3. Werking van de laser - Hannah Interculturele Projecten

Worlds largest laser
Auteurs:
Professor:
Lars Peters
Pieter Wuytens
Jan Engelen
1e master Elektrotechniek optie telecommunicatie en telematica
Inhoudsopgave
1 Inleiding .................................................................................................................................. 3
2 Doel van NIF ........................................................................................................................... 4
2.1 Starten van fusie ............................................................................................................... 4
2.2 Nucleaire testen ................................................................................................................ 4
2.3 Wetenschappelijk onderzoek ............................................................................................ 4
2.3.1 Astrofysica en ruimtefysica ....................................................................................... 4
2.3.2 Hydrodynamica ......................................................................................................... 4
2.3.3 Materiaal eigenschappen ........................................................................................... 4
2.3.4 Plasmafysica .............................................................................................................. 5
2.3.5 Stralingseigenschappen ............................................................................................. 5
2.3.6 Stralingsbronnen ........................................................................................................ 5
3. Werking van de laser .............................................................................................................. 5
3.1 Injectie laser systeem ....................................................................................................... 5
3.1.1 Hoofdoscillator .......................................................................................................... 6
3.1.2 Voorversterker ........................................................................................................... 6
3.2 Versterkers ....................................................................................................................... 6
3.2.1 Laserglas .................................................................................................................... 7
3.2.2 Flitslampen ................................................................................................................ 7
3.3 Optische schakelaar .......................................................................................................... 7
3.4 Stralentransport ................................................................................................................ 9
3.4.1 Ruimtelijke filters ...................................................................................................... 9
3.4.2 Schakelkamer ............................................................................................................ 9
3.5 Laatste optica.................................................................................................................. 10
3.5.1 Design...................................................................................................................... 10
3.6 doelkamer ....................................................................................................................... 10
3.6.1 Design...................................................................................................................... 11
3.6.2 Doelwitten ............................................................................................................... 11
4. Bibliografie........................................................................................................................... 12
2
1 Inleiding
Voor het vak optische communicatie bestudeerden wij de grootste laser ter wereld deze staat
in Californië en staat in de National Ignation Facility (NIF). Het bestuur van het NIF is
gelocaliseerd in het “Lawrence Livermore National Laboratory”. Zij houden zich bezig met
projecten en technologieën die het Amerikaanse departement “Energy's National Nuclear
Security Administration” en het LLNL ondersteunen om ervoor te zorgen dat de nucleaire
wapens van Amerika veilig en betrouwbaar blijven.
De experimenten in het NIF zullen eveneens toepassingen met hoge energiedensiteit en fusie
ondersteunen om zo de research naar energie, wetenschap en ruimtefysica te ondersteunen.
Enkele belangrijke onder deze categorie zijn:
 Starten van een fusie
 Testen die vergelijkbaar zijn met testen op nucleaire wapens
 Wetenschappelijk onderzoek
Verder in dit project zullen ze nog kort worden verklaard.
NIF is een gebouw van 215m lang 129m breed en 26m hoog en werd opgedeeld in meerdere
delen, nl.:
 Optics Assembly Building
 Laser Building
 Target Area Building
Figuur 1: NIF
3
2 Doel van NIF
2.1 Starten van fusie
Het primaire doel van de NIF is het starten van een fusie waarbij twee lichte atomen tot een
nieuw atoom worden gefusioneerd. De opstart van dit proces gebeurd door de laser.
Figuur 2: Fusie
Om traagheidsfusie-energie op te wekken, worden kleine brandstof capsules (targets) onder
druk gebracht en opgewarmd tot de ontsteking van de fusie d.m.v. hoog vermogen bronnen.
Deze bronnen zijn meestal hoog vermogen lasers. Ontsteking heeft plaats wanneer de warmte
in de capsules de warmte van de laserstraal overstijgt.
2.2 Nucleaire testen
Activiteiten in het verband met onderzoek, ontwerp, ontwikkeling en testen van nucleaire
wapens werden vroeger uitgevoerd in drie wapen laboratoriums. Maar na de koude oorlog en
door de veranderende ethische waarden werd de nadruk op deze nucleaire wapens veel
minder. Om toch nog aan wetenschappelijke testen hier rond te doen zijn ze deels
overgeschakeld op testen met hoog vermogen lasers.
2.3 Wetenschappelijk onderzoek
2.3.1 Astrofysica en ruimtefysica
De experimenten van NIF creëren voorbeeld plasma’s die gelijkaardig zijn aan deze die we
vinden in astronomische lichamen en ze voorzien een labo omgeving voor deze verschillende
plasma-eigenschappen te bestuderen.
