Un nuovo rivestimento antiriflesso e un nuovo processo chimico per l'ottica laser, sviluppato dai ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), rappresenta un importante passo avanti nel suo sforzo di aumentare l'energia dei 192 laser giganti della National Ignition Facility (NIF), e ridurre i costi di riparazione o sostituzione delle ottiche danneggiate, vitali per il suo funzionamento.

Il rivestimento è stato sviluppato per superare i riflessi che sottrae energia dalla superficie posteriore degli scudi per detriti a reticolo dell'impianto laser, o GDS. Il GDS è la penultima ottica prima che i raggi laser del NIF entrino nella camera bersaglio, proteggere altre ottiche dall'ambiente della camera bersaglio e assistere nella diagnosi dell'energia dei raggi laser del NIF.

Un processo chimico brevettato, chiamato Advanced Mitigation Process (AMP), protegge ulteriormente le ottiche rendendo le loro superfici più resistenti ai danni rimuovendo le impurità e assorbendo le microfratture. Queste imperfezioni, quando esposto alla luce laser, creare minuscoli crateri di danno sulla superficie, che crescono con colpi laser ripetuti e limitano la durata dell'ottica. Sia il processo AMP che il rivestimento sono necessari per realizzare queste riduzioni del tasso di danno e la possibilità di una maggiore energia su NIF.

Queste tecnologie sono il risultato di ricerca e sviluppo sostenuti negli ultimi dieci anni, gran parte di esso è supportato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio (LDRD) di LLNL. Questo sforzo ha comportato la formazione di una comprensione fondamentale della chimica e della fisica coinvolte, incluso l'isolamento e l'identificazione di precursori assorbenti su scala nanometrica che portano a danni laser, comprendere la complessa fisica dell'interazione tra laser e materia e sviluppare nuovi processi chimici per mitigarli.

"Massimizzare la quantità di energia e colpi che raggiungono gli obiettivi NIF è un fattore critico negli sforzi della struttura per soddisfare le esigenze dei suoi utenti e delle missioni di laboratorio, " disse Tayyab Suratwala, direttore del programma per l'ottica e la scienza e la tecnologia dei materiali (OMST). "Riducendo al minimo il tasso di danno all'ottica del NIF, possiamo risparmiare molto tempo e denaro coinvolti nel riciclaggio o nella sostituzione di ottiche che diventano inutilizzabili, e quindi aumentare il numero di colpi a disposizione degli sperimentatori."

NIF è il sistema laser più grande e più potente del mondo, in grado di creare le temperature e le pressioni estreme necessarie per la gestione delle scorte basata sulla scienza e l'approfondimento della comprensione dell'universo. Negli scatti laser NIF, una complessa serie di ottiche, compresi gli amplificatori, specchi e convertitori di lunghezza d'onda, rafforza e guida la luce laser nella camera bersaglio, dove si concentra su obiettivi in ​​miniatura per la fusione a confinamento inerziale e esperimenti di fisica ad alta densità di energia.

Il GDS diffrange una piccola quantità di luce laser e la invia a un dispositivo utilizzato per misurarne l'energia, per aiutare i ricercatori a bilanciare l'energia laser nei raggi del NIF quando entrano nella camera bersaglio. I riflessi problematici di questa ottica alla fine sono diventati responsabili di gran parte del danno che subisce, secondo Marco Monticelli, Responsabile tecnico di processo LLNL.

Un reticolo è un'ottica diffrattiva che divide la luce in diverse lunghezze d'onda che viaggiano in determinate direzioni, approssimativamente analogo al motivo arcobaleno visto sul retro di un compact disc. "Queste grate devono essere molto stabili, " disse Monticelli. "Il modo per mantenerlo stabile, storicamente, era di lasciarlo senza rivestimento, perché l'indice di rifrazione del rivestimento può cambiare nel tempo. Ciò influenzerà significativamente l'efficienza di diffrazione, e ciò causerebbe problemi di bilanciamento della potenza su NIF."

