Licht für die Fusion

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Wer Ultrahochleistungslaser vom Forschungsgegenstand zum Forschungsinstrument entwickeln will, braucht Pumpquellen, die so wenig Kopfzerbrechen machen, wie die Pumpmodule in heutigen Werkzeuglasern.

Laserinduzierte Fusion liefert zum ersten Mal mehr Energie als ihre Zündung verschlingt. Kaum zimmergroße Laser-Teilchenbeschleuniger könnten die klassischen, kilometerlangen Ringstrecken in vielen Experimenten ablösen. Das sind nur zwei Nachrichten, aber sie zeigen, dass in Laser-Plasma-Interaktionen das Potenzial steckt, Revolutionen auszulösen. Kleine Voraussetzung: Diodengepumpte Festkörperlaser die statt einmal alle paar Stunden mehrmals pro Sekunde Pulse im Kilojoulebereich abfeuern.

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Das Unternehmen

  • Die Ingeneric GmbH entwickelt und fertigt ultrapräzise Optiken und mikromechanische Komponenten für High-End-Anwendungen. Dabei wendet das Unternehmen ein breites Technologie­spektrum an, das von der Ultrapräzisions­bearbeitung und Mikrostrukturierung bis zum Ultrapräzisionsblankpressen für die Replikation großer Serien reicht.

Institute und Projekte

  • Das Dipole Projekt: Ziel ist es einen Laserverstärker zu entwickeln, der mehrere Pulse pro Sekunde erzeugt und dabei Pulsenergien jenseits von einem Kilojoule erreicht. Das Projekt läuft an der Central Laser Facility des Rutherford Appleton Laboratory.
  • Das HiLASE Projekt: Ziel des Projekts ist es ebenfalls, Dioden gepumpte gepulste Festkörperlaser mit hoher Pulsrate und Pulsenergie zu entwickeln. Diese sind für die Industrie und für kleine und mittlere Forschungseinrichtungen in der sogenannten ERA – European Research Area gedacht.

 Laserfusion

Laserfusion

  • Die Fusion von Wasserstoff zu Helium wäre eine schier unerschöpfliche Energiequelle – wenn es gelänge die Fusion kontrolliert zu zünden und ablaufen zu lassen. Als vielversprechender Weg gilt die Zündung mit Laserlicht, das ein hochenergetisches Plasma erzeugt. Die National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien führt aktuell die Forschung an der laserinduzierten Fusion an. 192 Laserstrahlen bringen dort 1,8 Megajoule Energie in ein Brennstoffkügelchen ein. 2014 gelang es zum ersten Mal damit eine Fusionsreaktion zu zünden, die mehr Energie erzeugte, als die Forscher einsetzten.

 

Mehr Pulse, mehr Power

Das Dipole-Projekt am britischen Appleton Rutherford Laboratory zielt auf einen solchen Laser. In seiner ausgereiften Form soll ein gasgekühlter cryogener YAG Laserverstärker Pulse mit deutlich über einem Kilojoule Pulsleistung in einer Frequenz von bis zu zehn Hertz erzeugen.

Sogenannte Seed-Pulse mit den gewünschten Pulseigenschaften durchlaufen dabei einen Vorverstärker, ehe das Licht von zwei Pumpquellen auf die angestrebte Pulsenergie verstärkt wird. Wie in einem heutigen Werkzeuglaser sind diese Pumpquellen wichtig und unwichtig zugleich. Ihre Leistung und die Qualität ihres Lichts beeinflusst maßgeblich den Output-Strahl. Andererseits sind die Pumpquellen nur die Energielieferanten und sollten sich entsprechend unauffällig einfügen.

DiPOLE laboratory setup

In der Vakkumkammer erzielt die Pumpquelle auf den rechteckigen YAG:Yb-Scheiben des Laserverstärkers einem zwei mal zwei Zentimeter großen, extrem homogenen Fokusfleck.

Pumpquelle der Zukunft

Das war der Ausgangspunkt, als Ingeneric 2010 begann die hocheffizenten Pumpquellen für Dipole zu entwickeln. Als Partner für die Energieversorgung kam AMTRON dazu und JENOPTIK lieferte anfangs die Diodenstacks. Seit 2013 kommen diese vom Laserhersteller TRUMPF, der seit Frühjahr 2014 auch Muttergesellschaft von Ingeneric ist.

Die erste Version der Pumpquelle war ausgelegt für 20 Kilowatt Pulsspitzenleistung je Pumplaser mit einer Wiederholrate von 10 Hertz. Mit ihr erzielte Dipole den ersten Erfolg: 2011 erzeugte der damalige Prototyp des Laserverstärkers damit Pulse mit 10 Joule Pulsleistung in einer Frequenz von einem Hertz und einer optisch-optischen Effizienz von 21 Prozent – eine herausragende Leistung.

Licht nach Maß

Im Takt mit der Entwicklung der Dipole-Prototypen erreicht die Pumpquellengeneration inzwischen 30 kW. In dem Parallelprojekt Hilase werden aktuell Pumpquellen mit 250 Kilowatt realisiert. In der Endausbaustufe sollen dann Quellen mit 1000 Kilowatt ihren Dienst in der Energieerzeugung leisten.

Ziel war auch, eine Plug-and-Play-Lösung zu schaffen, die serientauglich ist und mit dem Dipole Laser zu beinah industrieller Reife kommen wird.

