Projekti / Programi
Hibridni ps laser velikih moči
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.21.00 |
Tehnika |
Tehnološko usmerjena fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T165 |
Tehnološke vede |
Laserska tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
laser, pulzni laserji, vlakenski laserji, optična vlakna
Raziskovalci (15)
Organizacije (4)
Povzetek
V okviru projekta bo razvit nov tip hibridnega laserja z direktnim ojačevanjem laserskih pulzov z dolžino v območju nekaj ps in največjo izhodno močjo okoli 100 W. Ena od ključnih prednosti bo, da bo laser deloval brez kompleksnih sistemov, ki temeljijo na krčenju in razširjanju (streching-compressing) laserskega pulza. Na ta način bo možno doseči bistveno poenostavitev takšnega sistema glede na obstoječe rešitve. Laser bo zasnovan na komercialnem oscilatorju, ki deluje po principu vklepanja faz, in v okviru projekta razvitem popolnoma integriranem vlakenskem ojačevalnikom z ultra kratkimi aktivnimi vlakni ter močnostnim trdninskim (solid state) ojačevalnikom, ki bo realiziran s prostostoječo optiko (free space optics). Na ta način bo možno združiti dve tehnologiji: vlakenski laser, ki omogoča preprosto zasnovo in veliko robustnost ter trdninski ojačevalnik ki omogoča visoko izhodno vršno moč. Ključne novosti pri teh raziskavah se nanašajo na razvoj:
· novih črpalnih laserjev na osnovi kontinuiranih vlakenskih laserjev z zelo visoko svetilnostjo tako za vlakenski del sistema kot izhodni trdninski ojačevalnik.
· Popolnoma integriran dvo-stopenjski ojačevalnik na osnovi ultra-kratkih aktivnih vlaken, ki bo služil za vzbujanje izhodnega trdninskega ojačevalnika. Vlakenski ojačevalnik bo temeljil na aktivnih optičnih vlaknih LMA z visoko stopnjo dopiranja.
· Izhodnem trdninskem ojačevalniku z visoko izhodno močjo in visoko stopnjo ojačitve, ki bo omogočal neposredno vzbujanje s popolnoma integriranim dvo-stopnejskim vlakenskim ojačevalnikom.
Črpalni laser, ki bo razvit v okviru projekta, bo vlakenski laser popolnoma integriran v enovito optično vlakno preproste zasnove. Osnovan bo na novemu tipu aktivnega optičnega vlakna. Gre za optično vlakno dopirano z aktivnimi ioni Yb in ko-dopiranega s Sm, ki bo prav tako razvito v okviru projekta. Takšno vlakno bo, zaradi ko-dopiranja s Sm, omogočalo delovanje laserja pri valovni dolžini v območju 970 nm. Visoka kvaliteta izhodnega žarka (enorodovni ali kvazi enorodovni izhod) bo omogočila doseganje visoke svetlosti (brightness) izhodne svetlobe, ki bo vsaj za 30-100x večja od obstoječih rešitev, ki temeljijo na laserskih diodah (premer žarka 105µm/NA=0.12).
Glavne prednosti popolnoma integriranega dvo-stopnejskega ojačevalnika na osnovi ultra kratkih aktivnih vlaken bodo v uporabi LMA optičnih vlaken z visokim dopiranjem z aktivnimi Yb ioni ter z neposrednim črpanjem jedra. Visoko dopiranje z aktivnimi ioni pomeni visoko absorpcijo črpalne svetlobe (preko 3000dB/m pri valovni dolžini okoli 970 nm) in posledično visoko ojačenje na dolžinsko enoto. Vršne moči pri vlakenskih laserjih so omejene z nelinearnimi pojavi, ki so direktno odvisne od dolžine in preseka vlaken. Majhna dolžina ojačevalnega vlakna je torej ključna za doseganje visokih vršnih moči v vlakenskih laserjih. Kot črpalni sistem bo uporabljen vlakenski laser z visoko svetlostjo in enorodovnim izhodom razvit v okviru projekta. Torej bo namesto standardne sklopitve svetlobe v prvi plašč LMA vlakna, črpalno svetlobo možno sklopiti direktno v jedro aktivnega vlakna. Na ta način se bo močno povečalo prekrivanje med črpalno svetlobo in signalno lasersko svetlobo. Zaradi povečanega prekrivanja med črpalno svetlobo in jedrom se bo povečala absorpcija črpalne svetlobe, kar bo omogočilo nadaljnje bistveno zmanjšanje dolžine (približno 10 cm) vlakenskega ojačevalnika in s tem povečanje izhodne vršne moči.
Pomembna novost bo tudi Izhodna stopnja na osnovi trdninskega ojačevalnika, ki bo črpana s črpalnim sistemom z visoko svetlostjo. kar bo omogočalo enostavno izvedbo izhodne ojačevalne stopnje. Z visoko svetilnostjo bo možno doseči visoko stopnjo inverzne zasedenosti v aktivnem mediju in s tem visoko ojačenje tudi pri velikih izhodnih močeh. Torej bo možno izhodno stopnjo vzbujati direktno iz vlakenskega ojačevalnika, kar je ključno za enostavno izvedbo laserskega sistema.
