Čočky dalekohledu pro vysokoenergetický laser PHELIX
Referenční projekt
Vysoce výkonná laserová optika pro experimenty s těžkými ionty
Již více než 20 let probíhá v GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung v Darmstadtu výzkum vývoje vysoce výkonného vysokoenergetického laseru pro základní výzkum v oblasti fyziky vysokých energií. Výsledkem je PHELIX (zkratka pro Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments), který se používá ke zkoumání základních procesů ve fyzice plazmatu, astrofyzice a atomové fyzice. Integrované navádění paprsku systému, které usnadňuje kombinované experimenty s těžkými iontovými paprsky, umožňuje řídit směr laserových paprsků na vzdálenost až 60 m a je prováděno pomocí dalekohledu, který snižuje velikost laserový paprsek s konstantní kvalitou paprsku. Pro dosažení ideální kvality zobrazení vyrobil asphericon pro tento dalekohled dvě vysoce přesné optiky.
Detaily projektu
Již v polovině 90. let začalo GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung v Darmstadtu plánovat a budovat vysoce výkonný vysokoenergetický laser pro základní výzkum v oblasti fyziky vysokých energií. Výsledkem je Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments (zkráceně PHELIX), největší německý pulzně ovládaný laserový systém, který je vědeckým uživatelům k dispozici již více než deset let. PHELIX se používá ke zkoumání základních procesů ve fyzice plazmatu, astrofyzice a atomové fyzice. Systém může generovat velmi krátké laserové pulsy o délce pulsu asi 500 fs a energii 200 J, stejně jako pulsy s vysokou energií a trvání pulsů v rozsahu nanosekund. Výzkum GSI se vyznačuje především kombinací intenzivních laserových pulsů a těžkých iontových paprsků, což je v Evropě unikátní. Nd skleněný systém čerpaný výbojkou se skládá ze dvou předních konců, předzesilovače a hlavního zesilovače, schematicky znázorněných na následujícím schématu
Obrázek 1: Schématická struktura laserového systému PHELIX s vyznačenou dráhou paprsku
Laserové paprsky mohou být nasměrovány do různých měřicích stanic v rámci sestavy pomocí několika vedení paprsků až do délky 60 m a poté mohou být použity pro experimenty. Pro usnadnění kombinovaných experimentů zahrnujících těžké iontové paprsky a vysoce výkonné lasery byl vyvinut nový mechanismus navádění paprsku. To umožňuje zkoumat hmotu ozařovanou svazkem iontů ze synchrotronu těžkých iontů pomocí rentgenových pulzů generovaných pulzem PHELIX. Součástí vedení paprsku je teleskop, který je navržen tak, aby zmenšil velikost laserového paprsku při konstantní kvalitě paprsku. Pro dosažení ideální kvality zobrazení vyrobil asphericon pro tento účel dva vysoce přesné optické komponenty.
Realizace projektu
Vysoké intenzity laseru v PHELIX enormně zatěžují integrované optické komponenty. Musí mít také vysokou přesnost a relativně velké průměry, aby bylo možné vést laserové paprsky na velké vzdálenosti. asphericon vyrobil dvě plankonvexní sférické čočky vyrobené z taveného oxidu křemičitého pro dalekohled s vedením paprsku. Díky svým průměrům 200 a 350 mm a RMSi ? 50 nm (u tří ze čtyř povrchů dokonce < 20 nm) umožňují transport laserových paprsků na vzdálenost 48,5 m (viz obrázek 2) při zachování kvalita paprsku a odolnost vůči vysokému výkonu laseru díky speciálnímu materiálu, který má práh destrukce laseru 45 J / cm2; 1064 nm; 8 ns.
Obrázek 2: Schéma dalekohledu sestávajícího ze dvou plankonvexních čoček. Hodnoty v mm.
Pro výrobu optiky byly pro všechny procesní kroky vyrobeny speciální držáky (viz obrázek 3) a postupy měření byly individuálně přizpůsobeny potřebám projektu. Všechny čočky byly opatřeny V-coatingem. Pro přepravu sfér bylo také nutné vyrobit nový obal. asphericon vyvinul speciální obal, který je odolný proti náklonu a nárazu a umožňuje bezproblémové doručení zákazníkovi.
Obrázek 3: Držák a jedna z optik vyrobených firmou asphericon.
Stručný pohled na optiku pro PHELIX:
- Výroba dvou plankonvexních sférických čoček z taveného oxidu křemičitého s povrchovou úpravou V-coating
- Specifikace objektivu: Průměr 200 a 350 mm; RMSi ? 50 nm a <20 nm
- Vývoj a výroba zakázkových upínacích zařízení a speciálních obalů odolných proti překlopení a nárazu