Doch die zentrale Anforderung des Dipole-Teams gilt der Qualität des Lichts. 939,5 Nanometer Wellenlänge liefert die 20-Kilowatt-Quelle und erzielt damit in sechzig Zentimetern Entfernung in einem zwei mal zwei Zentimeter großen, extrem homogenen Fokusfleck eine Intensität von 5 kW/cm². Diese Fläche entspricht den rechteckigen YAG:Yb-Scheiben, in denen Seed-Puls und Pumplicht im Laserverstärker zusammentreffen. Die Intensität ist verbindendes Element zwischen den Systemen: Auch bei den leistungsstärkeren Systemen wird eine Intensität von 5 kW/cm² erzielt. Fokusgeometrie und Arbeitsabstand sind entsprechend der Leistungsskalierung angepasst.

Efficient-Pumping-of-inertial-fusion

3-D-Profil der Intensitätsverteilung: Der Pumpstrahl weist ein perfektes Top-Hat-Profil auf.

Die Laserlichtquelle besteht aus Diodenbarren mit einer cw-Leistung von 200 Watt. 25 Barren teilen sich als passiv gekühlter, vertikaler Stack eine Wärmesenke aus Kupfer. Um die Kühlung weiter zu verbessern und thermische Verformung zu verhindern, wurde der Abstand zwischen ihnen gegenüber dem Standardaufbau auf 1,7 Millimeter erweitert. Das entkoppelt die einzelnen Barren mechanisch und thermisch. Zudem erleichtert es die Kollimation des Lichts.

Der größere Abstand ermöglicht es, Linsen mit längerer Brennweite einzusetzen. Das verbessert die optischen Eigenschaften und macht die Stacks weit weniger anfällig für Achsverschiebungen zwischen den Barren. Ingeneric-Fast-Axis-Kollimationslinsen höchster Güte sorgen dafür, dass bei Barren mit 47 Grad Öffnungswinkel in der Fast Axis 95 Prozent der Energie innerhalb einer Divergenz von 2,1 mrad enthalten sind.

Jede dieser Basiseinheiten für sich erfüllt alle angestrebten Eigenschaften. Sie liefern konstante optische Leistungen über 15.000 Betriebsstunden und 1,4 Millionen Pulse hinweg und das Spektrum bleibt stabil in der vorgegebenen Bandbreite. Tatsächlich bewegt sich das Spektrum sogar innerhalb einer Bandbreite von nur drei Nanometern.

Der perfekte Puls

Auch die Energieverteilung übertrifft die Erwartungen: 75 Prozent der Pulsenergie konzentrieren sich zwischen 937 und 943 Nanometern Wellenlänge. Die räumliche Ausdehnung sowie die Energiedichte im Licht der einzelnen Barren entspricht vollständig den Vorgaben und die Pulse bauen sich jeweils in weniger als einem Prozent der Pulsdauer auf und wieder ab. Dazwischen liegt ein Plateau konstanter Intensität. Bei alldem erreichen die Basiseinheiten eine elektrisch-optische Effizienz von über 80 Prozent.

Jede dieser Basiseinheiten für sich erfüllt alle angestrebten Eigenschaften. Sie liefern konstante optische Leistungen über 15.000 Betriebsstunden und 1,4 Millionen Pulse hinweg

Ein 30-Kilowatt-Pumplaser besteht in der aktuellen Generation aus vier Basiseinheiten. Ihr Licht wird überlagert und der Frequenzbereich durch kleine Temperaturänderungen via Stromstärke und Kühlung feingesteuert. Die von Ingeneric realisierte Homogenisierung erzielt Ergebnisse, die mit Toleranzen unterhalb von fünf Prozent deutlich über den ursprünglichen Erwartungen liegen.

Serienmäßig in die Forschung

Mit dieser Architektur erfüllt die Pumpquelle nicht nur die unmittelbaren Anforderungen für das Dipole-Projekt: Pumplicht mit bestimmten Spezifikationen zu liefern und Skalierbarkeit im Takt des Projekts. Sie erreicht auch das andere Ziel, das Ingeneric mit dieser Architektur verfolgt hat: eine Plug-and-Play-Lösung zu schaffen, die serientauglich ist und mit dem Dipole Laser zu beinah industrieller Reife kommen wird.

Pumpmodul

Zwei kompakt gebaute Pumplaser von Ingeneric bilden die Pumpquelle für einen Dipole-Laserverstärker.

Denn in den kommenden Jahren wird die Forschung an Hochleistungslasern wie Dipole in Forschung mit solchen Lasern übergehen – zum Beispiel in Testreaktoren für laserinduzierte Fusion. Dort wird es dann nicht nur ein Laserverstärker mit zwei Pumpquellen sein.

Die National Ignition Facility in den USA beispielsweise bündelt das Licht von 193 Lasern. Spätestens dann wird es darum gehen mit Standardisierungen und Modullösungen den Aufwand für Installation und Betrieb zu begrenzen. Nur als Vergleich: Wer vor zehn Jahren einen Femtosekundenlaser für seine Forschung wollte, musste sich einen bauen. Heute lässt er sich bestellen. Die Pumpmodule spielen dabei höchstens noch als auswechselbare Ausstattungsoption eine Rolle. Und so soll es auch sein.

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