Photonik bringt Fusion zum Leuchten

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir die gleiche Energie wie die Sterne nutzen und damit praktisch unbegrenzte, saubere Energie gewinnen können. Das ist das Versprechen der Kernfusion – ein Prozess, der das Potenzial hat, unsere Energielandschaft revolutionär zu verändern. Magnetischer Einschluss und Trägheitseinschluss sind zwei vielversprechende Technologien, mit denen die Fusion erreicht werden kann, und sie machen die nachhaltige Erzeugung sauberer Energie zur Realität.  

Die lasergetriebene Trägheitsfusion wurde von der National Ignition Facility (NIF) eingesetzt, um bahnbrechende Ergebnisse mit positiver Verstärkung zu erzielen. Dies hat die Entwicklungsbemühungen und den Zeitplan für die Markteinführung beschleunigt. Der Weg zu einem realisierbaren Kraftwerk ist mit wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen verbunden, weshalb wir uns um Lieferkettenpartner bemühen, die kosteneffiziente und zuverlässige Geräte und Produkte bereitstellen können. Die für die Laserfusion erforderlichen extrem hohen Pulsenergien erfordern photonische Produkte, deren Leistung und Betriebsverhalten weit über die gängigen Laseranwendungen hinausgehen. Dies ist die größte Herausforderung für die Lieferkette.

Coherent liefert seit Jahrzehnten Laser und Strahlführungsoptiken in allen Formen und Größen und ist damit in einer einzigartigen Position, um die Entwicklung der Kernfusion zu unterstützen. Von Glasfasern über nichtlineare Kristalle bis hin zu Halbleiterlasern – unser umfassendes Angebot an Produkten und Lösungen treibt den Fortschritt in der Fusionsforschung voran.

Werfen wir einen Blick auf die wichtige Rolle, die die Photonik bei den Fortschritten in der Lasersynthesetechnologie spielt. 

Coherent-Komponenten für die Fusionstechnik

Coherent bietet der Fusionsgemeinschaft eine Vielzahl maßgeschneiderter photonischer Komponenten an, die den strengen Anforderungen an die Erzeugung von Lasern und Strahlführungen gerecht werden.  

Halbleiterlaser:Hochleistungs-Halbleiterlaserkomponenten sind für Fusionsanwendungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für den Betrieb von Halbleiter-Festkörperlasern (DPSSL), die als Auslöser für Fusionsreaktionen dienen. Der Wirkungsgrad der Steckdosen hat direkten Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz des Systems und gewährleistet die Bereitstellung maximaler Energie bei gleichzeitiger Minimierung von Verlusten und Betriebskosten in energieintensiven Fusionsprozessen. 

Hochleistungslaserdioden lassen sich in großen Stückzahlen herstellen, und ihre Wellenlänge kann exakt auf die Absorptionswellenlänge des DPSSL-Mediums abgestimmt werden, wodurch eine optimale Energieübertragung erreicht wird. Da zur Erreichung der für die Fusion erforderlichen extremen Bedingungen hochintensive Impulse notwendig sind, ist auch eine hohe Spitzenleistung unerlässlich. 

Kompakte Hochleistungslaserdioden ermöglichen eine hohe Packungsdichte und damit die Skalierung von Halbleiterlaserarrays, wie sie für Hochleistungsanwendungen erforderlich sind. Es hat sich gezeigt, dass die Lebensdauer und Betriebsdauer solcher Dioden entscheidend für den langfristig zuverlässigen Betrieb sind, der für den Einsatz in kommerziellen Fusionsreaktoren erforderlich ist. Langlebige Dioden senken die Kosten für Wartung und Austausch und verbessern die Zuverlässigkeit sowie die wirtschaftliche Machbarkeit des Gesamtsystems.  

Das schlüsselfertige 350-kW-QCW-Halbleiterlaser-Pumpmodul bündelt die Strahlen aus 100 Stapeln mit jeweils 8 bar zu einem homogenisierten Strahl mit einem Querschnitt von 78 mm × 78 mm.

Großoptiken:Der zur Verringerung optischer Schäden verwendete große Strahldurchmesser vergrößert die Apertur des optischen Systems erheblich, bis zu einem Durchmesser von 1 m (39 Zoll). Um durchlässige optische Systeme zu fokussieren, sind hochpräzise und großformatige optische Systeme erforderlich, die den für Fusionsanlagen typischen hohen Intensitäten und rauen Umgebungsbedingungen standhalten. 

NIF liefert die in der „Endmontage der optischen Komponenten“ verwendeten Keilfokussierlinsen (WFL). Bei den WFL handelt es sich um hochwertige, aus Quarzglas gefertigte, außeraxiale asphärische Linsen mit einer Größe von jeweils 400 mm × 400 mm und einer Brennweite von 7,7 m.Um die von NIF geforderte außergewöhnliche Präzision dieser Komponenten zu erreichen, setzt Coherent eine Reihe computergesteuerter Polier- und Messgeräte ein. Wir gehören zu den wenigen Herstellern weltweit, diesolche großkalibrigen, präzisen und asphärischen Optikenin großen Stückzahlen konsistent fertigen können.

Eine Keillinse mit großem Durchmesser (400 × 400 mm), die in der National Ignition Facility während der Testphase zum Einsatz kommt.

Glasfasern:Coherent bietet eine breite Palette an Spezialfasern, die für optimale Leistung ausgelegt sind und sich durch minimale Lichtdämpfung, höchste Absorptionsrate sowie einen großen Modenfeldbereich auszeichnen. Diese Fasern eignen sich ideal für die Skalierung von Einfrequenz-, ultraschnellen und Hochleistungslasern. In Kombination mit unseren XLMA-Fasern spielen sie eine wichtige Rolle als Seed-Injection-Laser in der Forschung zur Hochenergie-Fusion.

