Photonik als Wegbereiter der Konvergenz

Stellen Sie sich vor, wir könnten die gleiche Energie wie die Sterne nutzen, um eine nahezu unbegrenzte und saubere Energiequelle zu erschließen. Das ist das Versprechen der Kernfusion – ein Verfahren, das unsere Energielandschaft grundlegend verändern könnte. Magnetische Einschränkung und Trägheitseinschränkung sind zwei vielversprechende Technologien zur Realisierung der Fusion und machen die Erzeugung nachhaltiger, sauberer Energie zur Realität.  

Die National Ignition Facility (NIF) hat mit Hilfe laserangetriebener Trägheitsbegrenzung ein Meilenstein-Ergebnis mit positiver Verstärkung erzielt. Dies beschleunigt die Entwicklungsarbeiten und den Zeitplan für die Kommerzialisierung. Der Weg zu einem realisierbaren Kraftwerk ist sowohl mit wissenschaftlichen als auch mit technischen Herausforderungen verbunden und erfordert, dass die Partner in der Lieferkette kosteneffiziente und zuverlässige Anlagen und Produkte bereitstellen können. Die für die Laserschmelze erforderlichen extrem hohen Impulsenergien erfordern photonische Produkte, deren Leistung und Betrieb weit über die gängigen Laseranwendungen hinausgehen. Dies ist eine zentrale Herausforderung für die Lieferkette.

Dank jahrzehntelanger Erfahrung in der Lieferung von Lasern und Übertragungsoptiken in allen Formen und GrößenCoherent einzigartige Stärken, um die Entwicklung der trägheitsgestützten Fusionsenergie voranzutreiben. Von Glasfasern und nichtlinearen Kristallen bis hin zu Halbleiterlasern trägt unser umfassendes Produkt- und Lösungsportfolio dazu bei, die Fusionsforschung voranzubringen.

Lassen Sie uns untersuchen, welche entscheidende Rolle die Photonik bei der Weiterentwicklung der Laserfusionstechnologie spielt. 

Fusion-Komponenten Coherent

Coherent bietet der Fusionsgemeinschaft seit jeher eine Vielzahl von photonischen Komponenten an, die speziell auf die Anforderungen von Lasern und der Strahlerzeugung zugeschnitten sind –  

Diodenlaser:Halbleiterkomponenten für Hochleistungslaser spielen bei Schmelzanwendungen eine entscheidende Rolle, insbesondere beim Antrieb von diodengepumpten Festkörperlasern (DPSSL), die für die Auslösung von Schmelzreaktionen von entscheidender Bedeutung sind. Der Wirkungsgrad ihrer Wandsteckverbinder wirkt sich direkt auf die Gesamtenergieeffizienz des Systems aus und gewährleistet die Bereitstellung maximaler Energie bei minimalen Verlusten und minimalen Betriebskosten in energieintensiven Schmelzprozessen. 

Hochleistungslaserdioden lassen sich in Serie herstellen, und ihre Wellenlänge kann präzise auf die Absorptionswellenlänge des DPSSL-Mediums abgestimmt werden, wodurch eine optimale Energieübertragung gewährleistet wird. Die Spitzenleistung ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da zur Erzeugung der für die Fusion erforderlichen extremen Bedingungen hochintensive Impulse benötigt werden. 

Laserdioden mit kompakten Abmessungen und hoher Leistung ermöglichen eine dichte Anordnung, wodurch sich die für Hochleistungsanwendungen erforderlichen Halbleiterarrays erweitern lassen. Die Lebensdauer dieser Dioden ist bereits nachgewiesen, was für den langfristigen, zuverlässigen Betrieb kommerzieller Fusionsreaktoren von entscheidender Bedeutung ist. Langlebige Dioden senken die Wartungs- und Austauschkosten und erhöhen die Zuverlässigkeit sowie die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.  

Das schlüsselfertige 350-kW-QCW-Halbleiterpumpmodul bündelt 100 Strahlen mit 8 bar zu einem homogenen Strahl mit einem sekundären Querschnitt von 78 mm × 78 mm.

Großformatige optische Elemente:Um optische Schäden zu minimieren, wird ein großer Strahldurchmesser verwendet, wodurch sich die optische Apertur erheblich vergrößert; einige dieser Elemente haben einen Durchmesser von bis zu 1 m (39"). Fokussierende Durchstrahlungsoptiken erfordern großformatige optische Elemente von höchster Präzision, die den für Fusionsanlagen typischen hohen Belastungen und rauen Umgebungsbedingungen standhalten müssen. 

Wir liefern dem NIF die keilförmigen Fokussierlinsen (WFL), die in dessen „Endoptik“ zum Einsatz kommen. Jede WFL ist eine außeraxiale asphärische Linse mit den Abmessungen 400 mm × 400 mm und einer Brennweite von 7,7 Metern, die aus hochwertigem Quarzglas gefertigt ist.Wir setzen eine Reihe computergesteuerter Polier- und Messwerkzeuge ein, um die außergewöhnlichen Genauigkeitsanforderungen des NIF an diese Komponenten zu erfüllen. Wir gehörenzuden wenigenHerstellernweltweit, die in der Lage sind, solchepräzisen asphärischen Optiken mit großer Aperturkonsistent in großen Stückzahlen zu produzieren.

Eine Keillinse mit einer großen Öffnung von 400 x 400 mm, die in der derzeit getesteten National Ignition Facility zum Einsatz kommt.

