Photonik beleuchtet Fusion

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir die gleiche Energie nutzen können, die die Sterne antreibt und eine praktisch unbegrenzte und saubere Stromquelle bietet. Dies ist das Versprechen einer Kernfusion, einem Prozess, der das Potenzial hat, unsere Energielandschaft zu revolutionieren. Die magnetische Begrenzung und die Trägheitsbegrenzung sind zwei vielversprechende Technologien, die eine Fusion erreichen können, und die Realität einer nachhaltigen Erzeugung sauberer Energie.  

Lasergesteuerte Trägheitsbegrenzung wurde von der National Ignition Facility (NIF) verwendet, um das bahnbrechende Ergebnis einer positiven Verstärkung zu erzielen.  Dies hat die Entwicklungsbemühungen beschleunigt und den Zeitplan für die Kommerzialisierung bestimmt.  Der Weg zu praktikablen Kraftwerken hat sowohl wissenschaftliche als auch technische Herausforderungen und die Sicherung von Lieferkettenpartnern, die kostengünstige, zuverlässige Geräte und Produkte liefern können.  Die sehr hohen Pulsenergien, die für die Laser benötigt werden, erfordern photonische Produkte, um weit über die Mainstream-Laser hinaus zu funktionieren.  Dies ist das Hauptproblem für die Lieferkette.

Mit vielen Jahrzehnten der Lieferung aller Formen und Größen von Laser- und Optiken ist Coherent einzigartig positioniert, um die Entwicklung von Trägheitsfusionsenergie zu unterstützen. Von optische Fasern und nichtlinearen Kristallen bis hin zu Diode trägt unsere umfassende Suite an Produkten und Lösungen dazu bei, den Fortschritt der Fusionsforschung voranzutreiben

Sehen wir uns die entscheidende Rolle an, die die Photoniktechnologie bei der Weiterentwicklung der Laser spielt. 

Komponenten von Coherent für die Fusion

Coherent hat der Fusionsgemeinschaft eine Vielzahl photonischer Komponenten geliefert, die auf die anspruchsvollen Anforderungen an die Erzeugung des Laser und der Strahllinien zugeschnitten sind –  

Diodenlaser: Laser Diode sind bei Fusionsanwendungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere beim Antrieb von diodengepumpten Festkörperlasern (DPSSLs), die für die Einleitung von Fusionsreaktionen von entscheidender Bedeutung sind. Ihre Effizienz von Wandsteckern wirkt sich direkt auf die Gesamtenergieeffizienz des Systems aus und stellt sicher, dass maximale Energie mit minimalen Verlusten und minimalen Betriebskosten energieintensiver Fusionsprozesse geliefert wird. 

Laser Hochleistungslaserdioden sind massenproduzierbar, während ihre Wellenlänge präzise auf die AbsorptionsWellenlänge des DPSSL-Mediums abgestimmt werden kann und so eine optimale Energieübertragung gewährleistet. Spitzenleistung ist auch unerlässlich, da hochintensive Pulse erforderlich sind, um die für die Fusion erforderlichen extremen Bedingungen zu erreichen. 

Die geringe Größe von Laser Hochleistungslaserdioden ermöglicht eine dichte Verpackung und ermöglicht die Skalierung von Laser Diode-Arrays, die für Hochleistungsanwendungen erforderlich sind. Für solche Dioden, die für einen zuverlässigen Betrieb über längere Zeiträume erforderlich sind, wurde eine Langlebigkeit oder Lebensdauer demonstriert, die für kommerzielle Fusionsreaktoren erforderlich ist. Langlebige Dioden senken die Wartungs- und Austauschkosten und erhöhen die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.  

Schlüsselfertiges 350kW QCW Diode, das den Strahl aus 100 Stacks von je 8 Bars zu einem homogenisierten Strahl mit quadratischem Querschnitt von 78 mm x 78 mm kombiniert.

Große Optiken: Die großen Strahldurchmesser, die zur Minimierung optischer Schäden verwendet werden, erhöhen die optischen Aperturen erheblich, wobei einige Optiken einen Durchmesser von bis zu 1m (39”) haben.  Die Fokussierung mit lichtdurchlässigen Optiken erfordert extrem Präzision, großformatige Optiken, die den für Fusionsanlagen typischen hohen Intensitäten und rauen Umgebungen standhalten müssen. 

Wir liefern NIF die in ihrer „Final Optics Assembly“ verwendeten Keilfokuslinsen (WFLs). Jede dieser Fokuslinsen ist eine 400 mm x 400 mm große, asphärische Linse mit einer Brennweite von 7,7 m, die aus hochwertigem Quarzglas gefertigt ist. Wir setzen eine Reihe von computergesteuerten Polier- und Messinstrumenten ein, um den außergewöhnlichen Präzisionsgrad zu erreichen, den die NIF für diese Komponenten verlangt. Wir sind weltweit einer von nur einer Handvoll Herstellern, die solche hochaperturen, Präzision Optiken in großen Stückzahlen konsistent herstellen können.

Keillinsen mit großer Apertur von 400 x 400 mm, die in der National Ignition Facility getestet werden.

Optische Fasern: Coherent bietet ein umfassendes Angebot an Spezialfasern, die für optimale Leistung entwickelt wurden und das geringste Photodarkening, die höchsten Absorption und große Modenfeldbereiche bieten. Diese Fasern sind ideal für die Skalierung von Einfrequenz-, Ultrafast- und Hochleistungslasern. Sie werden häufig mit unseren XLMA-Fasern kombiniert und spielen eine entscheidende Rolle als Seed-Injection-Laser in der Hochenergiefusionsforschung.

