در تلاش برای انرژی پاک، مرکز ملی روشنایی (NIF) در حال پیشبرد تحقیقات فیوژن با سرعت بی سابقه است.پشت اين برنامه بلندپروازانه يک دستاورد فن آوری کم شناخته شده اما مهم قرار دارداین نوآوری زمان تولید را از دو سال به فقط دو ماه کاهش داده است.سرعت بخشیدن به پیشرفت علمی و کمک مستقیم به پیشرفت های NIF در انرژی همجوشی.
به عنوان قدرتمندترین سیستم لیزر در جهان، NIF با هدف دستیابی به همجوشی هسته ای کنترل شده، یک منبع بالقوه انرژی پاک و پایدار است.اين کار مستلزم تمرکز انرژي زيادي بر روي يه هدف کوچيک براي شروع واکنش هاي همجوشي استکلید این فرآیند اجزای بزرگ اپتیکال تک کریستالی است که از پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) و همتای دوتر شده آن (DKDP) ساخته شده است.
اینها عناصر شیشه ای معمولی نیستند. با خواص نوری شبیه پریزمی، آنها نور را با دقت فوق العاده ای منتقل، شکسته و جدا می کنند.NIF به حدود 480 قطعه از این نوع در کل سیستم لیزر خود نیاز دارد.، که دو عملکرد حیاتی دارد: چرخش قطبی و تبدیل فرکانس.
کریستال های KDP سلول پلاسما الکترود پوکلز (PEPC) را فعال می کنند، یک سوئیچ نوری که انتقال یا بازتاب پرتوی لیزر را با دقت کنترل می کند.یک دروازه را تصور کنید که بلافاصله به نور باز یا بسته می شود، این عملکرد PEPC است..
این سیستم از خواص الکترو اپتیک KDP استفاده می کند. استفاده از یک میدان الکتریکی شاخص شکنندگی کریستال را تغییر می دهد، قطبی شدن پرتوهای لیزر را تغییر می دهد.با کنترل دقیق این میدان، مهندسان می توانند قطب گرایی را 90 درجه چرخش دهند، پایه ی قابلیت سوئیچ PEPC.
در سیستم تقویت کننده اصلی NIF، PEPC کنترل می کند که چند بار پرتو های لیزر از مسیر تقویت عبور می کنند. چرخش قطبی سازی هر پرتو را قادر می سازد تا چهار گذر را انجام دهد،به دست آوردن انرژی با هر چرخه قبل از ادامه به تقویت کننده قدرت.
هر PEPC حاوی یک صفحه کریستالی KDP است که بین پنل های شیشه ای سیلیکون ذوب شده قرار دارد.این قطعات 40x40 سانتی متر نیاز به کیفیت نوری استثنایی و یکنواخت برای جلوگیری از تحریف پرتو دارند.
کریستال ها نقش مهمی دیگر را ایفا می کنند: تبدیل نور لیزری مادون قرمز اولیه NIF (1053nm طول موج) به نور ماوراء بنفش کارآمدتر.تحقیقات نشان می دهد که نور UV با اهداف همجوشی موثرتر تعامل دارد.
به عنوان NIF 192 پرتو لیزر نزدیک شدن به اتاق هدف، هر حمل حدود 20 کیلوجول از انرژی مادون قرمز، آنها از طریق مجموعه های نوری نهایی حاوی کریستال های KDP و DKDP عبور می کنند.خواص نوری غیرخطی، نور مادون قرمز را از طریق فرایندهایی که نسل هارمونی سوم نامیده می شود به UV تبدیل می کنند..
این تبدیل در صفحات کریستالی تقریبا به اندازه مانیتورهای کوچک رایانه ای که به طور استراتژیک در امتداد هر مسیر پرتو قرار دارند رخ می دهد.نور ماوراء بنفش به طور کارآمدتر اهداف همجوشی را گرم و فشرده می کند، باعث می شود که روشن شدن قابل انجام باشد.
توسعه تکنولوژی رشد سریع کریستال یکی از مشهورترین دستاوردهای مهندسی NIF است.این پیشرفت زمان تولید را تغییر داد و برای تکمیل پروژه حیاتی شد.
این تکنیک که در روسیه ابداع شد و در لورنس لیورمور بهبود یافت، جایزه 100 تحقیق و توسعه در سال 1994 را به دست آورد. این تکنیک دوره های رشد را از 24 ماه به تنها 2 ٪ 12 برابر بهبود کاهش داد. علاوه بر این،روش باعث تولید کریستال های بزرگتر (تا 800 پوند) شد، اجازه می دهد تا اجزای نوری بیشتر در هر کریستال و کاهش کل مواد مورد نیاز.
تقریباً 75 کریستال تولید با مجموع تقریباً 100 تن رشد کردند. این ها به هزاران عنصر نوری که در سراسر سیستم های حیاتی NIF توزیع شده اند ، برش داده شدند.
این پیشرفت در محیط های رشد دقیق کنترل شده است. روش های سنتی به آرامی راه حل ها را خنک می کنند تا بتوانیم به تدریج کریستال ها را شکل دهیم.
این روش سریع از ظرف های بزرگ محلول اشباع شده KDP/DKDP با کریستال های دانه در داخل آن استفاده می کند. با تنظیم دقیق دمای، غلظت و جریان محلول،مهندسان نرخ رشد را بهینه می کنند در حالی که کیفیت را حفظ می کنند.
دکتر کارتر در این باره می گوید: "این مثل پرورش گیاهان در یک محیط بسیار کنترل شده است. هر پارامتر باید کامل باشد تا کریستال های بی نقص تولید شود".
این پیشرفت فراتر از NIF است. تولید سریعتر و ارزان تر کریستال باعث می شود لیزرها، سنسورهای نوری و نمایشگاه های بهتر.کاربرد های پزشکی شامل لیزرهای بهبود یافته جراحی و سیستم های تصویربرداری است، در حالی که ارتباطات می تواند شبکه های فیبر نوری را افزایش دهد.
در حالی که NIF به سمت همجوشی کنترل شده پیشرفت می کند، کریستال های KDP و DKDP همچنان ضروری هستند. تولید سریع آنها نمونه ای از همکاری چند رشته ای استمهندسی نوری، تولید دقیق برای چنین پروژه های جاه طلبانه ای مورد نیاز است.
این قهرمان نامشخص تکنولوژیک نه تنها علم مواد را پیشرفت داد بلکه در جستجوی بشریت برای انرژی پاک بی حد و حصر نقش مهمی ایفا کرد.انرژی همجوشی نزدیک به واقعیت است که به طور بالقوه چشم انداز انرژی ما را تغییر می دهد.