Glasfasern:Coherent ein umfassendes Sortiment an Spezialglasfasern, die auf optimale Leistung ausgelegt sind und sich durch minimale photochrome Eigenschaften, höchste Absorptionsraten und große Modenfeldflächen auszeichnen. Diese Glasfasern eignen sich hervorragend für die Erweiterung von Einfrequenz-, ultraschnellen und Hochleistungslasern. Sie werden häufig in Kombination mit unseren XLMA-Glasfasern eingesetzt und spielen in der Hochenergie-Fusionsforschung eine entscheidende Rolle als Seed-Injektionslaser.

Kristalle:Verstärkerkristalle und Kristalle für die nichtlineare Frequenzkonversion finden breite Anwendung in Verstärkern von Peta-Watt-Lasersystemen. Die Endstufe der meisten fusionierten Laser erfordert eine Verdreifachung der Laserfrequenz, was mithilfe von zwei Kristallen in zwei Stufen erreicht wird. Der Wirkungsgrad der Konversion steigt mit zunehmender Leistungsdichte; dies steht jedoch in einem Gleichgewicht zur Beschädigungsschwelle. Die Herstellung großer Kristalle mit Mikroporen stellt eine große Herausforderung dar, doch können wir auf jahrzehntelange kommerzielle Erfolge zurückgreifen, um die Größenordnung kontinuierlich zu erweitern. 

Laserdiagnostik:Lasermessungen für die Fusionsforschung erfordern die präzise Überwachung und Steuerung von Pionierlasern und Hochleistungslasern.Coherent eine Vielzahl von Lasermessprodukten, die speziell auf diese Anforderungen zugeschnitten sind. Das Produktportfolio umfasst Strahldiagnosekameras, Thermosäulen, Thermoelemente und eigenständige Messgeräte wie den LabMax Touch, die eine genaue Analyse sowie die Aufzeichnung von Energie- und Leistungsmessdaten ermöglichen.Zu den gängigen Sensoren gehören die keramikbeschichteten MaxBlack-Sensorensapphire Ti:sapphire mit Frequenzen 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+ Leistungsmessungen bis zu 12 kW. Diese Werkzeuge bieten die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit für die umfassende Laserüberwachung in Fusionssystemen. 

Hochleistungs- und energiegesteuerte, NIST-rückführbare Messgeräte, ausgestattet mit Daten- und Impulsanalysegeräten.

Isolatoren: Unsere hochleistungsfähigen optischen Rotatoren und Isolatoren sind auf die strengen Anforderungen der Fusionsforschung ausgelegt und ermöglichen es Wissenschaftlern, die für die Kernfusion erforderlichen extremen Bedingungen zu erreichen. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen hat EOC die PAVOS Ultra-Produktreihe entwickelt. Diese auf Erbiumfluorid (KTF) basierenden Isolatoren bieten eine Leistungssteigerung gegenüber früheren Generationen. Die Brennweite der thermischen Linse des PAVOS Ultra ist deutlich kürzer und leicht negativ. Dies bedeutet, dass KTF ideal für Laser mit höherer Durchschnittsleistung geeignet ist, während TGG (Erbium-Gallium-Granat) besser für Laser mit höherer Energie geeignet ist. Wenn Sie KTF mit hochleistungsfähigen Polarisatoren und Wärmemanagementtechnologien kombinieren, schaffen Sie ein Produkt, das den Markt unterstützt. Wir sind bestrebt, die Fusionstechnologie durch die Bereitstellung modernster Laserkomponenten voranzutreiben.

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

Laserverstärker:Astrella ist ein kHz-Lasersystem der neuesten Generation in Ein-Gehäuse-Bauweise, das speziell für maximale Zuverlässigkeit, Betriebssicherheit und branchenführende Leistung entwickelt und hergestellt wurde. Viele dieser Systeme werden in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen und industriellen Prozessen eingesetzt, beispielsweise in der Femtosekunden-Materialbearbeitung.

它可用作中低级高强度激光器设施的可靠前端，但更通常提供 <35 fs 或 <100 fs 脉冲，用于时间分辨和多维相干光谱学、太赫兹光谱学、超快电子衍射、原子秒和高谐波生成实验以及 EUV/软 X 射线光谱学。 它具有高达 9 mJ/脉冲，是各种科学应用的理想选择。密封式拉伸压缩机、免提振荡器和热稳定子系统等独特的设计特点已通过 HALT/HASS 协议进行了优化，为工业激光器系统提供了预期的可靠性。它是泵浦光学参量放大器的理想光源，可将波长覆盖范围从紫外光扩展到中红外光。

Zusammenfassung

Im hochspezialisierten Bereich der Kernfusionsforschung bieten wir zahlreiche wichtige Bausteine für den Strahltransport und die Strahlfokussierung an. Jede Produktkategorie zeichnet sich durch eine Leistungsfähigkeit aus, die von anderen Herstellern unerreicht ist. Halbleiterstapel mit schmaler Linienbreite und hoher Leistung im QCW-Bereich sowie hochpräzise optische Komponenten und Kristalle mit großer Fläche sind die besten ihrer Art für Isolatoren und hochmoderne Verstärkerfasern.

Wir arbeiten erfolgreich mit führenden Fusionsforschungsinstituten zusammen, darunter die National Ignition Facility (NIF) und ITER. 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 photonischen Produkte Coherent die Forschung im Bereich der Laserkopplung.

Relevante Ressourcen