Un nouveau revêtement antireflet et un nouveau procédé chimique pour l'optique laser, développé par les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), représente une percée importante dans ses efforts pour augmenter l'énergie des 192 lasers géants du National Ignition Facility (NIF), et réduire les coûts de réparation ou de remplacement des optiques endommagées vitales à son fonctionnement.

Le revêtement a été développé pour surmonter les réflexions voleuses d'énergie de la surface arrière des boucliers de débris de grille de l'installation laser, ou GDS. Le GDS est l'avant-dernière optique avant que les faisceaux laser du NIF n'entrent dans la chambre cible, protéger les autres optiques de l'environnement de la chambre cible et aider au diagnostic de l'énergie des faisceaux laser du NIF.

Un procédé chimique breveté, appelé processus d'atténuation avancé (AMP), protège davantage les optiques en rendant leurs surfaces plus résistantes aux dommages en éliminant les impuretés et en absorbant les microfractures. Ces imperfections, lorsqu'il est exposé à la lumière laser, créer de minuscules cratères endommagés à la surface, qui croissent avec les tirs laser répétés et limitent la durée de vie de l'optique. Le processus AMP et le revêtement sont nécessaires pour réaliser ces réductions du taux de dommages et la possibilité d'une énergie plus élevée sur NIF.

Ces technologies sont le résultat d'une recherche et d'un développement soutenus au cours de la dernière décennie, une grande partie est financée par le programme de recherche et développement dirigés en laboratoire (LDRD) de LLNL. Cet effort impliquait de former une compréhension fondamentale de la chimie et de la physique impliquées - y compris l'isolement et l'identification de précurseurs absorbants à l'échelle nanométrique conduisant à des dommages laser, comprendre la physique complexe de l'interaction laser-matière et développer de nouveaux processus chimiques pour les atténuer.

"Maximiser la quantité d'énergie et de tirs atteignant les cibles NIF est un facteur critique dans les efforts de l'installation pour répondre aux besoins de ses utilisateurs et des missions du laboratoire, " dit Tayyab Suratwala, directeur du programme Optique et Science et Technologie des Matériaux (OMST). "En minimisant le taux de dommages aux optiques du NIF, nous pouvons économiser un temps et des dépenses considérables liés au recyclage ou au remplacement des optiques devenues inutilisables, et augmenter ainsi le nombre de prises de vue disponibles pour les expérimentateurs."

NIF est le système laser le plus grand et le plus énergétique au monde, capable de créer les températures et les pressions extrêmes nécessaires à la gestion des stocks basée sur la science et à l'approfondissement de la compréhension de l'univers. Dans les tirs laser NIF, une série complexe d'optiques, y compris les amplificateurs, miroirs et convertisseurs de longueur d'onde, renforce et guide la lumière laser dans la chambre cible, où il se concentre sur des cibles miniatures pour des expériences de fusion par confinement inertiel et de physique à haute densité d'énergie.

Le GDS diffracte une petite quantité de lumière laser et l'envoie à un appareil utilisé pour mesurer son énergie, pour aider les chercheurs à équilibrer l'énergie laser dans les faisceaux du NIF lorsqu'ils pénètrent dans la chambre cible. Les réflexions problématiques de cette optique sont finalement devenues responsables d'une grande partie des dommages qu'elle subit, selon Marcus Monticelli, Responsable ingénieur procédé LLNL.

Un réseau est une optique diffractive qui divise la lumière en différentes longueurs d'onde qui se déplacent dans certaines directions, à peu près analogue au motif arc-en-ciel vu au dos d'un disque compact. "Ces grilles doivent être très stables, " dit Monticelli. " Le moyen de le garder stable, historiquement, était de le laisser sans revêtement, car l'indice de réfraction du revêtement peut changer avec le temps. Cela affectera considérablement l'efficacité de la diffraction, et cela entraînerait des problèmes d'équilibrage de la puissance sur NIF."