2.3.2 Hydrodynamica
Hydrodynamica is de studie van vloeistoffen in beweging en de interactie met zijn grenzen.
De NIF laat ons toe om onze kennis van hydrodynamica en schokgolven in het universum uit
te breiden. Het laat toe studies te doen op gegevens die voorlopig alleen nog maar in
astronomische observaties of door computersimulaties bekomen konden worden.
2.3.3 Materiaal eigenschappen
De mogelijkheden om materialen te bestuderen onder extreme condities zoals hoge druk en
temperatuur.
4
2.3.4 Plasmafysica
Plasmafysica is het wetenschappelijk onderzoek van plasma’s, de predominante staat van
materie in ons heelal. NIF zal ons meer doen verstaan over deze plasma’s en hun
eigenschappen en zal een groot aantal experimenten met plasma’s toelaten.
2.3.5 Stralingseigenschappen
Ook zullen ze de stralingseigenschappen van deze plasma’s onderzoeken.
2.3.6 Stralingsbronnen
De conversie van laser energie in korte golflente straling is een primair doel van veel
hoogenergetische laser experimenten. Het NIF is in staat om laserenergie om te zetten in een
brede waaier van x-stralen en deeltjes bronnen die nodig zijn voor verschillende belangrijke
vragen in de fysica en toegepaste fysica.
3. Werking van de laser
NIF’s gebouwen hebben 192 laserstralen die ontworpen zijn om 1.8 miljoen joule ultraviolette
laserenergie and 500 terawatt vermogen te leveren aan millimeters grote doelen die zich in het
centrum van zijn 10m diameter doel kamer bevinden.
Het injectie laser systeem creëert een precies gevormde nanojoule level laser puls. Deze wordt
versterkt met een factor groter dan 1 000 000 voordat hij het bundelpad ingaat. Daar
versterken twee stages van laserversterkers opnieuw de laserenergie. Ze gebruiken een
optische schakelaar om meerdere keren te kunnen versterken.
De componenten voorzien voor het stralentransport leiden de stralen door het systeem terwijl
adaptieve optica ervoor zorgen dat de stralen terug hun ruimtelijk en temporaal karakter
krijgen. De laatste optica veranderen de golflengte van de laser van het nabije infrarood tot
ultraviolet en zij focusseren de stralen naar het centrum van de doel kamer.
We zullen nu de verschillende delen van de laser verder beschrijven.
3.1 Injectie laser systeem
Het injectie laser systeem (ils) genereert, versterkt en vormt de laserstralen voor ze de
hoofdversterkers bereiken. Het ils, wat de glasvezeltechniek veel gebruikt, werd ontworpen
om zeer veelvuldig aan al de eisen van het NIF te voldoen. Er zijn twee grote delen in het ils
deze zijn de hoofdoscillators en de voorversterkmodules.
5
3.1.1 Hoofdoscillator
NIF laser pulsen ontstaan in de oscillatorkamer waarin een compacte caviteit, gemaakt van
ytterbium gedopeerde optische vezel, laserpulsen met lage energie (enkele nanojoule met een
diameter van een paar micrometer) genereert. Iedere puls wordt dan naar een aparte optische
vezel gestuurd waarna ze vervolgens naar 48 voorversterkermodules gaan voor verdere
versterking.
Figuur 4: Voorversterkermodule
Figuur 3: Oscillatorkamer
3.1.2 Voorversterker
Iedere voorversterker module (vvm) versterkt de puls met een factor van ongeveer één
miljoen om zo één milijoule te bekomen. Daarna worden de stralen nog eens door de vvm
versterkt tot ongeveer 10 joule. Deze versterkingen gebeuren door de straal 4 keer te laten
passeren door een flitslampgepompte versterker.
Om aan al de experimenten van de NIF te kunnen doen moeten de vvms drie soorten van
vorming doen op de stralen:
 Ruimtelijke (spatiale) vorming (om de hoeken van de straal meer energie te geven
omdat de versterkers in het midden een hogere versterking hebben)
 Spectrale vorming en straalegalisatie om lichte en donkeren vlekken in de focus van
de straal te voorkomen. Dit gebeurt door middel van snel variërende golflengtes om zo
het straalpatroon aan te passen.
 Temporale vorming om ervoor te zorgen dat de laserenergie het doel bereikt binnen
een vooraf bepaalde tijd.
