nanoAR: Entspiegelnde Metalloberflächen auf Materialien mit großer Bandlücke

Projektbeschreibung

Die Laserträgheitsfusion stellt eine vielversprechende Option dar, um eine saubere, ressourcenschonende und praktisch unerschöpfliche Energieversorgung der Zukunft zu sichern. In der Laserträgheitsfusion werden hochpräzise und hochenergetische Laserstrahlen eingesetzt, um Brennstoffkapseln zu komprimieren und zu erhitzen, was zu einer Fusion der Atomkerne und damit zur Freisetzung großer Energiemengen führt. Um die Brennstoffkapsel gleichmäßig zu treffen und eine symmetrische Kompression zu gewährleisten, müssen die Laserstrahlen extrem präzise ausgerichtet und optische Verluste durch Reflexion und thermische Ausdehnung minimiert werden. Nicht zuletzt sorgt die hohe Energie des Lasers für thermische Ausdehnung, die je nach Materialbeschaffenheit unterschiedlich stark ausfällt und für Risse oder andere Beschädigungen und somit für eine negative Beeinträchtigung von Präzision und Lebensdauer der Anlagen sorgen kann.

Das Projekt nanoAR zielt auf die Entwicklung nanostrukturierter und poröser Entspiegelungsschichten (sogenannte »Mottenaugenstrukturen«) aus Materialien mit hoher Bandlücke, um die Laser-Bestrahlungsfestigkeit der optischen Komponenten zu gewährleisten. Zudem wird ein subtraktiver Ansatz verfolgt, bei dem Linsen aus einem einzigen Material durch geeignete Nanostrukturierung der Oberfläche die gewünschten Anti-Reflex-Eigenschaften erhalten sollen. Innovative Ätzprozesse für die Strukturierung gekrümmter Oberflächen werden ebenso entwickelt, um maßgeschneiderte Antireflexstrukturen zu realisieren, die über einen breiten Wellenlängenbereich von UV bis nahes Infrarot stabil bleiben.

Konkret verfolgt das Projekt zwei wegweisende Ansätze:

1. Entwicklung eines neuen Reactive Ion Etching (RIE)-Verfahrens: Durch die Nutzung maßgeschneiderter Gitterelektroden, die an die Geometrie der Linsensubstrate angepasst sind, soll eine homogene Ätzung auch auf stark gekrümmten Oberflächen realisiert werden.
2. Optimierung von Reactive Ion Beam Etching (RIBE)-Verfahren: Mithilfe von Zwischenmasken sollen stabile Strukturübertragungen auf Linsensubstrate ermöglicht werden.

Am Beispiel von zwei Materialien mit großer Bandlücke (Quarzglas und Calciumfluorid) sollen für verschiedene Wellen- und Pulslängen – vom UV-Bereich (351 nm) über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zum nahen Infrarot (NIR, 1.053 nm) – entsprechende Demonstratoren mit großen Flächen entwickelt werden.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

• Modellierung des Einflusses eines großen Wärmeeintrags auf a-SiO2-Glas mittels Molekulardynamiksimulation
• Strukturelle Analyse der entstandenen Defekte in den Modellstrukturen und Berechnung der zugehörigen Defektlevel in der Banklücke mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT-1/2) sowie DFTB

Diese Kenntnisse über die Defekte erlauben ein Entwickeln von Strategien zur möglichen Ausheilung durch z.B. Wasserstoff- oder Wärmenachbehandlung.