마이크로 제작된 구형 완화 피트 내부 도구 자국의 역할

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14422(2015) 이 기사 인용

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레이저 핵융합 시설에 사용되는 대형 부품의 손상 증가를 완화하기 위한 선도적인 전략은 초기 경미한 손상 부위를 공학적 기법으로 안정적인 구조로 수리하는 것입니다. 주파수 변환기 및 광전자 스위치-포켈 셀 역할을 하는 KH2PO4 결정의 경우 마이크로 밀링이 이러한 안정적인 구조를 제조하는 가장 유망한 방법으로 입증되었습니다. 그러나 실제 수리 과정에서 밀링 커터의 마모로 인해 수리 피트 내부에 공구 자국이 생길 수 밖에 없습니다. 여기에서는 유도된 광 강도를 시뮬레이션하고 레이저로 유도된 손상 임계값을 테스트하여 손상된 수정 부품의 품질을 복구하는 데 도구 표시가 미치는 영향을 정량적으로 조사합니다. 우리는 포커싱 핫스팟과 간섭 잔물결의 형성으로 인해 공구 자국이 있을 때 특히 후면 표면의 경우 광 강도가 크게 향상된다는 것을 발견했습니다. 게다가 도구 표시의 부정적인 효과는 표시 밀도에 따라 달라지며 여러 도구 표시는 빛의 강도를 악화시킵니다. 레이저 손상 테스트에서는 공구 자국이 약점으로 작용하여 수리 품질이 저하되는 것으로 확인되었습니다. 이 연구는 레이저 구동 융합 시설의 광학 부품에 대한 낮은 레이저 손상 임계값이라는 병목 현상 문제를 완화하기 위해 수리된 광학 표면의 품질을 종합적으로 평가하는 새로운 기준을 제공합니다.

제어 가능한 핵융합 에너지를 충족시키기 위해 전 세계적으로 고출력 레이저 시스템을 구축하기 위해 수많은 레이저 빔이 마이크로 크기 대상에 집중되었습니다1,2,3,4,5. 이러한 거대한 레이저 시스템에서는 레이저 빔을 증폭하여 진공 타겟 챔버에 전달하기 위해 고정밀 표면을 갖춘 수많은 대형 광학 부품이 필요합니다. 예를 들어, 미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에서 제작한 192개의 대구경(42cm) 빔으로 구성된 국립 점화 시설(National Ignition Facility, NIF)에는 30,000개가 넘는 광학 부품이 설치되어 있습니다4,6,7. 이러한 부품 중에서 인산이수소칼륨(KH2PO4, KDP로 알려짐) 결정은 대체할 수 없는 구성 요소로 간주되며 고유한 물리적 및 전기 광학적 특성으로 인해 주파수 변환기 및 광전자 스위치-포켈 셀 역할을 합니다8,9,10. 레이저 융합 시설의 주요 관심사 중 하나는 고출력 레이저를 조사할 때 광학 부품이 레이저로 인한 손상을 받기 쉽고, 이로 인해 광학 성능과 수명이 크게 단축된다는 것입니다2,11,12,13,14 ,15. 표면의 레이저 손상은 일반적으로 대량 손상보다 레이저 시스템을 더 심각하게 위협합니다. 왜냐하면 표면 손상의 크기는 후속 레이저 조사에 따라 급속한 성장을 경험하는 반면 대량 손상의 경우에는 변경되지 않기 때문입니다12,16. 광학 부품의 레이저 유도 손상은 40년 넘게 활발한 연구 분야였지만 이 현상은 아직 잘 이해되지 않았으며 낮은 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)은 고출력 레이저 개발의 병목 현상으로 남아 있습니다. 시스템17. KDP 수정광학의 경우 실제 LIDT는 이론적으로 계산된 값보다 훨씬 낮습니다. 이 시점에서 레이저 손상 저항성을 향상시키기 위한 새로운 기술을 개발하는 것이 매우 중요합니다.

실제 레이저 융합 시설에서는 레이저 손상 저항성을 향상시키기 위해 불안정한 표면 손상 부위의 성장을 억제하기 위한 수리 전략이 제안되었으며 다양한 단자 광학 장치에 널리 적용되었습니다. "완화"라고도 하는 수리 전략은 먼저 저플루언스 레이저를 사전 조사하여 민감한 표면 영역에서 손상 전구체를 시작한 다음 불안정한 손상 부위를 식별하고 최종적으로 미리 설계된 양성 완화로 이를 수리하는 것입니다. LIDT3,12,18,19,20,21,22가 훨씬 높은 구조입니다. 10.6μm 파장의 CO2 레이저 용융3,18과 초단 펄스 레이저 절제19라는 두 가지 기술은 실리카 및 다층 코팅 광학 장치의 초기 불안정한 손상 부위를 제거하는 일반적인 처리 방법입니다. 그러나 KDP 결정의 섬세한 물리적, 기계적 특성으로 인해 미세 가공은 결정 표면의 초기 손상 부위를 완전히 제거하는 가장 유망한 방법임이 입증되었습니다.