Un nuevo revestimiento antirreflectante y un proceso químico novedoso para la óptica láser, desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), representa un avance importante en su esfuerzo por impulsar la energía de los 192 láseres gigantes de la Instalación Nacional de Ignición (NIF), y reducir el costo de reparación o reemplazo de ópticas dañadas que son vitales para su funcionamiento.

El revestimiento se desarrolló para superar los reflejos que roban energía de la superficie trasera de los escudos de escombros de rejilla de la instalación láser. o GDS. El GDS es la penúltima óptica antes de que los rayos láser de NIF ingresen a la cámara objetivo, protegiendo otras ópticas del entorno de la cámara objetivo y ayudando en el diagnóstico de la energía de los rayos láser de NIF.

Un proceso químico patentado, denominado Proceso de mitigación avanzado (AMP), protege aún más la óptica al hacer que sus superficies sean más resistentes a los daños al eliminar las impurezas y absorber las microfracturas. Estas imperfecciones cuando se expone a la luz láser, crear pequeños cráteres de daño en la superficie, que crecen con disparos láser repetidos y limitan la vida útil de la óptica. Tanto el proceso AMP como el recubrimiento son necesarios para realizar estas reducciones en la tasa de daño y la posibilidad de una mayor energía en NIF.

Estas tecnologías son el resultado de la investigación y el desarrollo sostenidos durante la última década, gran parte de ella apoyada por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de LLNL. Este esfuerzo implicó la formación de una comprensión fundamental de la química y la física involucradas, incluido el aislamiento e identificación de precursores absorbentes a nanoescala que conducen al daño del láser, comprender la compleja física de la interacción entre el láser y la materia y desarrollar nuevos procesos químicos para mitigarlos.

"Maximizar la cantidad de energía y disparos que alcanzan los objetivos NIF es un factor crítico en los esfuerzos de la instalación para satisfacer las necesidades de sus usuarios y misiones de laboratorio, "dijo Tayyab Suratwala, director del programa de Ciencia y Tecnología de Óptica y Materiales (OMST). "Al minimizar la tasa de daño a la óptica de NIF, Podemos ahorrar un tiempo y unos gastos considerables relacionados con el reciclaje o la sustitución de las ópticas que se vuelven inutilizables. y así aumentar el número de disparos disponibles para los experimentadores ".

NIF es el sistema láser más grande y de mayor energía del mundo, capaz de crear las temperaturas y presiones extremas necesarias para la administración de existencias basada en la ciencia y una comprensión más profunda del universo. En disparos láser NIF, una compleja serie de ópticas, incluyendo amplificadores, espejos y convertidores de longitud de onda, refuerza y ​​guía la luz láser hacia la cámara de destino, donde se centra en objetivos en miniatura para la fusión por confinamiento inercial y experimentos de física de alta densidad de energía.

El GDS difracta una pequeña cantidad de luz láser y la envía a un dispositivo que se utiliza para medir su energía, para ayudar a los investigadores a equilibrar la energía láser en los rayos del NIF cuando entran en la cámara objetivo. Reflexiones problemáticas de esta óptica finalmente se convirtieron en responsables de gran parte del daño que experimenta, según Marcus Monticelli, Líder de ingeniería de procesos de LLNL.

Una rejilla es una óptica difractiva que divide la luz en diferentes longitudes de onda que viajan en ciertas direcciones, más o menos análogo al patrón de arco iris que se ve en la parte posterior de un disco compacto. "Estas rejillas tienen que ser muy estables, "Monticelli dijo." La forma de mantenerlo estable, históricamente, era dejarlo sin recubrimiento, porque el índice de refracción del revestimiento puede cambiar con el tiempo. Eso afectará significativamente la eficiencia de difracción, y eso causaría problemas de equilibrio de poder en NIF ".

