微細加工による球状緩和ピット内のツールマークの役割

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14422 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

工学技術によって初期の軽度の損傷箇所を修復して安定した構造にすることは、レーザー駆動核融合施設で使用される大型コンポーネントの損傷の拡大を軽減するための主要な戦略です。 周波数変換器および光電子スイッチ ポッケルス セルとして機能する KH2PO4 結晶の場合、マイクロミリングはこれらの安定した構造を製造する最も有望な方法であることが証明されています。 しかし、実際の修理工程ではフライスの磨耗により、修理ピット内の工具痕が不可避的に発生します。 今回我々は、誘導光の増強をシミュレートし、レーザー誘起損傷閾値をテストすることにより、損傷した結晶コンポーネントの修復品質に対するツールマークの影響を定量的に調査します。 我々は、集束ホットスポットと干渉リップルの形成により、特に裏面のツールマークの存在により光強度が大幅に強化されることを発見しました。 さらに、ツール マークの悪影響はマーク密度に依存し、複数のツール マークは光の増強を悪化させます。 レーザー損傷テストでは、ツールマークが弱点として役割を果たし、修理の品質を低下させることが確認されました。 この研究は、レーザー駆動核融合施設における光学コンポーネントのレーザー損傷閾値が低いというボトルネック問題を軽減するために、修復された光学表面の品質を包括的に評価するための新しい基準を提供します。

制御可能な核融合エネルギーを実現するために、世界中で高出力レーザー システムを構築するために、多数のレーザー ビームがマイクロサイズのターゲットに集中してきました1、2、3、4、5。 このような巨大なレーザー システムでは、レーザー ビームを増幅して真空ターゲット チャンバーに届けるために、高精度の表面を備えた多数の大型光学部品が必要になります。 例えば、米国のローレンスリバモア国立研究所によって建設された 192 本の大口径 (42 cm) ビームで構成される国立点火施設 (NIF) には、30,000 個を超える光学部品が設置されています4,6,7。 これらの部品の中で、リン酸二水素カリウム (KH2PO4、KDP として知られる) 結晶は、かけがえのない部品とみなされ、その独特の物理的および電気光学的特性により、周波数変換器および光電子スイッチ - ポッケルスセルとして機能します 8,9,10。 レーザー核融合施設における主な懸念の 1 つは、高出力レーザーの照射下で光学部品がレーザー誘発損傷を受けやすく、光学部品の光学性能と寿命が大幅に低下することです2,11,12,13,14。 、15． 表面のレーザー損傷は、一般に、表面損傷のサイズがその後のレーザー照射後に急速に増大する一方、バルク損傷の場合は変化しないため、バルク損傷よりもレーザー システムをより深刻に脅かします12,16。 光学部品のレーザー誘起損傷は 40 年以上にわたって活発な研究分野となっていますが、この現象はまだよく理解されておらず、レーザー誘起損傷閾値 (LIDT) の低さが依然として高出力レーザー開発のボトルネックとなっています。システム17. KDP 結晶光学系の場合、実際の LIDT は理論的に計算された値よりもはるかに低くなります。 現時点では、レーザー損傷耐性を向上させるための新しい技術を開発することが非常に重要です。

実際のレーザー核融合施設では、レーザー損傷耐性を向上させるために、不安定な表面損傷部位の成長を抑えるための修復戦略が提案され、さまざまな終端光学系に広く適用されています。 「軽減」とも呼ばれる修復戦略は、まず低フルエンスレーザーの事前照射によって敏感な表面ゾーンで損傷前兆を開始し、次に不安定な損傷部位を特定し、最後に事前に設計された良性の軽減策でそれらを修復します。 LIDT3,12,18,19,20,21,22 がはるかに高い構造。 波長 10.6 μm での CO2 レーザー溶解 3,18 と超短パルスレーザーアブレーション 19 の 2 つの技術は、シリカおよび多層コーティング光学部品の初期の不安定な損傷部位を除去するための典型的な加工方法です。 しかし、KDP 結晶の物理的および機械的特性は繊細であるため、微細加工は結晶表面の初期損傷部位を完全に除去する最も有望な方法であることが証明されています 20、21、22。