Photonik, Fusion-Erweiterung

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir die gleiche Energie nutzen können, die die Sterne antreibt, um eine praktisch unbegrenzte und saubere Energiequelle zu schaffen. Das ist das Versprechen der Kernfusion – ein Verfahren, das das Potenzial hat, die Energielandschaft grundlegend zu verändern. Magnetische Einschluss- und Trägheitseinschlussverfahren sind zwei vielversprechende Technologien, mit denen die Fusion erreicht werden kann, und sie machen die Erzeugung nachhaltiger, sauberer Energie zur Realität.  

Lasergetriebene Trägheitsisolierung wurde in der NIF (National Ignition Facility) eingesetzt, um bahnbrechende Ergebnisse mit positivem Gewinn zu erzielen. Dadurch konnten die Entwicklungsbemühungen und der Zeitplan für die Kommerzialisierung beschleunigt werden.  Der Weg zu einem einsatzfähigen Kraftwerk ist nicht nur mit wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen verbunden, sondern erfordert auch die Gewinnung von Lieferkettenpartnern, die kosteneffiziente und zuverlässige Geräte und Produkte bereitstellen können. Die für die Laserfusion erforderlichen extrem hohen Pulsenergien erfordern, dass photonische Produkte über die gängigen Laseranwendungen hinaus funktionieren. Dies ist eine zentrale Herausforderung für die Lieferkette.

Coherent, das seit Jahrzehnten Laser und Übertragungsoptiken in allen Formen und Größen liefert, befindet sich in einer einzigartigen Position, um die Entwicklung der Fusionsenergie zu unterstützen. Von Glasfasern und nichtlinearen Kristallen bis hin zu Diodenlasern trägt unser umfassendes Produkt- und Lösungsportfolio dazu bei, den Fortschritt in der Fusionsforschung voranzutreiben.

Wir werden uns damit befassen, welche wichtige Rolle die Photonik bei der Weiterentwicklung der Laserkennungstechnologie spielt. 

Coherent für Fusion

Coherent beliefert die Fusionsgemeinschaft seit jeher mit einer Vielzahl von photonischen Komponenten, die speziell auf die anspruchsvollen Anforderungen der Laser- und Strahlengenerierung zugeschnitten sind.  

Diodenlaser: Hochleistungs-Laserdioden spielen in Fusionsanwendungen eine wichtige Rolle, insbesondere beim Betrieb von diodengepumpten Festkörperlasern (DPSSL), die für die Auslösung von Fusionsreaktionen entscheidend sind. Da der Wirkungsgrad der Wandsteckverbindungen einen direkten Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz des Systems hat, kann so die maximale Energie übertragen werden, während Verluste und Betriebskosten bei energieintensiven Fusionsprozessen minimiert werden. 

Hochleistungslaserdioden lassen sich zwar in großen Stückzahlen herstellen, ihre Wellenlänge kann jedoch genau auf die Absorptionswellenlänge des DPSSL-Mediums abgestimmt werden, wodurch eine optimale Energieübertragung gewährleistet ist. Da zur Erreichung der für die Fusion erforderlichen extremen Bedingungen hochintensive Impulse erforderlich sind, ist auch die Spitzenleistung von entscheidender Bedeutung. 

Da Hochleistungslaserdioden kompakt sind und sich daher dicht anordnen lassen, können Laserdiodenarrays für Hochleistungsanwendungen erweitert werden. Diese langlebigen Dioden haben sich als entscheidend für den langfristig stabilen Betrieb erwiesen, der für die Realisierbarkeit kommerzieller Fusionsreaktoren erforderlich ist. Durch ihre lange Lebensdauer senken sie die Wartungs- und Austauschkosten und verbessern so die Zuverlässigkeit und wirtschaftliche Machbarkeit des Gesamtsystems.  

Ein schlüsselfertiges 350-kW-QCW-Diodenpumpenmodul, bei dem jeweils 100 Strahlbündel mit je 8 Strahlen zu einem homogenisierten Strahlbündel mit einem Querschnitt von 78 mm × 78 mm zusammengefasst wurden.

Großoptiken: Große Strahldurchmesser, die zur Minderung optischer Schäden eingesetzt werden, vergrößern die optische Apertur erheblich; manche optische Elemente haben einen Durchmesser von bis zu 1 m (39 Zoll). Zur Fokussierung in durchlässigen optischen Systemen sind großformatige Optiken mit hoher Positioniergenauigkeit erforderlich. Diese optischen Elemente müssen den typischerweise hohen Intensitäten und rauen Umgebungsbedingungen in Fusionsanlagen standhalten. 

Wir liefern für das NIF keilförmige Fokuslinsen (WFL), die in der „endgültigen optischen Baugruppe“ zum Einsatz kommen. Jede WFL ist eine achsenversetzte asphärische Linse aus hochwertigem Quarzglas mit einer Größe von 400 x 400 mm und einer Brennweite von 7,7 m. Coherent erfüllt die hohen Präzisionsanforderungen des NIF an diese Komponenten mithilfe einer Reihe computergesteuerter Schleif- und Messwerkzeuge. Wir sind einer der wenigen Hersteller weltweit, die in der Lage sind, diese großen, präzisen asphärischen Optiken in großen Stückzahlen konsistent zu produzieren.

Eine Keillinse mit einer großen Öffnung von 400 × 400 mm, die in einer derzeit getesteten nationalen Verbrennungsanlage zum Einsatz kommt.