Pero dejar una óptica de sílice fundida como la GDS sin recubrimiento da como resultado una penalización en energía:en los 352 nanómetros, o ultravioleta, longitud de onda de los láseres de NIF, El 3,7 por ciento de la energía láser se refleja en la línea de luz desde la superficie de salida de la óptica y debe ser capturada por una descarga de haz para que no dañe otras ópticas. "Cuando se habla de 1,8 megajulios en NIF en 3 nanosegundos, eso es una gran parte del poder, "Monticelli dijo, señalando que los investigadores han bromeado sarcásticamente que "el láser más grande del mundo es NIF, y el segundo láser más grande del mundo es el reflejo de la óptica NIF ".

Parte de esta luz reflejada rebotó en el módulo óptico integrado (IOM) que contiene la óptica final, creando un haz de luz altamente enfocado, un "fantasma que se enfoca, "Eso fue lo suficientemente intenso como para dañar el vidrio absorbente de luz parásita del IOM justo encima de la superficie de salida del GDS". Cada vez que disparamos el láser, "dijo Jeff Bude, líder en ciencia y tecnología. "Dañaba el IOM y arrojaba escombros por todo el GDS".

Las partículas de escombros crearon miles de sitios de daño potencial en el GDS, muchos de los cuales, cuando se expone a los rayos láser de alta energía de NIF, eventualmente creció lo suficiente como para inutilizar la óptica. "Los escombros que causaban daños limitaban el rendimiento de la óptica tratada con AMP inherentemente resistente a los daños, ", Dijo Bude." Comprender y resolver este problema fue el resultado de una investigación y un desarrollo sostenidos sobre el impacto de varios tipos de desechos en el daño del láser y de nuevos experimentos en NIF y en laboratorios de pruebas de láser fuera de línea ".

Por esta y otras causas, Se tuvieron que retirar del servicio entre 30 y 40 ópticas por semana para que los sitios dañados pudieran repararse localmente mediante un proceso conocido como "ciclo de reciclaje NIF". El circuito está diseñado para asegurar que el NIF opere económicamente a la máxima energía al limitar la probabilidad de daños y actuar rápidamente para mitigar daños adicionales cuando ocurren.

Para resolver los problemas de luz reflejada, un recubrimiento de partículas de sílice coloidal desarrollado por LLNL, fabricado mediante un proceso químico sol-gel, se utilizó en la superficie de rejilla del GDS. Estas partículas fueron tratadas con un químico que modifica la superficie, haciéndolos más inmunes a los cambios de humedad y otros factores ambientales, y las pruebas demostraron que era ideal para su uso como revestimiento GDS. Para acomodar los revestimientos, el equipo necesitaba modificar el proceso para imprimir litográficamente las rejillas holográficas en la superficie de salida de la óptica GDS. Experimentos controlados utilizando GDS estándar y recubierto, combinado con otras mejoras del láser, como la reducción del contraste del haz, mostró una reducción de más de 50 veces en el número de sitios de daños problemáticos.

Las pruebas del GDS recubierto y AMPed comenzaron hace aproximadamente dos años. En marzo NIF está aproximadamente en las tres cuartas partes del proceso de reemplazo de GDS sin recubrimiento con el nuevo modelo, ya que las versiones anteriores sobreviven a su utilidad. El equipo predice que la tasa de reciclaje de las ópticas dañadas se reducirá a la mitad, de 30 a 40 por semana a 10 a 20 por semana, cuando todos los GDS antirreflectantes estén en su lugar. A la velocidad de disparo actual, el número de nuevos GDS que deberán comprarse bajará de unos 130 al año a unos 40, Suratwala dijo:un ahorro de costos significativo.

Los experimentos de NIF apoyan el Programa de administración de existencias de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear para garantizar la seguridad, seguridad y confiabilidad de la disuasión nuclear de la nación, al mismo tiempo que proporciona a los científicos de todo el mundo condiciones únicas de calor y presión para estudios de ciencias fundamentales.

Los resultados de este esfuerzo se publicarán como parte de un Óptica Express papel a finales de esta primavera.