Ruolo dei segni degli utensili all'interno della fossa di mitigazione sferica fabbricata da micro

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14422 (2015) Citare questo articolo

1376 accessi

13 citazioni

Dettagli sulle metriche

La riparazione del sito di danno lieve iniziale in strutture stabili mediante tecniche ingegneristiche è la strategia principale per mitigare la crescita del danno sui componenti di grandi dimensioni utilizzati negli impianti di fusione laser. Per i cristalli KH2PO4, che fungono da convertitore di frequenza e cella di Pockels con interruttore optoelettronico, la microfresatura si è rivelata il metodo più promettente per fabbricare queste strutture stabili. Tuttavia, i segni dell'utensile all'interno della fossa di riparazione verrebbero inevitabilmente introdotti a causa dell'usura della fresa durante il processo di riparazione effettivo. Qui indaghiamo quantitativamente l'effetto dei segni degli utensili sulla qualità della riparazione dei componenti di cristallo danneggiati simulando l'intensificazione della luce indotta e testando la soglia di danno indotta dal laser. Abbiamo scoperto che a causa della formazione di punti caldi di messa a fuoco e increspature di interferenza, l'intensità della luce è fortemente aumentata dalla presenza di segni di utensili, soprattutto per quelli sulle superfici posteriori. Inoltre, l'effetto negativo dei segni degli strumenti dipende dalla densità dei segni e più segni degli strumenti aggraverebbero l'intensificazione della luce. I test sui danni laser hanno verificato il ruolo dei segni degli utensili come punti deboli, riducendo la qualità della riparazione. Questo lavoro offre un nuovo criterio per valutare in modo completo la qualità delle superfici ottiche riparate per alleviare il problema del collo di bottiglia della soglia di danno laser bassa per i componenti ottici negli impianti di fusione guidati dal laser.

Per ottenere energia di fusione controllabile, numerosi raggi laser sono stati concentrati su bersagli di dimensioni microscopiche per costruire sistemi laser ad alta potenza in tutto il mondo1,2,3,4,5. In sistemi laser così grandi, sono necessari un gran numero di componenti ottici di grandi dimensioni con superfici ad alta precisione per amplificare e fornire i raggi laser alla camera target a vuoto. Ad esempio, più di 30.000 pezzi di parti ottiche sono installati nel National Ignition Facility (NIF), che consiste di 192 fasci a grande apertura (42 cm) costruiti dal Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti4,6,7. Tra queste parti, i cristalli di fosfato monobasico di potassio (KH2PO4, noto come KDP) sono considerati componenti insostituibili e fungono da convertitore di frequenza e cella di Pockels interruttore optoelettronico grazie alle loro proprietà fisiche ed elettro-ottiche uniche8,9,10. Una delle maggiori preoccupazioni negli impianti di fusione laser è che, sotto l'irradiazione di laser ad alta potenza, le parti ottiche sono suscettibili di subire danni indotti dal laser, che ne ridurrebbero notevolmente le prestazioni ottiche e la durata2,11,12,13,14 ,15. Il danno laser sulle superfici generalmente minaccia i sistemi laser più gravemente del danno complessivo, poiché l'entità del danno superficiale subirebbe una rapida crescita a seguito della successiva irradiazione laser, mentre per il danno complessivo rimane invariata12,16. Sebbene il danno indotto dal laser sui componenti ottici sia stato un campo di ricerca attivo per oltre quattro decenni, questo fenomeno non è ancora ben compreso e la bassa soglia di danno indotto dal laser (LIDT) rimane un collo di bottiglia nello sviluppo di laser ad alta potenza. sistemi17. Per l'ottica in cristallo KDP, il LIDT effettivo è molto inferiore al valore calcolato teoricamente. A questo punto, è di grande importanza sviluppare nuove tecniche per migliorare la resistenza ai danni del laser.

Negli attuali impianti di fusione laser, è stata proposta e ampiamente applicata una strategia di riparazione a varie ottiche terminali per contenere la crescita di siti di danno superficiale instabili per migliorare la resistenza al danno laser. La strategia di riparazione, chiamata anche “mitigazione”, consiste nell’avviare innanzitutto i precursori del danno nelle zone superficiali sensibili mediante pre-irradiazione con laser a bassa fluenza, quindi identificare i siti di danno instabili e infine ripararli con una mitigazione benigna pre-progettata. struttura con LIDT3,12,18,19,20,21,22 molto più alti. Due tecniche di fusione laser CO2 a una lunghezza d'onda di 10,6 μm3,18 e ablazione laser a impulsi ultracorti19 sono i metodi di lavorazione tipici per rimuovere i siti di danno instabili iniziali per l'ottica di rivestimento in silice e multistrato. Tuttavia, a causa delle delicate proprietà fisiche e meccaniche dei cristalli KDP, la microlavorazione si è rivelata il metodo più promettente per rimuovere completamente i siti di danno iniziale sulle superfici dei cristalli20,21,22.