Glasfasern: Coherent bietet eine breite Palette an Spezialfasern, die für optimale Leistung ausgelegt sind und sich durch minimale optische Dämpfung, höchste Absorptionsrate sowie einen breiten Modenfeldbereich auszeichnen. Diese Fasern eignen sich ideal für den Einsatz in Einfrequenz-, Ultrahochgeschwindigkeits- und Hochleistungslasern. Sie werden häufig mit XLMA-Fasern kombiniert und spielen eine wichtige Rolle als Seed-Laser in der Hochenergie-Fusionsforschung.

Kristalle: Sowohl Verstärkerkristalle als auch Kristalle für die nichtlineare Frequenzkonversion finden in Verstärkern von Lasersystemen im Petawatt-Bereich breite Anwendung. Die letzte Stufe der meisten Fusionslaser erfordert eine dreifache Frequenzerhöhung des Lasers, die in zwei Stufen unter Verwendung von zwei Kristallen erreicht wird.  Die Konversionseffizienz steigt mit der Ausgangsleistung, steht jedoch in einem Gleichgewicht zur Beschädigungsschwelle. Die Herstellung von Kristallen mit großer Apertur ist zwar mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, 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 von Seed-Lasern und Hochleistungslasern. Coherent bietet eine breite Palette an Lasermessprodukten, die diesen Anforderungen gerecht werden. Das Produktportfolio umfasst Strahldiagnosekameras, Thermoelemente, Thermoelemente sowie eigenständige Messgeräte wie LabMax Touch, die eine genaue Analyse und Datenerfassung für Energie- und Leistungsmessungen ermöglichen. Zu den allgemeinen Sensoren gehören MaxBlack-Sensoren mit Keramikbeschichtungsapphire Ti:sapphire mit bis zu 1 kHz sowie Diffusionsmetallsensoren für schnellere 10-kHz-Geschwindigkeiten und spektral kalibrierte optische Diffusoren für Nd:YAG-Laser. Für Hochleistungslaser ermöglicht der PM10K+ die Messung von Leistungen bis zu 12 kW. Diese Instrumente bieten die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit für die umfassende Laserüberwachung in Fusionssystemen. 

Hochleistungs- und Energiemessgeräte mit Daten- und Impulsanalyse, rückführbar auf NIST.

Isolatoren: Unsere hochleistungsfähigen optischen Rotoren 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.  EOC hat die PAVOS Ultra-Produktreihe für die anspruchsvollsten Anwendungen entwickelt. Isolatoren auf KTF-Basis (Kalium-Terbium-Fluorid) bieten eine Leistungssteigerung gegenüber früheren Generationen. Der thermische Fokusverschiebungseffekt bei PAVOS Ultra ist deutlich geringer und leicht negativ.  Das bedeutet, dass KTF für Laser mit höherer Durchschnittsleistung geeignet ist, während TGG (Terbium-Gallium-Granat) besser für höhere Energien geeignet ist. Durch die Kombination von KTF mit hochleistungsfähigen Polarisatoren und Wärmemanagementtechnologien lassen sich marktgerechte Produkte herstellen. Wir setzen uns mit ganzer Kraft dafür ein, die Fusionstechnologie durch die Bereitstellung modernster Laserkomponenten voranzubringen.

Standard- und kundenspezifische Isolatoren bieten große Öffnungen und eine hohe Leistungsfähigkeit, wodurch die thermische Linsenbildung deutlich reduziert wird, während die Strahlqualität erhalten bleibt.

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

저-중 수준의 고강도 레이저 시설에 신뢰할 수 있는 프론트 엔드로 사용할 수 있지만, 일반적으로 시간 분해 및 다차원 코히어런트 분광학, THz 분광학, 초고속 전자 회절, 초고조파 및 고고조파 생성 실험 및 EUV/연성 X선 분광학을 위해 <35fs 또는 <100fs 펄스를 제공합니다.  최대 9mJ/펄스로 광범위한 과학 응용 분야에 최고의 선택입니다. 밀폐형 운반차 압축기, 핸즈프리 발진기 및 열 안정화 하위 시스템과 같은 고유한 설계 기능은 산업용 레이저 시스템에서 예상되는 신뢰성을 제공하는 HALT/HASS 프로토콜에 의해 최적화되었습니다. 파장 범위를 UV에서 중간 IR로 확장하기 위해 광 매개변수 증폭기 펌핑하는 데 이상적인 소스입니다.

Zusammenfassung

Im hochspezialisierten Bereich der Fusionsforschung bieten wir zahlreiche Schlüsselkomponenten für die Strahlführung und Fokussierung an. Alle Produktkategorien zeichnen sich durch eine Leistungsfähigkeit aus, die von anderen Herstellern unerreicht ist. Dazu gehören hochleistungsfähige QCW-Diodenstapel mit schmaler Linienbreite, hochpräzise optische Komponenten und Kristalle sowie erstklassige Moden, die in hochmodernen Verstärkerfasern isoliert bleiben.

Unser Unternehmen blickt auf eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit bedeutenden Fusionsforschungszentren zurück, darunter die NIF (National Ignition Facility) und ITER. Diese Partnerschaften unterstreichen unsere Fähigkeit, die strengen Anforderungen wichtiger Projekte zu erfüllen und zu bedeutenden Fortschritten in diesem Bereich beizutragen.

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

Weiterführende Ressourcen