En ny antireflekterande beläggning och en ny kemisk process för laseroptik, utvecklat av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare, representerar ett viktigt genombrott i sin ansträngning att öka energin i National Ignition Facility (NIF) 192 jättelasrar, och minska kostnaderna för att reparera eller byta ut skadad optik som är avgörande för dess funktion.

Beläggningen utvecklades för att övervinna energiberövande reflektioner från den bakre ytan av laseranläggningens gallersköldar, eller GDS. GDS är den näst sista optiken innan NIF:s laserstrålar kommer in i målkammaren, skydda annan optik från målkammarmiljön och hjälpa till vid diagnos av energin hos NIF:s laserstrålar.

En patenterad kemisk process, kallas Advanced Mitigation Process (AMP), skyddar optiken ytterligare genom att göra deras ytor mer motståndskraftiga mot skador genom att ta bort föroreningar och absorbera mikrofrakturer. Dessa ofullkomligheter, när de utsätts för laserljus, skapa små skadekratrar på ytan, som växer med upprepade laserskott och begränsar optikens livslängd. Både AMP-processen och beläggningen krävs för att realisera dessa minskningar av skadefrekvensen och möjligheten till högre energi på NIF.

Dessa teknologier är ett resultat av ihållande forskning och utveckling under det senaste decenniet, mycket av det stöds av LLNL:s Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-program. Denna ansträngning innebar att skapa en grundläggande förståelse för kemi och fysik som är involverad - inklusive isolering och identifiering av nanoskalaabsorberande prekursorer som leder till laserskada, förstå den komplexa lasermateriens interaktionsfysik och utveckla nya kemiska processer för att mildra dem.

"Att maximera mängden energi och skott som når NIF-mål är en kritisk faktor i anläggningens ansträngningar för att tillgodose behoven hos dess användare och laboratorieuppdrag, " sa Tayyab Suratwala, programdirektör för optik och materialvetenskap och teknik (OMST). "Genom att minimera skadefrekvensen på NIF:s optik, vi kan spara avsevärd tid och kostnader för att återvinna eller ersätta optik som blir oanvändbar, och därigenom öka antalet skott tillgängliga för experimenterande."

NIF är världens största lasersystem med högst energi, kapabla att skapa de extrema temperaturer och tryck som krävs för vetenskapsbaserat lagerförvaltning och fördjupad förståelse av universum. I NIF laserskott, en komplex serie av optik, inklusive förstärkare, speglar och våglängdsomvandlare, stärker och leder laserljus in i målkammaren, där det är fokuserat på miniatyrmål för tröghetsinneslutningsfusion och fysikexperiment med hög energitäthet.

GDS diffrakterar en liten mängd laserljus och skickar det till en enhet som används för att mäta dess energi, att hjälpa forskare att balansera laserenergin i NIF:s strålar när de går in i målkammaren. Problematiska reflektioner från denna optik blev i slutändan ansvariga för mycket av skadan den upplever, enligt Marcus Monticelli, LLNL processingenjör ledare.

Ett gitter är en diffraktiv optik som delar upp ljus i olika våglängder som färdas i vissa riktningar, ungefär analogt med regnbågsmönstret som syns på baksidan av en CD-skiva. "Dessa galler måste vara mycket stabila, " sa Monticelli. "Sättet att hålla det stabilt, historiskt sett, var att lämna den obelagd, eftersom beläggningens brytningsindex kan förändras med tiden. Det kommer att påverka diffraktionseffektiviteten avsevärt, och det skulle orsaka problem med maktbalansering på NIF."

Men att lämna en smält kiseldioxidoptik som GDS obelagd resulterar i ett straff i energi:vid 352 nanometer, eller ultraviolett, våglängd på NIF:s lasrar, 3,7 procent av laserenergin reflekterar upp strållinjen från optikens utgångsyta och måste fångas upp av en stråldump så att den inte skadar annan optik. "När du pratar om 1,8 megajoule på NIF på 3 nanosekunder, det är en mycket stor del av kraft, Monticelli sa, noterar att forskare sardoniskt har skämtat om att "världens största laser är NIF, och världens näst största laser är reflektionen från NIF-optik."

En del av detta reflekterade ljus studsade runt i den integrerade optikmodulen (IOM) som innehåller den slutliga optiken, skapar en starkt fokuserad ljusstråle, ett fokuserande "spöke, " det var tillräckligt intensivt för att skada IOM:s ströljusabsorberande glas precis ovanför utgångsytan på GDS. "Varje gång vi sköt lasern, sa Jeff Bude, vetenskap och teknik leder. "Det skadade IOM och spydde ut skräp över hela GDS."

Skräppartiklarna skapade tusentals potentiella skadeställen på GDS, varav många, när de utsätts för NIF:s högenergilaserstrålar, blev så småningom tillräckligt stor för att göra optiken oanvändbar. "Skräpet som orsakade skadan begränsade prestandan hos den i sig skadebeständiga AMP-behandlade optiken, "Förstå och lösa det här problemet var ett resultat av ihållande forskning och utveckling om effekterna av olika typer av skräp på laserskador och från nya experiment på NIF och i offline-lasertestlaboratorier."

På grund av detta och andra orsaker, så många som 30-40 optik i veckan behövde tas ur drift så att skadeplatser kunde repareras lokalt genom en process som kallas "NIF Recycle Loop". Slingan är utformad för att säkerställa att NIF arbetar ekonomiskt med maximal energi genom att begränsa sannolikheten för skador och agera snabbt för att mildra ytterligare skador när de inträffar.

För att lösa problemen med reflekterat ljus, en LLNL-utvecklad kolloidal kiseldioxidpartikelbeläggning, tillverkad av en sol-gel kemisk process, användes på gallerytan av GDS. Dessa partiklar behandlades med en kemikalie som modifierar ytan, göra dem mer immuna mot förändringar i luftfuktighet och andra miljöfaktorer, och tester visade att den var idealisk för användning som en GDS-beläggning. För att rymma beläggningarna, teamet behövde modifiera processen för litografisk prägling av de holografiska gittren på GDS-optikens utgångsyta. Kontrollerade experiment med både standard och belagd GDS, kombinerat med andra laserförbättringar som att minska strålkontrasten, visade en mer än 50-faldig minskning av antalet problematiska skadeplatser.

Testet av den belagda och AMPed GDS började för ungefär två år sedan. Från och med mars, NIF är ungefär tre fjärdedelar av vägen genom att ersätta obestruket GDS med den nya modellen eftersom de äldre versionerna överlever sin användbarhet. Teamet förutspår att återvinningshastigheten för skadad optik kommer att halveras - från 30-40 i veckan till 10-20 i veckan - när alla antireflekterande GDS är på plats. Med nuvarande skotthastighet, antalet nya GDS som kommer att behöva köpas kommer att minska från cirka 130 per år till cirka 40, Suratwala sa - en betydande kostnadsbesparing.

NIF-experiment stöder National Nuclear Security Administrations Stockpile Stewardship Program för att säkerställa säkerheten, säkerhet och tillförlitlighet för nationens kärnvapenavskräckande medel, samtidigt som det ger forskare från hela världen unika värme- och tryckförhållanden för grundläggande vetenskapsstudier.

Resultaten av detta arbete kommer att publiceras som en del av en Optik Express papper senare i vår.