Pomen za razvoj znanosti
V okviru projekta poročamo o rezultatih, ki imajo veliko uporabno vrednost tako za razvoj novih laserskih sistemov kot za preiskovanje pojavov, ki nastanejo v optičnih vlaknih pri vodenju ultrakratkih pulzov velikih moči. Tekom raziskav so bili objavljeni rezultati študije gretja vlakna črpanega neposredno v sredico zaradi foto potemnenja. Vpliv foto potemnenja je za znanstveno skupnost velikega pomena, saj se ga je v zadnjih letih identificiralo kot enega glavnih vzrokov kvarjenja oblike laserskega žarka in njegove stabilnosti v vlakenskih laserjih velikih moči. Objavljen model in metoda meritve tako predstavlja pomembno orodje za nadaljnji razvoj raziskovalnega področja. Nadalje pomembne rezultate predstavljajo objave članov projektne skupine v člankih, kjer obravnavajo inovativni način nadzora amplitude vlakov pulzov iz vlakenskih ojačevalnikov, nadzor fluktuacij ojačenja v dvostopenjskem ojačevalniku pri proizvajanju pulzov na zahtevo in nadzor ojačene spontane emisije pri nizkih repeticijah ter napredno krmiljenje vzbujevalne diode. Objavljena dognanja imajo potencial razvoja bolj učinkovitih laserjev s širokim območjem delovanja. Kot primer izpostavimo oblikovanje paketov laserskih pulzov za katere sodobne raziskave nakazujejo, da imajo pozitivne učinke na kvaliteto laserskih obdelav. Za doseganja le te pa moramo vhodne pulze ustrezno oblikovati, da kompenziramo saturacijo ojačenja v vseh ojačevalnih stopnjah. V objavljenem članku poročamo o izpeljanih enačbah, ki omogočajo izvedbo kompenzacije v sistemih z večimi ojačevalniki. S tem se odpravi potreba po aktivni povratni zanki in poenostavitev laserskega sistema. Pomemben vpliv na razvoj znanosti so bile tudi raziskave kako tako proizvedeni laserski pulzi vplivajo na kakovost obdelave. Z uporabo akusto-optičnega elementa za pozicioniranje laserskega snopa na vzorcu in močnega fokusiranja, so bile izdelane strukture velikosti nekaj mikrometrov z nanometrsko ločljivostjo. Tekom razvoja laserja se je pokazalo, da je potrebno pomisliti tudi na sinhronizacijo med laserjem in obdelovalnim sistemom in vpeljavo koncepta pulzov na zahtevo. Sinhronizacija laserskih pulzov s trajanjem nekaj pikosekund in tudi do več nanosekund je za laserske aplikacije zelo pomembna tema, kar se je odrazilo v dveh vabljenih predavanjih na mednarodnih konferencah. Zaključeni projekt je tako tekom raziskav hibridnega pikosekundnega laserja opravil pomembno delo na pomembnih temah raziskav razvoja laserjev in obdelav.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt se je izvedel z vključitvijo treh visokotehnoloških slovenskih podjetij: dveh slovenskih proizvajalcev laserskih sistemov (LPKF, Fotona) ter podjetja Optacore, ki razvija in izdeluje opremo za izdelovanje aktivnih optičnih vlaken. Projektna vsebina in nato realizacija je bila usklajena z njihovimi realnimi potrebami in interesi. Izvedeni projekt predstavlja osnovo za dolgoročno in poglobljeno sodelovanje med akterji na področju ključnih omogočitvenih tehnologij Fotonika in hitrejšo vključitev slovenskih raziskovalcev v mednarodno raziskovalno sfero na hitro razvijajočem se področju novih laserskih virov velikih moči z pulzi v območju ps. V okviru projekta so tesno sodelovali raziskovalci in inženirji iz industrije in univerze ter študenti z magistrskega in doktorskega študija. Takšen način sodelovanja prav gotovo predstavlja pomemben način za prenos znanja iz raziskovalnih institucij v industrijo in je hkrati pomemben za vzgojo novih kadrov in krepitev gospodarstva. Rezultati in tehnološke rešitve pridobljene tekom projekta imajo sposobnost pozitivno vplivati na razvoj novih izdelkov podjetij in s tem na širitev obstoječega trga. Vpeljava rešitev pridobljenih tekom projekta v razvojni proces podjetij bo imela velik vpliv na povečanje konkurenčnosti in posledično povečati delež izvoza posameznega partnerja s tem pa se pričakuje tudi odprtje novih delovnih mest. Predvsem pa imajo rezultati projekta pričakovan pozitiven učinek na krepitev kompetentnosti podjetij in zaposljivosti bodočih diplomantov in doktorantov iz tehnično naravoslovnih področij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
