Die Photonik beleuchtet die Fusion

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir dieselbe Energie nutzen können, die die Sterne antreibt und eine praktisch unbegrenzte und saubere Stromquelle bietet. Das ist das Versprechen der Kernfusion, eines Prozesses, der das Potenzial hat, unsere Energielandschaft zu revolutionieren. Die magnetische Einschränkung und die Trägheitseinschränkung sind zwei vielversprechende Technologien, die eine Fusion ermöglichen und die nachhaltige Erzeugung sauberer Energie zur Realität machen können.  

Die lasergesteuerte Trägheitsbegrenzung wurde von der National Ignition Facility (NIF) eingesetzt, um das bahnbrechende Ergebnis einer positiven Verstärkung zu erzielen. Dies hat die Entwicklungsbemühungen und den Zeitplan für die Kommerzialisierung beschleunigt.  Der Weg zu praktikablen Kraftwerken birgt sowohl wissenschaftliche als auch technische Herausforderungen sowie die Sicherung von Lieferkettenpartnern, die kostengünstige, zuverlässige Geräte und Produkte liefern können. Die sehr hohen Pulsenergien, die für die Laser benötigt werden, erfordern photonische Produkte, die weit über die Mainstream-Laser hinaus funktionieren. Dies ist das Hauptproblem für die Lieferkette.

Dank jahrzehntelanger Erfahrung in der Lieferung von Laser- und Optikprodukten aller Formen und Größen ist Coherent positioniert, um die Entwicklung der Trägheitsfusion zu unterstützen. Von optischen Fasern und nichtlinearen Kristallen bis hin zu Diode unser umfassendes Angebot an Produkten und Lösungen dazu bei, den Fortschritt in der Fusionsforschung voranzutreiben.

Werfen wir einen Blick auf die entscheidende Rolle, die die Photonik bei der Weiterentwicklung von Lasern spielt. 

Komponenten von Coherent die Kernfusion

Coherent der Fusionsgemeinschaft eine Vielzahl photonischer Komponenten geliefert, die auf die hohen Anforderungen an die Erzeugung des Lasers und der Strahlführungen zugeschnitten sind –  

Diodenlaser: Diode für Fusionsanwendungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für den Antrieb von diodengepumpten Festkörperlasern (DPSSLs), die für die Auslösung von Fusionsreaktionen von entscheidender Bedeutung sind. Ihre Effizienz wirkt sich direkt auf die Gesamtenergieeffizienz des Systems aus und stellt sicher, dass bei energieintensiven Fusionsprozessen maximale Energie bei minimalen Verlusten und minimalen Betriebskosten bereitgestellt wird. 

Hochleistungslaserdioden lassen sich in Massenproduktion herstellen, während ihre Wellenlänge präzise auf die Absorptionswellenlänge des DPSSL-Mediums abgestimmt werden kann, was eine optimale Energieübertragung gewährleistet. Die Spitzenleistung ist ebenfalls unverzichtbar, da hochintensive Impulse erforderlich sind, um die für die Fusion notwendigen extremen Bedingungen zu erreichen. 

Die geringe Größe von Hochleistungslaserdioden ermöglicht eine kompakte Bauweise und die Skalierung von Diode, wie sie für Hochleistungsanwendungen erforderlich sind. Für solche Dioden, die für einen zuverlässigen Betrieb über längere Zeiträume von entscheidender Bedeutung sind und für kommerzielle Fusionsreaktoren geeignet sind, wurde eine hohe Lebensdauer nachgewiesen. Langlebige Dioden senken die Wartungs- und Austauschkosten und erhöhen die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.  

Schlüsselfertige 350-kW Diode, die den Strahl aus 100 Stacks mit jeweils 8 Bars zu einem homogenisierten Strahl mit quadratischem Querschnitt von 78 mm × 78 mm bündelt.

Große Optiken: Die großen Strahldurchmesser, die zur Minimierung optischer Schäden eingesetzt werden, vergrößern die optischen Aperturen erheblich, wobei einige Optiken einen Durchmesser von bis zu 1 m (39 Zoll) aufweisen. Die Fokussierung mit transmissiven Optiken erfordert höchste Präzision sowie großformatige Optiken, die den für Fusionsanlagen typischen hohen Intensitäten und rauen Umgebungsbedingungen standhalten müssen. 

Wir liefern dem NIF die Keilfokuslinsen (WFLs), die in seiner „Final Optics Assembly“ zum Einsatz kommen. Jede dieser Fokuslinsen ist eine 400 mm x 400 mm große, asphärische Linse mit einer Brennweite von 7,7 m, die aus hochwertigem Quarzglas gefertigt ist. Wir setzen eine Reihe computergesteuerter Polier- und Messinstrumente ein, um den außergewöhnlichen Präzisionsgrad zu erreichen, den die NIF für diese Komponenten verlangt. Wir sind weltweit einer von nur einer Handvoll Herstellern, die solche hochaperturigen, präzisen asphärischen Optiken in großen Stückzahlen produzieren können.

Keillinsen mit einer großen Öffnung von 400 × 400 mm, die in der National Ignition Facility getestet werden.

Optische Fasern: Coherent ein umfassendes Sortiment an Spezialfasern, die für optimale Leistung entwickelt wurden und sich durch ein minimales Photodarkening, höchste Absorption große Modenfeldbereiche auszeichnen. Diese Fasern eignen sich ideal für die Skalierung von Einfrequenz-, Ultrafast und Hochleistungslasern. Sie werden häufig mit unseren XLMA-Fasern kombiniert und spielen eine entscheidende Rolle als Seed-Injection-Laser in der Hochenergiefusionsforschung.

