Laserbasierte Kernfusion – Neue Herausforderungen für optische Komponenten

Abb.1:Abschließende Sichtkontrolle nach Defektanalyse

Die Kernfusion gilt als eine der vielversprechendsten Technologien zur nachhaltigen Energiegewinnung. Dank der jüngsten Erfolge am National Ignition Facility (NIF) in Kalifornien, USA, hat die Forschung in diesem Bereich erheblichen Aufwind erhalten. Besonders die Entwicklung leistungsfähiger Großoptiken, die extremen Strahlungsintensitäten standhalten, spielt dabei eine entscheidende Rolle.

In der aktuellen Ausgabe des beleuchten wir die Herausforderungen und Lösungen für Hochleistungsoptiken in der Laserfusion. LAYERTEC arbeitet seit über 15 Jahren an der Skalierung hochwertiger Beschichtungstechnologien für Großoptiken und entwickelt neue Fertigungsprozesse, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden.

Erfahren Sie in unserem Fachartikel, wie LAYERTEC die Grenzen der Optikfertigung erweitert – von innovativen Politur- und Reinigungstechnologien bis hin zur hochpräzisen Messtechnik.

Dieser Fachartikel erschien ursprünglich im Laser Magazin [Ausgabe März 2025].

Laserbasierte Kernfusion – Neue Anforderungen an optische Komponenten

Kernfusion auf der Erde zu kontrollieren und für die Energiegewinnung zu nutzen, ist eine Zukunftsvision, um unseren stetig wachsenden Energiebedarf nachhaltig zu decken. Diesem Traum ist man ein Stück nähergekommen, seit am National Ignition Facility (NIF) in Kalifornien, USA, gezeigt wurde, dass Energiegewinnung möglich ist, wenn man Laserstrahlung zur Fusionsreaktion einsetzt. Seither hat die laserbasierte Fusionsforschung einen kräftigen Schub nach vorn bekommen.

Um derart große und leistungsfähige Laseranlagen zu bauen, werden Optiken benötigt, die den hohen Strahlungsintensitäten standhalten. Um die Laserstrahlung zu manipulieren, zu verstärken und am Ende einer Brennstoffkapsel zuzuführen, werden besonders große Optiken benötigt – typischerweise mit einer rechteckigen Außenkontur und Abmessungen zwischen 500 und 1000 mm. Diese Optiken müssen höchsten Anforderungen genügen:

Hohe Pulsenergien: Erfordert angepasste Beschichtungsdesigns und extreme Oberflächensauberkeit.
Hohe mittlere Leistungen: Bereits kleinste Absorptionsverluste führen zu Degradation, Erhitzung der Bauteile und thermischen Linsen.
Minimale Strahlverzerrungen: Um eine definierte Energieverteilung zu gewährleisten.
Langlebigkeit: Optiken müssen über lange Betriebszeiten hinweg ihre spezifizierten Eigenschaften aufrechterhalten.

LAYERTEC befasst sich bereits seit 2007 damit, diese Anforderungen auf große Flächen zu skalieren. Das ursprüngliche Ziel war es, die für 1-Zoll- und 2-Zoll-Optiken verfügbaren Beschichtungen in vergleichbarer Qualität auch auf Optiken mit einem halben Meter Durchmesser anzubieten. Erste Erfolge konnten bereits auf der Lasermesse 2007 vorgestellt werden. In den darauffolgenden Jahren wurde sukzessive der gesamte Produktionsprozess der Optikfertigung für diese Größenklasse aufgebaut (Schleifen, Politur, Ultraschallreinigung, Messtechnik).

In einer nächsten Ausbaustufe wurden die Fertigungsmöglichkeiten bis auf Längen von 1200 mm erweitert. Mit der Einrichtung einer eigenen Fertigungsabteilung im Jahr 2023 wurden zusätzliche Fertigungskapazitäten geschaffen, um auf die stetig wachsende Nachfrage nach Großoptiken einzugehen. LAYERTEC verfügt heute über eine Reihe von Kernkompetenzen, um auch zukünftigen Anforderungen nach großen Hochleistungsoptiken gerecht zu werden:

Politurtechnologien über mehrere Stufen (klassisch und CNC) bis zu Längen von 2000 mm.
Reinigung: Eigens entwickelte Ultraschallreinigungsanlagen für Optiken bis 1200 mm Länge.
Beschichtung: Ionengestützte Bedampfung bis 1200 mm, Magnetronsputtern bis 600 mm.
Messtechnik: Mehrere Interferometer für plane, zylindrische und sphärische Flächen, scannende Messsysteme für Freiformflächen, Rauheitsmessgeräte (inkl. AFM), mehrere Multi-Sensor-KMGs, automatisierte Messsysteme für Oberflächendefekte, Beschichtungscharakterisierung (OPO-CRD, PCI, Zerstörschwellen-Messung).

Unsere Großoptiken sind bereits heute in Hochenergie-Laseranlagen von Partnern aus Industrie und Forschung im Einsatz. Für die industrielle Anwendung in Fusionskraftwerken sind vor allem folgende Aspekte herausfordernd:

Nahezu defektfreie Oberflächen: Für höchste Zerstörschwellen dürfen keine oder nur sehr kleine Oberflächendefekte (z. B. < 25 µm) vorhanden sein. Während bei kleineren Optiken eine Selektion guter Teile möglich ist, kann dies bei großen Optiken nur über tiefes Prozess-Know-how entlang der gesamten Fertigungskette erreicht werden. Um ein objektives Verständnis über Oberflächendefekte zu erlangen, hat LAYERTEC bereits vor einigen Jahren ein System zur automatisierten Erkennung und Klassifizierung solcher Defekte entwickelt.
Skalierbarkeit: Große Laseranlagen erfordern viele Optiken, die zu optimierten Kosten und mit verkürzten Durchlaufzeiten verfügbar sein müssen. Für hohe Stückzahlen muss auch die Fertigung hochanspruchsvoller Optiken in Serienqualität gewährleistet werden.

Diesen technologischen Herausforderungen stellt sich LAYERTEC aktuell in zwei vom BMBF geförderten Forschungsprojekten zur Laserfusion: PriFUSIO und SHARP. Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung werden neue Konzepte und Technologien auf dem Weg zur Laserfusion entwickelt. Gerade bei diesen technologisch anspruchsvollen Aufgaben erweist sich LAYERTECs hohe Fertigungstiefe – von der Optikfertigung über Reinigung und Beschichtung bis hin zur Metrologie und Charakterisierung – als großer Vorteil.