Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Łukasza Gorajka p.t. Analiza pompowanego koherentnie lasera Cr 2+ :ZnSe

Transkrypt

1 Prof. dr hab. Maciej Bugajski Instytut Technologii Elektronowej Centrum Nanofotoniki Al. Lotników 32/ Warszawa Warszawa, Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Łukasza Gorajka p.t. Analiza pompowanego koherentnie lasera Cr 2+ :ZnSe Recenzowana praca poświęcona jest badaniom nad pompowanym koherentnie laserem Cr 2+ :ZnSe. Celem pracy było zaprojektowanie, wytworzenie i optymalizacja impulsowego lasera opartego na polikrystalicznym ośrodku aktywnym Cr 2+ :ZnSe generującego promieniowanie w paśmie widmowym μm. Autor nie ograniczał się tylko do prac eksperymentalnych ale przeprowadził również wnikliwą analizę teoretyczna generacji w laserach quasi-trójpoziomowych w reżimie pracy ciągłej i impulsowej. Rozważania analityczne i symulacje numeryczne oparte na opracowanym modelu pompowania i generacji posłużyły do zbadania wpływu parametrów generacji lasera pompującego na rozwój generacji w reżimie przełączania wzmocnienia oraz umożliwiły numeryczną optymalizację parametrów rezonatorów obu laserów. Przegląd literatury i rozważania teoretyczne pozwoliły doktorantowi na sformułowanie następującej tezy pracy: Reżim przełączania wzmocnienia z wykorzystaniem wydajnego impulsowego lasera na ciele stałym jako źródła pompującego umożliwia uzyskanie najwyższych mocy szczytowych w laserach Cr 2+ :ZnSe pracujących w temperaturze pokojowej. Doktorant zbudował unikatowy w skali kraju laser Cr 2+ :ZnSe pompowany laserem tulowym na krysztale fluorku itrowo-litowego Tm 3+ :YLF, który posłużył mu do weryfikacji eksperymentalnej powyższej tezy. Chrom Cr 2+ w osnowie ZnSe został zaproponowany jako ośrodek wzmacniający ze względu na możliwość generacji w temperaturze pokojowej w szerokim paśmie w średniej podczerwieni. Zaletą laserów Cr:ZnSe jest ich zwarta konstrukcja, wysoka sprawność energetyczna i wysokie moce w pracy ciągłej (powyżej 10W). Badania nad laserami Cr:ZnSe zapoczątkowane na świecie w połowie lat dziewięćdziesiątych

2 wskazały na ich istotne zalety w porównaniu do ich wcześniejszych odpowiedników; laserów wykorzystujących jony metali przejściowych kobaltu Co 2+ i niklu Ni 2+. W ostatnich latach badania prowadzone w wiodących ośrodkach na świecie koncentrowały się na skalowaniu mocy wyjściowej laserów i optymalizacji mechanizmów pompowania. W tym sensie praca mgr Gorajka dotyczy aktualnej tematyki badawczej o dużej wartości naukowej, a jednocześnie ważnej dla zastosowań. Rozprawa składa się z sześciu rozdziałów. W pierwszym przedstawiony został rys historyczny badań nad laserami ciała stałego i sformułowane zostały cel i teza pracy. Rozdział 2 zawiera przegląd źródeł laserowych generujących w obszarze średniej podczerwieni. Ze względu na dużą różnorodność ośrodków aktywnych i sposobów generacji używanych do realizacji laserów w tym obszarze widma przegląd koncentruje się w naturalny sposób na ośrodkach aktywnych domieszkowanych jonami ziem rzadkich, które w najistotniejszy sposób wiążą się z tematem pracy. Pozostałe sposoby generacji promieniowania w obszarze średniej podczerwieni diody laserowe, generatory parametryczne i generatory supercontinuum potraktowane zostały pobieżnie. Przegląd literatury jest napisany jasno i kompetentnie co dowodzi, że autor orientuje się w stanie wiedzy w zakresie zagadnień objętych pracą. Trzy kolejne rozdziały omawiają zasadnicze wyniki pracy, tj., model teoretyczny pompowanego koherentnie lasera Cr 2+ :ZnSe, opracowanie lasera pompującego Tm 3+ :YLF i opracowanie oraz badania generacji finalnego lasera Cr 2+ :ZnSe. Rozprawę kończy rozdział zawierający podsumowanie wyników i wnioski końcowe. Począwszy od Rozdziału 3 doktorant przechodzi do zasadniczej, oryginalnej części pracy. Przedmiotem analizy przedstawionej w tym rozdziale jest tandem laserów. Laser pompujący pracuje impulsowo, w reżimie przełączania strat wnęki rezonansowej i generuje długość fali odpowiadającą widmu absorpcji ośrodka czynnego drugiego lasera Cr 2+ :ZnSe. Laser pompowany pracuje w reżimie przełączania wzmocnienia. Autor formułuje opis generacji impulsowej w przedstawionym układzie z uwzględnieniem nieliniowych mechanizmów relaksacji. Model ten ma cechy uniwersalne i może być zastosowany do analizy i optymalizacji szerokiej klasy laserów z quasi-iii-poziomowym układem kwantowym. 2

