Załącznik Nr 2. Autoreferat. Jacek Świderski. Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 1

Transkrypt

1 Załącznik Nr 2 Autoreferat Jacek Świderski Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 1

2 Spis treści 1. Imię i nazwisko Posiadane dyplomy, stopnie naukowe Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego Tytuł osiągnięcia naukowego Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego Omówienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Wprowadzenie Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach krzemionkowych Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach fluorkowych Podsumowanie Omówienie pozostałych osiągnięć Działalność prowadzona przed uzyskaniem stopnia doktora Działalność prowadzona po uzyskaniu stopnia doktora Podsumowanie dorobku naukowego Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 2

3 1. Imię i nazwisko Jacek Świderski 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe Stopień naukowy doktora nauk technicznych jednostka nadająca stopień: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej data nadania stopnia: 7 czerwca 2006 r. dyscyplina: elektronika specjalność: optoelektronika tytuł rozprawy: Generacja impulsów promieniowania o nanosekundowych czasach trwania w układach laserów i wzmacniaczy włóknowych promotor rozprawy: prof. dr hab. inż. Andrzej Zając praca wyróżniona dyplomem Rektora WAT jako najlepsza rozprawa doktorska w roku akademickim 2005/2006 Tytuł magistra inżyniera elektronika jednostka nadająca tytuł: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej data uzyskania tytułu: 22 czerwca 1999 r. kierunek: elektronika i telekomunikacja specjalność: urządzenia optoelektroniczne temat pracy magisterskiej: Analiza wpływu własności nieliniowego absorbera na sprawność generacji lasera z pasywną modulacją dobroci promotor: dr inż. Marek Skórczakowski ocena ukończenia studiów: bardzo dobry Świadectwo ukończenia studiów podyplomowych w zakresie pedagogiki miejsce ukończenia studiów: Wojskowa Akademia Techniczna data uzyskania świadectwa: 12 czerwca 2001 r. ocena: bardzo dobry Świadectwo ukończenia studiów podyplomowych Zaawansowane techniki i metody pracy dydaktycznej miejsce ukończenia studiów: Wojskowa Akademia Techniczna data uzyskania świadectwa: 12 luty 2008 r. ocena: bardzo dobry Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 3

4 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych Inżynier; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie Asystent; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie obecnie Adiunkt; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie 4. Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego * 4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego Jako osiągnięcie naukowe, w rozumieniu art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) będące podstawą do wszczęcia i przeprowadzenia postępowania habilitacyjnego, habilitant przedstawia cykl publikacji powiązanych tematycznie ujętych pod wspólnym tytułem: Źródła supercontinuum zakresu widmowego średniej podczerwieni o dużej wyjściowej mocy średniej 4.2. Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego Cykl publikacji powiązanych tematycznie tworzących wskazane osiągnięcie obejmuje: [H1] J. Swiderski, M. Maciejewska, Watt-level, all-fiber supercontinuum source based on telecom-grade fiber components, Applied Physics B - Lasers and Optics 109 (1), (2012). [H2] J. Swiderski, M. Maciejewska, The generation of a broadband, spectrally flat supercontinuum extended to the mid-infrared with the use of conventional passive single-mode fibers and thulium-doped single-mode fibers pumped by 1.55 μm pulses, Laser Physics Letters 10 (1), (2013). [H3] J. Swiderski, M. Michalska, Mid-infrared supercontinuum generation in a singlemode thulium-doped fiber amplifier, Laser Physics Letters 10 (3), (2013). * Wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 4