3.2 Versterkers
Elke NIF straalweg bevat twee grote versterkers. Hierin wordt het vermogen van de stralen uit
het ils versterkt en verstuurd naar elk van de 192 laserpaden. Ze worden versterkt van hun
nominaal vermogen, 10 joule, naar het gewenste vermogen- en energiegehalte. Dit gebeurt zo
dat de ruimtelijke, spectrale en temporale karakteristieken behouden blijven. De versterkers
hebben 16 glazen bouwstenen per straal. Ze zijn in twee versterkergedeeltes, de
hoofdversterker en de vermogenversterker, opgesteld. Samen voorzien deze versterkers
99.9% van het benodigde vermogen.
6
3.2.1 Laserglas
De versterkers gebruiken 3072 neodymium gedopeerde fosfaatglazen die elk 42 kg wegen en
3,4 x 46 x 81 cm groot zijn. Ze zijn geplaatst onder de Brewsterhoek zodat de laserstralen zeer
weinig reflectieverliezen hebben terwijl ze door het glas propageren.
Figuur 5: Laserglas
3.2.2 Flitslampen
De glazen bouwstenen zijn omringd door verticale rijen van flitslampen. Deze booglengte van
180cm en er zijn er in het totaal 7 680.
Elke flitslamp wordt aangedreven met 30 000 joule elektrische energie. Ze exciteert het
neodymium in het glas op een optische versterking te bekomen op een golflengte van 1,06μm.
Een gedeelte van de energie opgeslagen in het neodymium in de glazen bouwstenen wordt
geabsorbeerd bij doorgang van de laserpulsen komende uit het ils.
Figuur 6: Flitslampen
3.3 Optische schakelaar
Een sleutelcomponent is de optische schakelaar “Plasma Electrode Pocket Cell” (PEPC)
genaamd. Hierin bevinden zich de laserstralen van de hoofdversterker-caviteit. De schakelaar
zorgt ervoor dat de laserstralen vier keer door de hoofdversterker reizen. Dit gebeurt door
gebruik te maken van elektrisch geïnduceerde veranderingen die de brekingsindex van een
elektro-optisch kristal, gemaakt uit kaliumhydrofosfaat, verandert.
7
De werking hiervan wordt verduidelijkt in figuur 7 en 8. Bij de eerste doorgang door de PEPC
staat er geen spanning over de PEPC. De straal zal de eerste keer ongepolariseerd in de
hoofdversterker binnenkomen, te zien op figuur 7. Na het heen en teruggaan door de
hoofdversterker zal een spanning over de PEPC worden aangelegd en zal deze de straal
polariseren zoals te zien in figuur 8. Nu zal dus de schuine spiegel (aangegeven op de figuur
door polarizer) de gepolariseerde straal gewoon doorlaten. De straal wordt gereflecteerd op de
rechterspiegel en zal opnieuw worden gedepolariseerd door de PEPC. De spanning van de
PEPC zal weer worden afgezet en de straal zal bij de volgende doorgang door de polarizer
worden gereflecteerd.
Figuur 8: PEPC polariseert niet
Figuur 7: PEPC polariseert
Op figuur 9 is het principieel schema van de PEPC weergegeven. Kaliumhydrofosfaat wordt
ingesloten door twee heliumcellen met kwartsglas voor de externe sluiting. Binnenin elke
gascel is er een elektrode (kathode of anode) om een ontlading om gang te brengen. Als er een
puls aan de cel wordt aangelegd, ontbindt het heliumgas zich in ionen en elektronen. Deze
ontstaan met een hoge dichtheid en er ontstaan transparante plasma-elektrodes op het
kailiumhydrofosfaatkristal.
Figuur 10: Principieel schema
Figuur 9: PEPC
8
3.4 Stralentransport
3.4.1 Ruimtelijke filters
Er bevinden zich twee ruimtelijke filters in elke laserdoorgang. Ze bevatten fotomechanische
componenten die ervoor zorgen dat de laserstralen worden geconditioneerd en afgevlakt
terwijl ze hun karakteristieken tijdens het transport naar de doelkamer exact behouden. Door
het draaien van spiegels binnenin de lasergeleiders worden de geïnjecteerde pulsen
gereflecteerd en in de grote glasversterkers gestuurd.
Figuur 11 is een voorbeeld van een vervormd intensiteitpatroon van een laser. Het centrum
van dit patroon is de gewenste uitgestrekte vlakke golf. De ruimtelijke filters zullen ervoor
zorgen dat enkel het centrum wordt doorgelaten. Dit gebeurt door middel van puntgaatjes.