3 Podstawowym zadaniem modelu impulsowego lasera był opis procesu okresowego pompowania ośrodka czynnego, zakończonego generacją impulsu w reżimie skokowego przełączania strat. Proces pompowania został opisany z wykorzystaniem uśrednionego nieliniowego równania kinetycznego. Docelowo określono maksymalne quasi-stacjonarne obsadzenie górnego poziomu laserowego dla różnych parametrów pompowania i różnych parametrów rezonatora. Do opisu generacji w reżimie przełączania dobroci wykorzystano klasyczną analityczną metodę rozwiązania układu równań uśrednionych zaadoptowaną dla ośrodków z quasi-iii-poziomowym układem kwantowym. Ważnym wynikiem przeprowadzonych analiz jest procedura optymalizacji energii wyjściowej laserów w funkcji parametrów pompowania ośrodka czynnego oraz procedura określenia optymalnej długości ośrodka czynnego dla zadanej gęstości mocy pompy i parametrów nieliniowych mechanizmów relaksacji. Wszystkie przeprowadzone analizy uwzględniają wpływ efektów termicznych na właściwości ośrodka aktywnego. Podsumowanie przeprowadzonych analiz ilustrują Rys , na których przedstawiono rozwój generacji w reżimie przełączania wzmocnienia w laserze Cr 2+ :ZnSe dla różnych parametrów impulsów pompujących. Wykazano, że ze wzrostem szybkości pompowania proporcjonalnej do energii impulsu pompy maleje czas rozwoju generacji oraz czas trwania impulsu wyjściowego. W skrajnym przypadku impuls wyjściowy lasera Cr 2+ :ZnSe powstaje jeszcze w czasie trwania impulsu pompującego. Przedstawione w Rozdziale 3 analizy stanowiły punkt wyjścia przy konstrukcji i badaniu laserów Tm 3+ :YLF i Cr 2+ :ZnSe. Rozdziały 4 i 5 prezentują konstrukcję i wyniki badań tandemu laserów; pompującego impulsowego lasera Tm 3+ :YLF oraz pracującego w reżimie przełączania wzmocnienia lasera Cr 2+ :ZnSe. Wykonanie wymienionych laserów uważam za najważniejsze osiągniecie recenzowanej pracy. Składało się na nie opracowanie konstrukcji pompowanych diodami laserów Tm 3+ :YLF i opracowanie konstrukcji tandemu laser Tm 3+ :YLF - laser Cr 2+ :ZnSe o rekordowych parametrach moc szczytowa 0.3 MW, sprawność energetyczna 77%. Ta druga wartość jest bliska granicy kwantowej 78% dla rozpatrywanego ośrodka. Uzyskano także najkrótsze z dotychczas raportowanych czasy trwania impulsów dla laserów pracujących w reżimie przełączania wzmocnienia równe 1.75 ns. Jedynie uzyskane moce szczytowe odbiegają istotnie od najlepszych wyników dla tego typu laserów. Przyczynę tego faktu upatruje w najprawdopodobniej nienajlepszej jakości stosowanej ceramiki ZnSe i innych elementów lasera. Nie podważa to w żaden sposób poprawności stosowanych metod analizy i 3

