Роль следов инструмента внутри сферической ямы, изготовленной микро

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14422 (2015) Цитировать эту статью

1376 Доступов

13 цитат

Подробности о метриках

Восстановление первоначального места небольшого повреждения в стабильные конструкции с помощью инженерных методов является ведущей стратегией смягчения роста повреждений крупногабаритных компонентов, используемых в установках лазерного термоядерного синтеза. Для кристаллов KH2PO4, служащих преобразователем частоты и оптоэлектронным переключателем-ячейкой Поккельса, микроизмельчение оказалось наиболее многообещающим методом изготовления этих стабильных структур. Однако следы инструмента внутри ремонтной ямы неизбежно будут появляться из-за износа фрезы в реальном процессе ремонта. Здесь мы количественно исследуем влияние следов инструмента на качество ремонта поврежденных кристаллических компонентов путем моделирования усиления индуцированного света и тестирования порога повреждения, индуцированного лазером. Мы обнаружили, что из-за образования фокусирующих горячих точек и интерференционной ряби интенсивность света сильно увеличивается при наличии следов инструмента, особенно на задних поверхностях. Кроме того, негативный эффект следов от инструментов зависит от их плотности, а множественные следы от инструментов могут усугубить усиление света. Лазерные испытания на повреждения подтвердили роль следов инструмента как слабых мест, снижающих качество ремонта. Эта работа предлагает новый критерий для комплексной оценки качества отремонтированных оптических поверхностей, чтобы решить проблему низкого порога лазерного повреждения оптических компонентов в установках лазерного термоядерного синтеза.

Чтобы обеспечить контролируемую энергию термоядерного синтеза, большое количество лазерных лучей было сосредоточено на микромишенях для создания мощных лазерных систем по всему миру1,2,3,4,5. В таких огромных лазерных системах требуется большое количество крупногабаритных оптических компонентов с высокоточными поверхностями для усиления и доставки лазерных лучей в вакуумную мишенную камеру. Например, более 30 000 оптических деталей установлено в Национальной установке зажигания (NIF), которая состоит из 192 лучей с большой апертурой (42 см), построенных Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса в США4,6,7. Среди этих компонентов кристаллы дигидрофосфата калия (KH2PO4, известный как KDP) считаются незаменимыми компонентами и служат преобразователем частоты и оптоэлектронным переключателем-ячейкой Поккельса благодаря своим уникальным физическим и электрооптическим свойствам8,9,10. Одной из основных проблем на установках лазерного синтеза является то, что под воздействием мощных лазеров оптические детали подвержены лазерному повреждению, что значительно снижает их оптические характеристики и срок службы2,11,12,13,14 , 15. Поверхностное лазерное повреждение обычно угрожает лазерным системам более серьезно, чем объемное повреждение, поскольку размер поверхностного повреждения будет быстро расти после последующего лазерного облучения, тогда как объемное повреждение остается неизменным12,16. Хотя повреждение оптических компонентов, вызванное лазером, является активной областью исследований уже более четырех десятилетий, это явление до сих пор недостаточно изучено, а низкий порог повреждения, вызванного лазером (LIDT), остается узким местом в разработке мощных лазеров. системы17. Для кристаллооптики KDP фактическое значение LIDT намного ниже теоретически рассчитанного значения. На данный момент очень важно разработать новые методы повышения устойчивости к лазерным повреждениям.

На реальных установках лазерного синтеза была предложена стратегия ремонта, которая широко применяется к различным оконечным оптикам для сдерживания роста нестабильных участков поверхностных повреждений и повышения устойчивости к лазерным повреждениям. Стратегия восстановления, которую также называют «смягчением», заключается в том, чтобы сначала инициировать предшественники повреждения в чувствительных поверхностных зонах путем предварительного облучения лазерами с низкой плотностью энергии, затем идентифицировать нестабильные участки повреждения и, наконец, устранить их с помощью заранее разработанного мягкого смягчения. структура с гораздо более высоким LIDT3,12,18,19,20,21,22. Два метода плавления CO2-лазером с длиной волны 10,6 мкм3,18 и ультракороткоимпульсная лазерная абляция19 являются типичными методами обработки для удаления начальных нестабильных участков повреждений для оптики из диоксида кремния и многослойных покрытий. Однако из-за хрупких физических и механических свойств кристаллов KDP микрообработка оказалась наиболее многообещающим методом полного удаления начальных участков повреждений на поверхности кристаллов20,21,22.