Kristalle: Sowohl Verstärkerkristalle als auch nichtlineare Frequenzumwandlungskristalle werden in großem Umfang in den Verstärkern eines Lasersystems der Petawatt-Klasse eingesetzt. Die letzte Phase der meisten Fusionslaser erfordert eine Frequenzverdreifachung des Lasers, die in zwei Phasen mit zwei Kristallen erreicht wird.  Die Effizienz der Umwandlung verbessert sich mit der Leistungsdichte, dies wird jedoch durch Schadensschwellen ausgeglichen. Die Herstellung von Kristallen mit großer Apertur stellt erhebliche Herausforderungen dar, aber wir können auf jahrzehntelangen kommerziellen Erfolg zurückgreifen, um die Dimensionierungsgrenze kontinuierlich zu erweitern. 

Laserdiagnose: Die Lasermessung für die Fusionsforschung umfasst die präzise Überwachung und Steuerung von Seed- und Hochleistungslasern. Coherent ein breites Angebot an Lasern, die auf diese Anforderungen zugeschnitten sind. Die Produktlinie umfasst Strahldiagnosekameras, Thermosäulen, pyroelektrische Sensoren und eigenständige Messgeräte wie den LabMax Touch, die eine genaue Analyse und Datenprotokollierung für Energie- und Leistungsmessungen ermöglichen. Zu den gängigen Sensoren gehören MaxBlack-Sensoren mit Keramikbeschichtung für Ti:Saphir-Systeme bis zu 1 kHz und diffuse Metallsensoren für höhere Geschwindigkeiten von 10 kHz sowie spektral kalibrierte optische Diffusoren für Nd:YAG-Laser. Für Hochleistungslaser ermöglicht der PM10K+ eine Leistungsmessung von bis zu 12 kW. Diese Werkzeuge bieten die Genauigkeit und Zuverlässigkeit, die für eine umfassende Laser- und Fusionssystemanalyse erforderlich sind. 

NIST-rückführbare Hochleistungs- und Energiemessgeräte mit Daten- und Impulsanalyseinstrumentierung.

Isolatoren: Unsere leistungsstarken optischen Rotatoren und Isolatoren sind so konzipiert, dass sie die strengen Anforderungen der Fusionsforschung erfüllen und es Wissenschaftlern ermöglichen, die für die Kernfusion erforderlichen extremen Bedingungen zu erreichen. Für die anspruchsvollsten Anwendungen hat EOC die PAVOS Ultra-Produktlinie entwickelt. Diese auf Kalium-Terbiumfluorid (KTF) basierenden Isolatoren bieten eine Leistungssteigerung der nächsten Generation. Die Fokusverschiebung der thermischen Linse des PAVOS Ultra ist deutlich reduziert und leicht negativ. Das bedeutet, dass KTF gut für Laser mit höherer Durchschnittsleistung geeignet ist, während TGG (Terbium-Gallium-Granat) besser für höhere Energien geeignet ist.  Wenn Sie KTF mit leistungsstarken Polarisatoren und Wärmemanagementtechniken kombinieren, entwickeln Sie ein marktfähiges Produkt. Wir sind bestrebt, die Fusionstechnologie durch die Bereitstellung modernster Laser voranzutreiben.

Standard- und kundenspezifische Isolatoren zeichnen sich durch große Öffnungen, hohe Belastbarkeit und gleichbleibende Strahlqualität bei deutlich reduzierter thermischer Linsenbildung aus.

Laserverstärker:Ultrafast sind One-Box-kHz-Laser der neuesten Generation, die für maximale Zuverlässigkeit, Betriebszeit und branchenführende Leistung entwickelt und hergestellt werden. Eine große Anzahl dieser Systeme wird in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen und industriellen Prozessen wie der Femtosekunden-Materialbearbeitung eingesetzt.

Es kann als zuverlässiges Frontend für Laser mit niedriger bis mittlerer Intensität verwendet werden, liefert jedoch in der Regel <35 fs oder <100 fs Pulse für zeitaufgelöste und mehrdimensionale kohärente Spektroskopie, THz-Spektroskopie, ultraschnelle Beugung, Experimente zur Erzeugung von Attosekunden und hoher Harmonischen und EUV/weiche Röntgenspektroskopie.  Mit bis zu 9 mJ/Puls ist es die ultimative Wahl für eine Vielzahl wissenschaftlicher Anwendungen. Die einzigartigen Designmerkmale, wie versiegelter Dehnungskompressor, freihändiger Oszillator und thermisch stabilisierte Subsysteme, wurden durch HALT/HASS-Protokolle optimiert und bieten die in industriellen Laser erwartete Zuverlässigkeit. Es ist eine ideale Quelle, um einen optischer parametrischer Verstärker zu pumpen, um die Wellenlänge von UV auf mittleres IR zu erweitern.

Zusammenfassung

Im hochspezialisierten Bereich der Kernfusionsforschung bieten wir viele der wichtigsten Komponenten für die Strahlführung und -fokussierung an.  Jede Produktkategorie bietet eine Leistung, die von anderen Herstellern nicht erreicht werden kann. LeistungsstarkeDiode schmaler Linienbreite, präzise großflächige Optiken und Kristalle, erstklassige Modenerhaltungsisolatoren bis hin zu hochmodernen Verstärkungsfasern.

Wir arbeiten erfolgreich mit führenden Einrichtungen der Fusionsforschung zusammen, darunter die National Ignition Facility (NIF) und ITER. Diese Partnerschaften unterstreichen unsere Fähigkeit, die hohen Anforderungen anspruchsvoller Projekte zu erfüllen und zu bedeutenden Fortschritten in diesem Bereich beizutragen.

Erfahren Sie mehr über die Photonikprodukte von Coherent Laser.

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