Deze laten enkel de laagfrequente delen (het midden) door en de rest (hoogfrequente delen)
worden geblokkeerd.
Figuur 12: Vervormd laserpatroon
Figuur 11: Ruimtelijke filter
3.4.2 Schakelkamer
Dit is een kamer waar de bundel naar het boven- en onderhalfrond van de doelkamer wordt
geschakeld met behulp van draaiende spiegels.
De bundel propageert door de schakelkamer in groepen van vier. Er worden 24 van deze
groepen naar het bovenste gedeelte van de doelkamer geleid en eenzelfde aantal naar het
onderste.
De spiegels binnenin de schakelkamer hebben een speciale coating. Ze zijn hierdoor bestand
tegen de hoge energieën in de NIF.
Figuur 13: Schakelkamer
9
3.5 Laatste optica
Het neodymium glas in de NIF genereert licht op een golflengte van 1,053μm wat ligt in het
infrarode spectrum. Traagheidsfusie werkt nochtans beter als ze gebeurt met ultraviolette
straling. De laatste optica zorgen ervoor dat het infrarode licht naar het UV-gebied (±0.351
μm) wordt omgezet. Dit gebeurt door gebruik te maken van twee niet-lineaire kristallen platen
die gemaakt zijn uit kaliumhydrofosfaat.
3.5.1 Design
De eerste plaat zet 2/3e van de invallende 1,053μm straling (ook 1 licht genoemd) om in de
tweede harmonische op 0,53μm, daarna mixt het tweede kristal deze straling met de
overblijvende 1,05μm straling om een straling van 0,351μm te bekomen. Dit proces heeft een
maximaal rendement van 80% en het rendement kan boven 60% komen voor complexe
golfvormen gebruikt om ontstekingstargets aan te sturen.
Figuur 14: Doelkamer
De laatste optica zijn de laatste elementen van het algemene lasersysteem en de eerste van de
richtsysteem. De 192 laserlijnen worden in de 48 laatste optica, die rond oppervlak van de
doelkamer zijn gemonteerd, gestuurd. De conversiekristallen worden precies uitgelijnd met de
laserlijn. De lens focust het licht op het doelwit en een straalafvlakkende plaat wordt voor het
schild, bedoeld om brokstukken op te vangen, gehangen.
Zo kunnen de laatste optica:
 een vacuümgrens voor de doelkamer voorzien
 1ω naar 3ω licht converteren
 het 3ω licht naar het midden van het doelwit richten
 de bundel egaliseren
 het vermogen van het 3ω licht meten
 een bescherming van de optica tegen brokstukken voorzien door middel van een
schild
3.6 doelkamer
De doelkamer weegt 500 ton, heeft een aluminium bol met 10m diameter. Deze is de
mechanische koppeling tussen de laatste optica en het doelwit, dat middenin de kamer is
geplaatst. De laserstralen propageren door de frequentieconversiekristallen in groepen van
10
vier (2x2 matrices), daarna door puntvormige lenzen die de UV-straal focussen op het
doelwit.
3.6.1 Design
De doelkamer voorziet een vacuüm omgeving voor het doelwit en vele ophang- en
uitlijnpunten voor de laatste optica. Onderzoeksinstrumenten meten dan de resultaten op.
Deze instrumenten zijn onder andere x-straal spectrometers, microscopen en camera’s. Ze
kunnen opgehangen worden rond de evenaar en de polen van de bol.
Figuur 15: Doelkamer (bovenkant)
3.6.2 Doelwitten
Om experimenten met hoge energiedichtheid en traagheidsontsteking uit te voeren gebruikt
met een metalen cilinder die typisch uit goud of lood gemaakt is. De cilinder heeft een
diameter van 6mm en is 10mm lang. Deze bevat een plastieken fusiecapsule die ongeveer
3mm diameter heeft. De capsule is afgekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt
en is aan de binnenkant bekleed met een laag vaste deuterium-tritium, wat fusievloeistof is.
De holle binnenkant bevat een kleine hoeveelheid deuterium-tritiumgas.
Figuur 16: 3D model doelwit voor traagheidsontsteking
11
4. Bibliografie




Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
“One-dimensional model of a plasma-electrode optical switch driven by one-pulse
process”, Zhou Xiaojun, Guo Wenqiong, University of Electronic Science and
Technology of China, School of Opto-electronic Information
National Ignition Facility Project, http://www.llnl.gov/nif/project/index.html
Optische Communicatie, Jan Engelen, Katholieke Universiteit Leuven
12