Ma lasciare un'ottica in silice fusa come il GDS non rivestita si traduce in una penalità di energia:a 352 nanometri, o ultravioletto, lunghezza d'onda dei laser del NIF, Il 3,7% dell'energia laser riflette la linea di luce dalla superficie di uscita dell'ottica e deve essere catturata da un fascio di luce in modo che non danneggi le altre ottiche. "Quando parli di 1,8 megajoule su NIF in 3 nanosecondi, è una grossa fetta di potere, "Monticelli ha detto osservando che i ricercatori hanno ironicamente scherzato sul fatto che "il laser più grande del mondo è il NIF, e il secondo laser più grande al mondo è il riflesso dell'ottica NIF".

Parte di questa luce riflessa rimbalzava nel modulo ottico integrato (IOM) contenente l'ottica finale, creando un fascio di luce altamente focalizzato, un "fantasma" focalizzante, " era abbastanza intenso da danneggiare il vetro che assorbe la luce diffusa dell'OIM appena sopra la superficie di uscita del GDS. "Ogni volta che sparavamo al laser, " ha detto Jeff Bude, guida della scienza e della tecnologia. "Stava danneggiando l'OIM e vomitando detriti in tutto il GDS".

Le particelle di detriti hanno creato migliaia di potenziali siti di danno sul GDS, molti dei quali, quando esposto ai raggi laser ad alta energia del NIF, alla fine divenne abbastanza grande da rendere inutile l'ottica. "I detriti che causavano danni limitavano le prestazioni dell'ottica trattata con AMP intrinsecamente resistente ai danni, " Bude ha detto. "Comprendere e risolvere questo problema è stato il risultato di una ricerca e di uno sviluppo sostenuti sull'impatto di vari tipi di detriti sul danno laser e di nuovi esperimenti su NIF e in laboratori di test laser offline".

A causa di questa e di altre cause, fino a 30-40 ottiche a settimana dovevano essere rimosse dal servizio in modo che i siti danneggiati potessero essere riparati localmente attraverso un processo noto come "NIF Recycle Loop". Il circuito è progettato per garantire che il NIF operi economicamente alla massima energia limitando la probabilità di danni e agendo rapidamente per mitigare ulteriori danni quando si verificano.

Per risolvere i problemi di luce riflessa, un rivestimento di particelle di silice colloidale sviluppato da LLNL, prodotto da un processo chimico sol-gel, è stato utilizzato sulla superficie del reticolo del GDS. Queste particelle sono state trattate con una sostanza chimica che modifica la superficie, rendendoli più immuni ai cambiamenti di umidità e ad altri fattori ambientali, e i test hanno dimostrato che era ideale per l'uso come rivestimento GDS. Per accogliere i rivestimenti, il team aveva bisogno di modificare il processo per la stampa litografica dei reticoli olografici sulla superficie di uscita dell'ottica GDS. Esperimenti controllati utilizzando sia GDS standard che rivestito, combinato con altri miglioramenti del laser come la riduzione del contrasto del raggio, ha mostrato una riduzione di oltre 50 volte del numero di siti di danno problematico.

Il test del GDS rivestito e AMPed è iniziato circa due anni fa. A partire da marzo, Il NIF è a circa tre quarti della sostituzione del GDS non patinato con il nuovo modello poiché le versioni precedenti sopravvivono alla loro utilità. Il team prevede che il tasso di riciclo per le ottiche danneggiate sarà dimezzato, da 30-40 a settimana a 10-20 a settimana, quando tutti i GDS antiriflesso saranno a posto. Alla velocità di tiro attuale, il numero di nuovi GDS da acquistare passerà da circa 130 all'anno a circa 40, Suratwala ha detto:un significativo risparmio sui costi.

Gli esperimenti del NIF supportano il programma di gestione delle scorte della National Nuclear Security Administration per garantire la sicurezza, sicurezza e affidabilità del deterrente nucleare della nazione, fornendo allo stesso tempo agli scienziati di tutto il mondo condizioni uniche di calore e pressione per studi scientifici fondamentali.

I risultati di questo sforzo saranno pubblicati come parte di un Ottica Express carta entro questa primavera.