Neue Antireflexlösungen für Laserträgheitsfusion
Verbundprojekt „nanoAR“ startet für Lösungen zur sauberen Energieversorgung der Zukunft
Neue und robuste Antireflexlösungen für die Laserträgheitsfusion
Laserfusionskraftwerke werden die Basis für eine saubere Energiequelle der Zukunft sein. Damit diese künftig effizient und zuverlässig arbeiten können, müssen Lasertechnologien bereitstehen, die den Anforderungen an hohen Leistungen und Dauerbetrieb gerecht werden.
Im Rahmen des Förderprogramms „Basistechnologien für die Fusion – auf dem Weg zum Fusionskraftwerk“ fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit sechs Millionen Euro das Verbundprojekt „nanoAR“.
Im diesem neuen Forschungsprojekt arbeiten neun Projektpartner aus Industrie und Forschung an Methoden zur Reduzierung von oberflächennahen Schädigungen und strukturellen Entspiegelung der eingesetzten optischen Komponenten. Ihre Ansätze könnten auch auf weitere Anwendungsfelder für Hochleistungsoptiken übertragen werden.
Bei der Laserträgheitsfusion kommen hochpräzise und hochenergetische Laserstrahlen zur Kompression und Erhitzung von Brennstoffkapseln zur Anwendung. Temperatur und Druck in den Kapseln steigen dabei so stark an, dass Atomkerne fusionieren. Dieser Prozess setzt eine große Menge an Energie frei. Wenn die gewonnene Energiemenge größer ist als die aufgewandte, kann die Laserträgheitsfusion eine wertvolle Quelle für eine saubere Energieversorgung der Zukunft sein.
Neuartige Entspiegelungsschichten und -strukturen sollen die Laserstrahlführung optimieren
Die Laserstrahlen müssen extrem präzise ausgerichtet sein, um die Brennstoffkapsel gleichmäßig zu treffen und eine symmetrische Kompression zu gewährleisten. Ihr Weg wird dabei durch verschiedene Materialien und Atmosphären gelenkt. Dies führt zu optischen Verlusten, die umso höher sind, je mehr Linsen eingesetzt werden. Auch beim Auftreffen des Laserstrahls auf die Brennstoffkapsel geht Energie verloren, weil deren Material ebenfalls einen Teil der Energie reflektiert. Nicht zuletzt sorgt die hohe Energie des Lasers für thermische Ausdehnung, die bei klassisch verwendeten Entspiegelungsschichten unterschiedlich stark ausfällt und für Risse oder andere Beschädigungen und somit für eine negative Beeinträchtigung von Präzision und Lebensdauer der Anlagen sorgen kann. Die Projektpartner möchten deshalb diese Schichten durch arteigene Antireflexstrukturen ersetzen, um Reflexionsverluste zu reduzieren.
Kombination aus Antireflex-Beschichtung und nanostrukturierten Materialien
Statt auf eine Kombination aus einem Substrat-Material und mehreren zur Entspiegelung aufgebrachten Materialschichten, setzen die Projektpartner auf eine Nanostrukturierung der Linsenoberfläche. Durch unterschiedliche Ätzprozesse sollen die Linsen eine passende die gewünschten Anti-Reflex-Eigenschaften erhalten. Am Beispiel von Quarzglas und Calciumfluorid, zwei Materialien mit großer Bandlücke, sollen für verschiedene Wellen- und Pulslängen entsprechende Demonstratoren mit großen Flächen entwickelt werden.
Der Anteil von Glatt in diesem Vorhaben bezieht sich auf die Herstellung hochfeiner Nano-Pulver mit hoher Reinheit und einer engen Partikelgrößenverteilung. Hierzu wird die Glatt Pulversynthese zum Einsatz kommen. Die erzeugten Pulver sollen im weiteren Verlauf durch die Projektpartner als Maske auf die zu entspiegelnden Oberflächen aufgebracht werden. Beim anschließenden Ätzprozess bewirkt die Abschattung durch die Partikel die Ausbildung der angestrebten Oberflächenstruktur. Um eine möglichst geleichmäßige Partikelverteilung auf der Oberfläche zu gewährleisten sollen die Pulver zusätzlich beschichtet werden, um eine Agglomeration zu unterbinden. Hierzu soll neben der Pulversynthese ein Pulver-CVD-Prozess zum Einsatz kommen.
Das Projektteam möchte nachweisen, dass der Ansatz mit einer strukturellen Entspiegelung gezielt für Höchstleistungslaseranwendungen wie die Laserträgheitsfusion optimiert werden kann und dabei möglichst gute Entspiegelungswirkungen unterhalb von 0,5 Prozent Restreflexion erreichen.
Partner aus Industrie und Forschung im Projekt „nanoAR“
Die Projektpartner bündeln im Projekt „nanoAR“ ihre Expertise von Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren zur wirksamen Reduzierung von Oberflächendefekten bei der Linsenherstellung über technologieoffene Prozessentwicklung zur Nanostrukturerzeugung, auch unter Einsatz von Simulationen und Modellierung, bis hin zur höchstauflösenden Materialcharakterisierung und Entwicklung neuer Methoden für die Qualitätssicherung.
Beteiligt am Projekt „Entspiegelnde Metaoberflächen auf Materialien mit großer Bandlücke (nanoAR)“ sind die Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), die POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), die FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), die Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), das Fraunhofer IOF (Jena), das Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (Freiburg), das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung IOM (Leipzig) und die Ernst-Abbe Hochschule (Jena).
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Viktor Drescher, Produktmanager Thermische Pulversynthese, Glatt Ingenieurtechnik GmbH