Kristalle: Sowohl Verstärkungskristalle als auch nichtlineare Frequenzumwandlungskristalle werden in großem Umfang in den Verstärkern in einem Lasersystem der Petawatt-Klasse verwendet. Die letzte Phase der meisten Fusionslaser erfordert eine Frequenzverdreifachung des Laser, die in zwei Stufen mit zwei Kristallen erreicht wird.  Die Effizienz der Umwandlung verbessert sich mit der Leistungsdichte, dies ist jedoch mit Schadensschwellen ausgeglichen. Die Herstellung von Kristallen mit großer Apertur stellt erhebliche Herausforderungen, aber wir können uns auf jahrzehntelangen kommerziellen Erfolg verlassen, um die Dimensionierungsgrenze kontinuierlich zu erweitern. 

Laserdiagnose: Die Lasermessung für die Fusionsforschung umfasst eine präzise Überwachung und Steuerung von Seed- und Hochleistungslasern. Coherent bietet ein breites Angebot an Produkten für die Laser an, die auf diese Anforderungen zugeschnitten sind. Die Produktlinie umfasst Strahldiagnosekameras, Thermosäulen, pyroelektrische Sensoren und eigenständige Messgeräte wie den LabMax Touch, die eine genaue Analyse und Datenprotokollierung für Energie- und Leistungsmessungen ermöglichen. Zu den gängigen Sensoren gehören MaxBlack keramikbeschichtete Sensoren für Ti:Saphir-Systeme bis zu 1 kHz und diffuse Metallsensoren für schnellere 10 kHz-Geschwindigkeiten sowie spektral kalibrierte optische Diffusoren für Nd:YAG-Laser. Für Hochleistungslaser ermöglicht der PM10K+ eine Leistungsmessung von bis zu 12 kW. Diese Werkzeuge bieten die Genauigkeit und Zuverlässigkeit, die für eine umfassende Laser in Fusionssystemen erforderlich sind. 

NIST-rückverfolgbare Hochleistungs- und Energiemessgeräte mit Daten- und Pulsanalyseinstrumentierung.

Isolatoren: Unsere leistungsstarken optischen Rotatoren 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.  Für die anspruchsvollsten Anwendungen hat EOC die PAVOS Ultra Produktlinie entwickelt. Diese auf Kalium-Terbiumfluorid (KTF) basierenden Isolatoren bieten eine Generationsverbesserung der Leistung. Die Fokusverschiebung der thermischen Linse des PAVOS Ultra ist deutlich reduziert und leicht negativ.  Das bedeutet, dass KTF gut für Laser mit höherer Durchschnittsleistung geeignet ist, während TGG (Terbium Gallium Garnet) besser für höhere Energie geeignet ist.  Wenn Sie KTF mit leistungsstarken Polarisatoren und Wärmemanagementtechniken kombinieren, entwickeln Sie ein Produkt, das es auf dem Markt ermöglicht.  Wir sind bestrebt, die Fusionstechnologie durch die Bereitstellung modernster Laser voranzutreiben.

Standard- und kundenspezifische Isolatoren bieten große Öffnungen, hohe Belastbarkeit und gleichbleibende Strahlqualität mit deutlich reduzierter thermischer Linsenbildung.

Laserverstärker: Astrella Femtosekunden-Ultrafast-CPA-Verstärker sind One-Box-kHz-Laser der neuesten Generation, die für maximale Zuverlässigkeit, Betriebszeit und branchenführende Leistung entwickelt und produziert werden. Eine große Anzahl dieser Systeme werden in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen und industriellen Prozessen wie der fs-Materialbearbeitung implementiert.

Es kann als zuverlässiges Frontend für Laser mit niedriger bis mittlerer Intensität verwendet werden, liefert jedoch in der Regel <35 fs oder <100 fs Pulse für zeitaufgelöste und mehrdimensionale kohärente Spektroskopie, THz-Spektroskopie, ultraschnelle Beugung, Experimente zur Attosekunden- und Hochharmonische Erzeugung und EUV/weiche Röntgenspektroskopie.  Mit bis zu 9 mJ/Puls ist es die ultimative Wahl für eine Vielzahl wissenschaftlicher Anwendungen. Die einzigartigen Designmerkmale, wie versiegelter Dehnungskompressor, freihändiger Oszillator und thermisch stabilisierte Subsysteme, wurden durch HALT/HASS-Protokolle optimiert, die die in industriellen Laser erwartete Zuverlässigkeit bieten. Es ist eine ideale Quelle, um einen optischer parametrischer Verstärker zu pumpen, um die Wellenlänge von UV auf mittleres IR zu erweitern.

Zusammenfassung

Im hochspezialisierten Bereich der Kernfusionsforschung bieten wir viele der wichtigsten Bausteine für die Strahlführung und -fokussierung.  Jede Produktkategorie bietet eine Leistung, die von anderen Herstellern nicht erreicht werden kann. Leistungsstarke QCW-Diode mit schmaler Linienbreite, Präzision großflächige Optiken und Kristalle, erstklassige Modenerhaltungsisolatoren bis hin zu hochmodernen Verstärkungsfasern.

Wir haben eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit führenden Fusionsforschungseinrichtungen, darunter die National Ignition Facility (NIF) und ITER. Diese Partnerschaften unterstreichen unsere Fähigkeit, die strengen Anforderungen von hochkarätigen Projekten zu erfüllen und zu erheblichen Fortschritten in diesem Bereich beitragen.

Erfahren Sie mehr über die Photonikprodukte von Coherent für die Laser.

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