Papel das marcas de ferramentas dentro do poço de mitigação esférico fabricado por micro

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 14422 (2015) Citar este artigo

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Reparar o local inicial de pequenos danos em estruturas estáveis ​​por meio de técnicas de engenharia é a principal estratégia para mitigar o crescimento de danos em componentes de grande porte usados ​​em instalações de fusão acionadas por laser. Para cristais KH2PO4, servindo como conversor de frequência e célula optoeletrônica switch-Pockels, a microfresagem tem se mostrado o método mais promissor para fabricar essas estruturas estáveis. No entanto, marcas de ferramentas dentro do poço de reparo seriam inevitavelmente introduzidas devido ao desgaste da fresa no processo de reparo real. Aqui investigamos quantitativamente o efeito das marcas de ferramentas na qualidade de reparo de componentes de cristal danificados, simulando sua intensificação de luz induzida e testando o limite de dano induzido por laser. Descobrimos que devido à formação de pontos quentes de focagem e ondulações de interferência, a intensidade da luz é fortemente aumentada com a presença de marcas de ferramentas, especialmente para aquelas nas superfícies traseiras. Além disso, o efeito negativo das marcas de ferramentas depende da densidade das marcas e múltiplas marcas de ferramentas agravariam a intensificação da luz. Testes de danos a laser verificaram o papel das marcas de ferramentas como pontos fracos, reduzindo a qualidade do reparo. Este trabalho oferece um novo critério para avaliar de forma abrangente a qualidade de superfícies ópticas reparadas para aliviar o problema do gargalo do baixo limiar de dano do laser para componentes ópticos em instalações de fusão acionadas por laser.

A fim de cumprir a energia de fusão controlável, vários feixes de laser foram focados em alvos de tamanho micro para construir sistemas de laser de alta potência em todo o mundo . Sob sistemas de laser tão grandes, é necessário um grande número de componentes ópticos de grande porte com superfícies de alta precisão para amplificar e enviar os feixes de laser para a câmara alvo de vácuo. Por exemplo, mais de 30.000 peças ópticas estão instaladas no National Ignition Facility (NIF), que consiste em 192 feixes de grande abertura (42 cm) construídos pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore nos EUA4,6,7. Entre essas partes, os cristais de dihidrogenofosfato de potássio (KH2PO4, conhecidos como KDP) são considerados componentes insubstituíveis e servem como conversor de frequência e célula de comutação optoeletrônica Pockels devido às suas propriedades físicas e eletro-ópticas únicas . Uma das principais preocupações nas instalações de fusão a laser é que, sob a irradiação de lasers de alta potência, as partes ópticas são suscetíveis a sofrer danos induzidos pelo laser, o que reduziria em grande parte o seu desempenho óptico e vida útil2,11,12,13,14. ,15. O dano do laser nas superfícies geralmente ameaça os sistemas de laser mais severamente do que o dano em massa, uma vez que o tamanho do dano na superfície sofreria um rápido crescimento após a irradiação subsequente do laser, enquanto para o dano em massa, ele se manteria inalterado12,16. Embora o dano induzido por laser em componentes ópticos tenha sido um campo ativo de pesquisa há mais de quatro décadas, esse fenômeno ainda não é bem compreendido e o baixo limiar de dano induzido por laser (LIDT) continua sendo um gargalo no desenvolvimento de laser de alta potência. sistemas17. Para a óptica de cristal KDP, o LIDT real é muito inferior ao valor calculado teoricamente. Neste ponto, é de grande importância o desenvolvimento de novas técnicas para melhorar a resistência aos danos do laser.

Nas instalações reais de fusão a laser, uma estratégia de reparo foi proposta e amplamente aplicada a vários terminais ópticos para conter o crescimento de locais de danos superficiais instáveis ​​para melhorar a resistência a danos por laser. A estratégia de reparo, também chamada de “mitigação”, é primeiro iniciar os precursores de danos em zonas de superfície sensíveis por pré-irradiação com lasers de baixa fluência, depois identificar os locais de danos instáveis ​​e, finalmente, repará-los com uma mitigação benigna pré-projetada. estrutura com LIDT3,12,18,19,20,21,22 muito maior. Duas técnicas de fusão a laser de CO2 no comprimento de onda de 10,6 μm3,18 e ablação a laser de pulso ultracurto19 são os métodos de processamento típicos para remover os locais de dano instáveis ​​iniciais para óptica de revestimento de sílica e multicamadas. No entanto, devido às delicadas propriedades físicas e mecânicas dos cristais KDP, a microusinagem provou ser o método mais promissor para remover completamente os locais de dano inicial nas superfícies dos cristais .