Mais laisser une optique en silice fondue comme le GDS sans revêtement entraîne une pénalité en énergie :au 352 nanomètres, ou ultraviolet, longueur d'onde des lasers de NIF, 3,7% de l'énergie laser se réfléchit sur la ligne de faisceau depuis la surface de sortie de l'optique et doit être capturée par une décharge de faisceau afin de ne pas endommager les autres optiques. "Quand vous parlez de 1,8 mégajoules sur NIF en 3 nanosecondes, c'est une très grosse part de pouvoir, " Monticelli a dit, notant que les chercheurs ont sardoniquement plaisanté en disant que « le plus grand laser du monde est le NIF, et le deuxième plus grand laser au monde est la réflexion sur l'optique NIF."

Une partie de cette lumière réfléchie a rebondi dans le module d'optique intégrée (IOM) contenant l'optique finale, créer un faisceau de lumière hautement focalisé, un "fantôme" focalisant, " qui était suffisamment intense pour endommager le verre absorbant la lumière parasite de l'IOM juste au-dessus de la surface de sortie du GDS. " Chaque fois que nous tirions avec le laser, " a déclaré Jeff Bude, chef de file de la science et de la technologie. "Cela endommageait l'OIM et crachait des débris partout dans le GDS."

Les particules de débris ont créé des milliers de sites de dommages potentiels sur le GDS, dont beaucoup, lorsqu'il est exposé aux faisceaux laser à haute énergie de NIF, a finalement grandi assez grand pour rendre l'optique inutile. "Les débris causant des dommages limitaient les performances de l'optique traitée AMP intrinsèquement résistante aux dommages, " Bude a déclaré. " La compréhension et la résolution de ce problème sont le résultat d'une recherche et d'un développement soutenus sur l'impact de divers types de débris sur les dommages causés par le laser et de nouvelles expériences sur NIF et dans des laboratoires de test laser hors ligne. "

Pour cette raison et d'autres, jusqu'à 30 à 40 optiques par semaine ont dû être retirées du service afin que les sites endommagés puissent être réparés localement grâce à un processus connu sous le nom de « boucle de recyclage NIF ». La boucle est conçue pour garantir que le NIF fonctionne de manière économique à une énergie maximale en limitant la probabilité de dommages et en agissant rapidement pour atténuer les dommages supplémentaires lorsqu'ils se produisent.

Pour résoudre les problèmes de lumière réfléchie, un revêtement de particules de silice colloïdale développé par LLNL, fabriqué par un procédé chimique sol-gel, a été utilisé sur la surface de la grille du GDS. Ces particules ont été traitées avec un produit chimique qui modifie la surface, les rendant plus immunisés contre les changements d'humidité et d'autres facteurs environnementaux, et les tests ont montré qu'il était idéal pour une utilisation comme revêtement GDS. Pour accueillir les revêtements, l'équipe a dû modifier le processus d'impression lithographique des réseaux holographiques sur la surface de sortie de l'optique GDS. Expériences contrôlées utilisant à la fois des GDS standard et enrobés, combiné avec d'autres améliorations laser telles que la réduction du contraste du faisceau, a montré une réduction de plus de 50 fois du nombre de sites de dommages problématiques.

Les tests du GDS revêtu et AMPed ont commencé il y a environ deux ans. Dès mars, NIF est à environ les trois quarts du remplacement des GDS non couchés par le nouveau modèle, car les anciennes versions survivent à leur utilité. L'équipe prédit que le taux de recyclage des optiques endommagées sera réduit de moitié - de 30 à 40 par semaine à 10 à 20 par semaine - lorsque tous les GDS antireflet seront en place. À la cadence de tir actuelle, le nombre de nouveaux GDS à acheter passera d'environ 130 par an à environ 40, Suratwala a dit—une importante économie de coûts.

Les expériences du NIF soutiennent le programme de gestion des stocks de la National Nuclear Security Administration afin d'assurer la sécurité, la sécurité et la fiabilité de la dissuasion nucléaire nationale, tout en offrant aux scientifiques du monde entier des conditions uniques de chaleur et de pression pour les études scientifiques fondamentales.

Les résultats de cet effort seront publiés dans le cadre d'un Optique Express papier plus tard ce printemps.