4 projektowania laserów jak i samego wykonawstwa a jedynie wskazuje możliwe kierunki dalszego ich ulepszenia. Po zapoznaniu się z recenzowaną rozprawą stwierdzam, że doktorant dysponuje rozległą wiedzą na temat laserów na ciele stałym i posiadł w stopniu operacyjnym umiejętność posługiwania się fenomenologicznym opisem laserów opartym na równaniach kinetycznych. Pozwoliło mu to na pogłębioną analizę ich działania i w konsekwencji umożliwiło zaprojektowanie i wykonanie demonstratorów o bardzo dobrych parametrach. Udowodnił tym samym biegłość nie tylko w fizyce laserów ale i w sztuce inżynierskiej. Pod tym względem recenzowana praca przewyższa znacznie poziom typowych prac doktorskich, stwarzając materialne podstawy prowadzenia dalszych badań na najwyższym poziomie w swojej dziedzinie. Dyskusja uzyskanych w pracy wyników jest wyczerpująca a wyciągane wnioski są dobrze uzasadnione i nie budzą moich zastrzeżeń. Teza rozprawy została przekonywująco udowodniona. Rozprawa przygotowana została bardzo starannie, wyniki pomiarów opracowane są w postaci dobrze opisanych, czytelnych wykresów. Uważam że praca świadczy dobitnie o tym, że doktorant opanował w stopniu bardzo dobrym podstawy teoretyczne swojej dyscypliny oraz warsztat eksperymentalny techniki laserowej. Recenzowana praca stanowi samodzielny i oryginalny dorobek naukowy autora, potwierdzony szeregiem publikacji w czasopismach o obiegu międzynarodowym. Doktorant opublikował 12 prac w czasopismach z listy filadelfijskiej, z czego 4 są bezpośrednio związana z tematem rozprawy. W dwóch z wymienionych prac doktorant jest pierwszym autorem. Ponadto jest on współautorem w 13 innych pracach opublikowanych w recenzowanych czasopismach; m. inn. w Proc. SPIE oraz 32 prezentacji na konferencjach zagranicznych i 11 na konferencjach krajowych. Jest to jak na doktoranta dorobek wybitny, spotykany tylko w najlepszych ośrodkach naukowych na świecie. Na podkreślenie zasługuje fakt nie tylko dużej ilości prac ale przede wszystkim to, że w dużej mierze zostały one opublikowane w czasopismach o najwyższej światowej pozycji w dziedzinie optyki i techniki laserowej, takich jak: Optics Express, Optics Letters, Applied Physics B: Lasers and Optics czy Laser Physics Letters. Nawet biorąc pod uwagę, że za część tych sukcesów odpowiada poziom zespołu, w którym doktorant pracuje dorobek ten zasługuje na wyróżnienie. 4

5 Wysoko oceniam przydatność rozprawy dla nauk technicznych. Wnioski wynikające z opracowanego przez autora modelu generacji pompowanych koherentnie laserów Cr 2+ :ZnSe mogą być pomocne w projektowaniu konkretnych urządzeń, umożliwiając dobór rzeczywistych parametrów pompowania i geometrii rezonatorów w celu uzyskania odpowiednich wartości mocy szczytowej i czasu trwania impulsów. Sformułowany przez doktoranta model ma cechy uniwersalne i może być zastosowany do analizy i optymalizacji szerokiej klasy laserów z quasi-iii-poziomowym układem kwantowym, typu TM: II-VI. Mając na uwadze dużą naukową i praktyczną wartość otrzymanych wyników wyrażam przekonanie, że praca mgr inż. Łukasza Gorajka z wyraźnym nadmiarem spełnia wymagania stawiane pracom na stopień naukowy doktora. Stawiam wniosek o dopuszczenie mgr inż. Łukasza Gorajka do publicznej obrony pracy doktorskiej a w przypadku pozytywnego jej zakończenia o wyróżnienie pracy. 5