Kristalle:Sowohl Verstärkerkristalle als auch Kristalle für die nichtlineare Frequenzkonversion finden in den Verstärkerkaskaden von Lasersystemen im Petawatt-Bereich breite Anwendung. In der Endstufe der meisten Fusionslaser ist eine dreifache Frequenzvervielfachung erforderlich, die in zwei Stufen unter Verwendung von zwei Kristallen erreicht wird. Die Effizienz der Frequenzkonversion steigt mit der Ausgangsleistung, steht jedoch in einem Gleichgewicht zur Beschädigungsschwelle. Die Herstellung von Kristallen mit großer Öffnung stellt eine große Herausforderung dar, doch dank jahrzehntelanger kommerzieller Erfolge ist es möglich, die Grenzen der Dimensionierung kontinuierlich zu erweitern. 

Laserdiagnostik:Die Lasermessung für die Fusionsforschung umfasst die präzise Überwachung und Steuerung sowohl von Seed-Lasern als auch von Hochleistungslasern. Coherent bietet eine breite Palette an Lasermessprodukten, die auf diese Anforderungen zugeschnitten sind. Das Produktportfolio umfasst Strahldiagnosekameras, Thermosäulen, Thermoelektrische Sensoren sowie eigenständige Messgeräte wie den LabMax Touch, die eine genaue Analyse und Datenerfassung für Energie- und Leistungsmessungen ermöglichen.Zu den gängigen Sensoren gehören MaxBlack-Sensoren mit Keramikbeschichtung für Ti:Saphir-Systeme, schnelle Diffusionsmetallsensoren mit einer Frequenz von bis zu 1 kHz sowie spektral kalibrierte Lichtdiffusoren für Nd:YAG-Laser. Für Hochleistungslaser ermöglicht der PM10K+ Leistungsmessungen von bis zu 12 kW. Diese Werkzeuge bieten die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit für eine umfassende Laserüberwachung in Fusionssystemen. 

Hochleistungs- und Energiemessgeräte mit NIST-Rückführbarkeit, einschließlich Daten- und Impulsanalysegeräten.

Isolatoren: Unsere hochleistungsfähigen optischen Rotoren und Isolatoren sind speziell auf die hohen Anforderungen der Fusionsforschung ausgelegt und ermöglichen es Wissenschaftlern, die für die Kernfusion erforderlichen extremen Bedingungen zu erreichen. Für die anspruchsvollsten Anwendungen hat EOC die PAVOS Ultra-Produktreihe entwickelt. Diese auf Kaliumfluorid (KTF) basierenden Isolatoren stellen einen generellen Leistungssprung dar. Der thermische Fokusversatz von PAVOS Ultra ist deutlich geringer und leicht negativ. Das bedeutet, dass KTF für Laser mit höherer Durchschnittsleistung und TGG (Terbium-Gallium-Granat) für höhere Energien geeignet ist. Durch die Kombination von KTF mit hochleistungsfähigen Polarisatoren und Wärmemanagementtechnologien können marktgerechte Produkte hergestellt werden. Wir engagieren uns für den Fortschritt der Fusionstechnologie, indem wir modernste Laserkomponenten anbieten.

Standard- und kundenspezifische Isolatoren bieten eine große Öffnung und eine hohe Belastbarkeit, gewährleisten eine gleichbleibende Strahlqualität und reduzieren den thermischen Linseneffekt erheblich.

Laserverstärker:Der Astrella-Femtosekunden-Hochgeschwindigkeits-CPA-Verstärker ist ein One-Box-kHz-Lasersystem der neuesten Generation, das für maximale Zuverlässigkeit, Betriebszeit und branchenführende Leistung entwickelt und hergestellt wurde. Viele dieser Systeme kommen in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen und industriellen Prozessen zum Einsatz, beispielsweise bei der Femtosekunden-Materialbearbeitung.

これは、低～中レベルの高強度レーザ施設の信頼できるフロントエンドとして使用できますが、より一般的には、時間分解および多次元コヒーレント分光、THz分光、超高速電子回折、アト秒および高高調波発生実験、EUV/ソフトX線分光に<35 fsまたは<100 fsパルスを提供します。 最大9 mJ/パルスで、幅広い科学用途に最適な選択肢です。密閉型ストレッチャーコンプレッサー、ハンズフリー発振器、熱安定化サブシステムなどのユニークな設計機能は、産業用レーザシステムで期待される信頼性を提供するHALT/HASSプロトコルによって最適化されています。光パラメトリック増幅器を励起し、波長範囲をUVから中赤外に拡張するのに理想的な光源です。

Zusammenfassung

In den hochspezialisierten Bereichen der Fusionsforschung liefern wir viele der wichtigsten Komponenten für die Strahlführung und -fokussierung. Alle Produktkategorien bieten eine Leistungsfähigkeit, die von keinem anderen Hersteller erreicht wird. Dazu gehören Hochleistungs-QCW-Halbleiterlaserstacks mit schmaler Linienbreite, präzise Optiken und Kristalle für große Arbeitsbereiche sowie Isolatoren der Spitzenklasse für modernste Verstärkerfasern.

Unser Unternehmen kann auf erfolgreiche Kooperationen mit bedeutenden Fusionsforschungszentren wie der National Ignition Facility (NIF) und dem ITER zurückblicken. Diese Partnerschaften unterstreichen unsere Fähigkeit, die strengen Anforderungen hochkarätiger Projekte zu erfüllen, und tragen zu bedeutenden Fortschritten in diesem Bereich bei.

Erfahren Sie mehr über die Photonik-Produkte von Coherent für die Laserfusionsforschung.

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