Ultrashort pulse laser micromachining for proton fast ignition target fabrication

Proton fast ignition is a laser-driven inertial confinement fusion scheme for a potential fusion power plant. It requires a complex target that consists of a spherical shell filled with an aerogel layer and a cone inserted into it, pointing towards its center. The fabrication of such a target is a demanding process and requires multiple techniques. A promising technique that can be used to machine a hole into the shell and the aerogel, to place the cone into it, is laser micromachining using ultrashort laser pulses.

This thesis provides a basis for the use of laser micromachining to create such a hole and illustrates the potential and current limitations of the technique. It analyzes three important aspects of the fabrication of such a hole. Firstly, bulk material change caused by pulses propagating through the shell and into the aerogel layer could significantly degrade the machining resolution. Therefore, the first stages of the interaction of ultrashort laser pulses with a polymer are analyzed using a pump-probe technique, including the propagation of the pulse into the sample and the generation of free electrons in the material. By comparing two different laser pulse intensities, it is shown that a higher intensity causes more ionization in the material that attenuates the pulse propagation significantly. This is consistent with fewer bulk material change observed for higher intensities after the irradiation of the sample with multiple successive pulses. This research helps to confine material change to a surface layer of the material, prevent unwanted bulk material change, and increase the micromachining resolution.

Secondly, material that is ablated and subsequently redeposits on the sample during laser machining can significantly pollute and degrade the target quality. The work shows a path towards managing material redeposition by selecting appropriate machining parameters. Carefully designed experiments show the relative importance of different machining parameters for material redeposition on a polymer sample and allow its mitigation. Additionally, laser polishing using bursts of ultrashort laser pulses is used to reduce the roughness after machining in a post-processing step. The results illustrate the impact of an appropriate combination of machining parameters on material redeposition. Moreover, the designed experiments can be efficiently transferred to analyze material redeposition of other polymer materials, allowing for quick adaptation to possible changes in the shell material.

Thirdly, the taper angle of the hole must be matched to the opening angle of the cone to prevent gaps that could be problematic during the assembly and filling of the target with fusion fuel. To this end, a laser milling technique is developed and applied to an aerogel sheet. It is found that, due to the porous structure of the aerogel, a support layer below the lowest milled layer is required to keep the bottom edge of the wall intact. Furthermore, it is demonstrated that by selecting appropriate parameters, holes with a standard deviation of 6° around a defined taper angle can be machined.

The results of this thesis demonstrate the potential of ultrashort pulse laser micromachining to be used as a versatile and scalable technique for the fabrication of proton fast ignition targets.

Proton fast ignition ist ein vielversprechendes Konzept für ein Fusionskraftwerk basierend auf der laser-getriebenen Trägheitsfusion. Für dieses Konzept wird ein komplexes Treibstofftarget benötigt, das aus einer Kugelschale besteht, die auf der Innenseite mit einem Aerogel beschichtet ist, und einem Konus, der zum Zentrum der Kugelschale zeigt. Die Herstellung eines solchen Targets ist sehr komplex und bedarf einer Vielzahl an Techniken. Eine besonders vielversprechende Technik, die es erlaubt ein Loch in der Kugelschale zu erzeugen, in welches der Konus platziert werden kann, ist die Mikromaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen.

Die vorliegende Thesis liefert eine Grundlage für die Nutzung der Laser-Mikromaterialbearbeitung zur Fertigung derartiger Löcher und veranschaulicht das Potential und die derzeitigen Grenzen dieser Technik. Es werden drei wichtige Aspekte der Herstellung eines solchen Lochs analysiert. Erstens verschlechtert sich die Bearbeitungsauflösung deutlich, wenn sich Laserpulse durch die Kugelschale hindurch ausbreiten und im darunter liegenden Aerogel Materialveränderungen hervorrufen. Deshalb werden die ersten Stufen der Wechselwirkung zwischen ultrakurzen Laserpulsen und einem Polymer mit Hilfe eines Pump-Prob-Aufbaus analysiert, einschließlich der Ausbreitung des Pulses in die Probe und der Erzeugung freier Elektronen im Material. Der Vergleich von zwei Intensitäten des Laserpulses zeigt, dass eine höhere Intensität zu einer stärkeren Ionisierung im Material führt, wodurch die Ausbreitung des Pulses deutlich abgeschwächt wird. Dies steht im Einklang mit Materialveränderungen innerhalb der Probe, die nach Bestrahlung mit mehreren aufeinanderfolgenden Pulsen beobachtet wurden. Die Ergebnisse tragen dazu bei, die Materialveränderung auf eine Oberflächenschicht des Materials zu beschränken, ungewollte Materialveränderung innerhalb des Materials zu verhindern und die Bearbeitungsauflösung zu erhöhen.

Zweitens kann Material, das abgetragen wird, sich aber während der Laserbearbeitung wieder auf der Probe ablagert, das Target verunreinigen und dessen Qualität erheblich beeinträchtigen. Die Arbeit weist einen Weg, mit dieser Redeposition von Material umzugehen. Speziell konzipierte Experimente zeigen die relative Bedeutung verschiedener Bearbeitungsparameter für die Redeposition von Material auf einer Polymerprobe und ermöglichen deren Abschwächung. Zusätzlich wird die Probe in einem Nachbearbeitungsschritt mit Hilfe von getakteten, kurz aufeinanderfolgenden ultrakurzen Laserpulsen poliert, um deren Rauheit zu reduzieren. Die Ergebnisse veranschaulichen den Effekt einer geeigneten Kombination an Bearbeitungsparametern auf die Redeposition von Material. Darüber hinaus lassen sich die konzipierten Experimente effizient auf die Untersuchung der Redeposition von Material bei anderen Polymeren übertragen, was auch in Zukunft eine schnelle Anpassung an mögliche Änderungen des Materials der Kugelschale ermöglicht.

Drittens muss der Wandwinkel des Lochs in der Kugelschale und dem darunterliegenden Aerogel an den Öffnungswinkel des Konus angepasst werden, um Lücken zu vermeiden, die beim Zusammenbau und beim Befüllen des Targets mit Fusionsbrennstoff problematisch sein könnten. Zu diesem Zweck wird eine Laserfrästechnik entwickelt und auf eine Aerogelprobe angewendet. Die Experimente zeigen, dass aufgrund der porösen Struktur des Aerogels eine Stützschicht erforderlich ist, um die untere Kante der Wand des Lochs intakt zu halten. Außerdem wird gezeigt, dass durch die Wahl geeigneter Parameter Löcher mit einer Standardabweichung von 6◦ um einen definierten Wandwinkel bearbeitet werden können. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen das Potenzial der Mikromaterialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen als vielseitiges Verfahren für die Herstellung von Targets für die proton fast ignition.