostructure. © Fraunhofer IOF

Om toekomstige laserfusiereactoren efficiënt en betrouwbaar te laten werken, moeten huidige lasertechnologieën worden aangepast aan de extreme eisen van hoge prestaties en continu gebruik. In het nieuwe onderzoeksproject »nanoAR« werken negen projectpartners uit industrie en onderzoek aan methoden voor structurele ont-spiegeling en het verminderen van oppervlakkige schade aan de gebruikte optische componenten. Hun benaderingen zouden ook op andere toepassingsgebieden voor high-performance optieken kunnen worden overgedragen.

Bij laserdrijf-energie fusie worden uiterst precieze en hoogenergetische laserstralen gebruikt voor de compressie en het opwarmen van brandstofcapsules. In de capsules stijgen temperatuur en druk zo sterk dat atoomkernen fuseren, wat een grote hoeveelheid energie vrijmaakt. »Als de gewonnen hoeveelheid energie groter is dan de gebruikte, kan laserdrijf-energie fusie een waardevolle bron voor een schone energievoorziening van de toekomst zijn. Om dit te laten slagen, moeten onder andere de gebruikte lasertechnologieën verder worden ontwikkeld om de extreme uitdagingen aan te kunnen«, zegt Dr.-Ing. Christian Rieck van Glatt Ingenieurtechnik GmbH in Weimar. Hij coördineert het tot 2027 lopende samenwerkingsproject, dat wordt gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) binnen het subsidieprogramma »Basistechnologieën voor fusie – op weg naar een fusiekrachtcentrale« met zes miljoen euro.

Nieuw ontwikkelde ont-spiegelingslagen en -structuren moeten laserstraalgeleiding optimaliseren

De laserstralen moeten uiterst precies worden uitgelijnd om de brandstofcapsule gelijkmatig te raken en een symmetrische compressie te garanderen. Hun pad wordt daarbij gestuurd door verschillende materialen en atmosferen die als lenzen fungeren. Dit leidt tot optische verliezen, die toenemen naarmate er meer lenzen worden ingezet. Ook gaat energie verloren bij het raken van de laserstraal op de brandstofcapsule, omdat het materiaal daarvan een deel van de energie reflecteert. Niet in de laatste plaats zorgt de hoge energie van de laser voor thermische uitzetting, die afhankelijk van de materiaaleigenschappen sterk kan variëren en kan leiden tot scheuren of andere beschadigingen, wat de precisie en de levensduur van de systemen negatief kan beïnvloeden.

Daarom richten de projectpartners zich op de ont-spiegelingslagen die worden gebruikt om reflectieverliezen te verminderen. Als voorbeeld: bij het raken van quartzglas ligt het reflectieverlies bij ongeveer 4 procent per grensvlak. Wanneer de straal 50 keer wordt geleid door een quartzglas-lens, passeren slechts nog 1,7 procent van de uitgangsvermogen de laatste grensvlak. Daarom worden lenzen al vandaag de dag voorzien van uiterst dunne, meerlaagse antireflectiecoatings die verliezen effectief verminderen.

»Voor gebruik in toekomstige petawatt-laserfusiereactoren lijken deze oplossingen echter nauwelijks geschikt. Want door de veel hogere laserprestatie neemt de thermische belasting toe: als substraten en antireflectiecoatings zich verschillend uitzetten, dreigen defecten«, zegt Dr. Nadja Felde van de afdeling »Functionele oppervlakken en lagen« aan het Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. Daarnaast kunnen moeilijk te detecteren oppervlakkige schade (Subsurface Damage, SSD), die bijvoorbeeld tijdens het productieproces ontstaat en bij lagere laserprestaties minder relevant is, kritisch worden bij toepassingen voor laserfusie – vooral bij continu gebruik met herhalingsfrequenties van circa 10 Hz.

Combinatie van antireflectiecoating en nanostructuurmaterialen

Om hier duurzame oplossingen te ontwikkelen, vertrouwen de projectpartners enerzijds op nanostructuur- of poreuze ont-spiegelingslagen op basis van materialen met een hoge bandgap, waardoor de benodigde laserbestendigheid wordt gegarandeerd. Anderzijds testen ze een subtractieve benadering: in plaats van te werken met een combinatie van een substraatmateriaal en meerdere materiaallagen die voor de ont-spiegeling worden aangebracht, zetten ze in op lenzen uit één enkel materiaal, dat door een passende nanostructurering van het oppervlak de gewenste anti-reflex-eigenschappen moet krijgen. Aan de hand van twee materialen met een grote bandgap (quartzglas en calciumfluoride) worden demonstratoren ontwikkeld voor verschillende golflengten en pulsduur met grote oppervlakken.

»We willen aantonen dat de aanpak met een structurele ont-spiegeling specifiek kan worden geoptimaliseerd voor toepassingen met hoogvermogenlasers zoals laserdrijf-energie fusie en daarbij zo goed mogelijk anti-reflectie-effecten onder 0,5 procent restreflexie kan bereiken. De technologie biedt ook verdere toepassingsmogelijkheden op het gebied van high-performance optieken«, zegt Prof. Dr. Thomas Höche, hoofd van het bedrijfsveld »Optische materialen en technologieën« aan het Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen in Halle (Saale).

Partners uit industrie en onderzoek in het project »nanoAR«

De projectpartners bundelen in het project »nanoAR« hun expertise op het gebied van fabricage- en bewerkingsprocessen voor effectieve vermindering van SSD, via open procesontwikkeling voor nanostructuurproductie, ook met behulp van simulaties en modellering, tot de hoogresolutie karakterisering van materialen en de ontwikkeling van nieuwe methoden voor kwaliteitsborging.

Deelnemers aan het project »Ontspiegelende meta-oppervlakken op materialen met grote bandgap (nanoAR)« zijn 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) en de Ernst-Abbe Hochschule (Jena).