p Um novo revestimento anti-reflexo e um novo processo químico para óptica de laser, desenvolvido por pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), representa um avanço importante em seu esforço para aumentar a energia dos lasers gigantes 192 da National Ignition Facility (NIF), e cortar o custo de reparo ou substituição de componentes ópticos danificados, vitais para sua operação. p O revestimento foi desenvolvido para superar os reflexos que roubam energia da superfície traseira das grades de proteção contra detritos da instalação de laser, ou GDS. O GDS é a penúltima óptica antes que os feixes de laser do NIF entrem na câmara-alvo, protegendo outras ópticas do ambiente da câmara-alvo e auxiliando no diagnóstico da energia dos feixes de laser do NIF.

p Um processo químico patenteado, chamado Processo de Mitigação Avançada (AMP), protege ainda mais a ótica, tornando suas superfícies mais resistentes a danos, removendo impurezas e absorvendo microfraturas. Essas imperfeições, quando exposto à luz laser, criam pequenas crateras de danos na superfície, que crescem com disparos de laser repetidos e limitam a vida útil da óptica. Tanto o processo AMP quanto o revestimento são necessários para realizar essas reduções na taxa de danos e na possibilidade de maior energia no NIF.

p Essas tecnologias são resultado de pesquisa e desenvolvimento sustentados ao longo da última década, grande parte dele apoiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) do LLNL. Este esforço envolveu a formação de uma compreensão fundamental da química e da física envolvida - incluindo o isolamento e a identificação de precursores de absorção em nanoescala que levam a danos de laser, compreender a complexa física da interação do laser com a matéria e desenvolver novos processos químicos para mitigá-los.

p "Maximizar a quantidade de energia e tiros que atingem os alvos do NIF é um fator crítico nos esforços da instalação para atender às necessidades de seus usuários e missões de laboratório, "disse Tayyab Suratwala, diretor do programa de Óptica e Ciência e Tecnologia de Materiais (OMST). "Ao minimizar a taxa de danos à ótica do NIF, podemos economizar tempo e despesas consideráveis ​​envolvidos na reciclagem ou substituição de ópticas que se tornam inutilizáveis, e, assim, aumentar o número de disparos disponíveis para os experimentadores. "

p NIF é o maior sistema de laser de maior energia do mundo, capaz de criar as temperaturas extremas e pressões necessárias para a gestão de estoques com base científica e aprofundamento da compreensão do universo. Em fotos de laser NIF, uma série complexa de óticas, incluindo amplificadores, espelhos e conversores de comprimento de onda, fortalece e orienta a luz laser para a câmara alvo, onde é focado em alvos em miniatura para fusão de confinamento inercial e experimentos de física de alta densidade de energia.

p O GDS difrata uma pequena quantidade de luz laser e a envia para um dispositivo usado para medir sua energia, para ajudar os pesquisadores a equilibrar a energia do laser nos feixes do NIF conforme eles entram na câmara-alvo. Reflexões problemáticas dessa ótica acabaram se tornando responsáveis ​​por muitos dos danos que ela experimenta, de acordo com Marcus Monticelli, Líder de engenheiro de processo LLNL.

p Uma grade é uma óptica difrativa que divide a luz em diferentes comprimentos de onda que viajam em certas direções, aproximadamente análogo ao padrão de arco-íris visto na parte de trás de um CD. "Essas grades têm que ser muito estáveis, "Monticelli disse." A maneira de mantê-lo estável, historicamente, era deixá-lo sem revestimento, porque o índice de refração do revestimento pode mudar com o tempo. Isso afetará a eficiência da difração significativamente, e isso causaria problemas de equilíbrio de energia no NIF. "

p Mas deixar uma óptica de sílica fundida como o GDS sem revestimento resulta em uma penalidade de energia:no 352 nanômetro, ou ultravioleta, comprimento de onda dos lasers do NIF, 3,7 por cento da energia do laser reflete a linha de luz da superfície de saída da óptica e deve ser capturada por um despejo de feixe para não danificar outras ópticas. "Quando você está falando de 1,8 megajoules no NIF em 3 nanossegundos, isso é um grande pedaço de poder, "Monticelli disse, observando que os pesquisadores brincaram sarcasticamente que "o maior laser do mundo é o NIF, e o segundo maior laser do mundo é o reflexo da ótica NIF. "

p Parte dessa luz refletida ricocheteou no módulo ótico integrado (IOM) contendo a ótica final, criando um feixe de luz altamente focado, um "fantasma em foco, "isso foi intenso o suficiente para danificar o vidro de absorção de luz dispersa do IOM logo acima da superfície de saída do GDS." Cada vez que disparamos o laser, "disse Jeff Bude, liderança em ciência e tecnologia. "Estava danificando o IOM e espalhando detritos por todo o GDS."

p As partículas de detritos criaram milhares de locais de danos potenciais no GDS, muitos dos quais, quando exposto aos feixes de laser de alta energia do NIF, eventualmente cresceu o suficiente para tornar a óptica inútil. "Os detritos que causavam danos estavam limitando o desempenho da óptica tratada com AMP inerentemente resistente a danos, "Bude disse." Compreender e resolver este problema foi o resultado de pesquisa e desenvolvimento sustentados sobre o impacto de vários tipos de detritos no dano do laser e de novos experimentos no NIF e em laboratórios de teste de laser off-line. "

p Devido a esta e outras causas, até 30-40 ópticas por semana tiveram que ser retiradas de serviço para que os locais danificados pudessem ser reparados localmente por meio de um processo conhecido como "Loop de reciclagem NIF". O loop é projetado para garantir que o NIF opere economicamente com energia máxima, limitando a probabilidade de danos e agindo rapidamente para mitigar danos adicionais quando eles ocorrerem.

p Para resolver os problemas de luz refletida, um revestimento de partícula de sílica coloidal desenvolvido por LLNL, feito por um processo químico sol-gel, foi usado na superfície da grade do GDS. Essas partículas foram tratadas com um produto químico que modifica a superfície, tornando-os mais imunes às mudanças na umidade e outros fatores ambientais, e os testes mostraram que era ideal para uso como revestimento GDS. Para acomodar os revestimentos, a equipe precisava modificar o processo de impressão litográfica das grades holográficas na superfície de saída da óptica GDS. Experimentos controlados usando GDS padrão e revestido, combinado com outras melhorias do laser, como redução do contraste do feixe, mostrou uma redução de mais de 50 vezes no número de locais de danos problemáticos.

p O teste do GDS revestido e com AMP começou há cerca de dois anos. A partir de março, O NIF já percorreu três quartos do caminho de substituição do GDS não revestido pelo novo modelo, já que as versões mais antigas perdem sua utilidade. A equipe prevê que a taxa de reciclagem de ópticas danificadas será cortada pela metade - de 30-40 por semana para 10-20 por semana - quando todos os GDS anti-reflexos estiverem no lugar. Na taxa de tiro atual, o número de novos GDS que precisarão ser comprados cairá de cerca de 130 por ano para cerca de 40, Suratwala disse - uma economia de custos significativa.

p Os experimentos do NIF apoiam o Programa de Gerenciamento de Estoque da Administração de Segurança Nuclear Nacional para garantir a segurança, segurança e confiabilidade da dissuasão nuclear do país, ao mesmo tempo que fornece aos cientistas de todo o mundo condições únicas de calor e pressão para estudos científicos fundamentais.

p Os resultados deste esforço serão publicados como parte de um Optics Express papel mais tarde nesta primavera.