5 [H4] J. Swiderski, M. Michalska, Over three-octave spanning supercontinuum generated in a fluoride fiber pumped by Er & Er:Yb-doped and Tm-doped fiber amplifiers, Optics & Laser Technology 52, (2013). [H5] M. Eckerle, C. Kieleck, J. Swiderski, S.D. Jackson, G. Mazé, M. Eichhorn, Actively Q-switched and mode-locked Tm 3+ -doped silicate 2 μm fiber laser for supercontinuum generation in fluoride fiber, Optics Letters 37 (4), (2012). część materiału opublikowana została również w: M. Eckerle, C. Kieleck, P. Hubner, J. Swiderski, S.D. Jackson, G. Mazé, M. Eichhorn, High-average-power actively-mode-locked Tm 3+ fiber lasers, Proc. SPIE 8237, (2012). [H6] J. Swiderski, M. Maciejewska, J. Kwiatkowski, M. Mamajek, An all-fiber, resonantly pumped, gain-switched, 2 μm Tm-doped silica fiber laser, Laser Physics Letters 10 (1), (2013). [H7] J. Swiderski, M. Michalska, G. Mazé, Mid-IR supercontinuum generation in a ZBLAN fiber pumped by a gain-switched mode-locked Tm-doped fiber laser and amplifier system, Optics Express 21 (7), (2013). [H8] J. Swiderski, M. Michalska, Generation of self-mode-locked resembling pulses in a fast gain-switched thulium-doped fiber laser, Optics Letters 38 (10), (2013). [H9] J. Swiderski, M. Michalska, C. Kieleck, M. Eichhorn, G. Mazé, "High power supercontinuum generation in fluoride fibers pumped by 2 μm pulses," IEEE Photonics Technology Letters 26 (2), (2014). [H10] J. Swiderski, M. Michalska, High power supercontinuum generation in a ZBLAN fiber with very efficient power distribution towards the mid-infrared, Optics Letters 39 (4), (2014). [H11] J. Swiderski, F. Théberge, M. Michalska, P. Mathieu, D. Vincent, High average power supercontinuum generation in a fluoroindate fiber, Laser Physics Letters 11 (1), (2014). [H12] J. Swiderski, High-power mid-infrared supercontinuum sources: Current status and future perspectives, Progress in Quantum Electronics 38 (5), (2014) (invited paper). Liczbowe zestawienie dorobku składającego się na osiągnięcie naukowe, o którym mowa w art. 16 ust. 2 ustawy (uwzględniające: Impact Factor wyszczególnionych artykułów wg daty publikacji, średni 5-letni Impact Factor publikacji, punktację czasopism Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego wg wykazu z dnia 17 grudnia 2013 r., procentowy udział habilitanta w powstanie wyszczególnionych artykułów oraz liczbę cytowań (bez autocytowań) w wybranych bazach bibliograficznych) zostało przedstawione w tabeli 1. Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 5

6 Tabela 1. Liczbowe zestawienie dorobku składającego się na osiągnięcie naukowe, o którym mowa w art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.). Oznaczenie pracy IF (wg daty) * IF średni (5 lat) Punkty MNiSW % udział Liczba cytowań (bez autocytowań) Web of Science Scopus H H H H H H H H H H H H Google Scholar Łącznie * Dla artykułów opublikowanych w 2014 r. przyjęto IF za rok Precyzyjne (opisowe) określenie wkładu habilitanta do powstania powyżej wymienionych publikacji zostało przedstawione w Zał. nr 4, natomiast oświadczenia pozostałych współautorów wymienionych prac zostały przedstawione w Zał. nr 5. W dalszej części autoreferatu habilitant odwołuje się do swoich prac stanowiących osiągnięcie naukowe (cykl publikacji powiązanych tematycznie), zgodnie z numeracją zastosowaną w wykazie osiągnięć (litera H z odpowiednią własną numeracją) Omówienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Wprowadzenie Współczesne badania w zakresie techniki laserowej koncentrują się wokół urządzeń wykorzystujących najnowsze osiągnięcia technologiczne oraz cechujących się wysokim poziomem innowacyjności i szerokim spektrum potencjalnych zastosowań. Bezpośrednim determinantem szybkiego i dynamicznego rozwoju nauk technicznych jest realne zapotrzebowanie na daną technologię, urządzenie, cały system czy też rozwiązanie konstrukcyjne. Bardzo dobrym przykładem takiego zapotrzebowania są układy laserowe generujące promieniowanie w obszarze widmowym średniej podczerwieni (λ > 2 μm). Obecnie najbardziej popularnymi, dostępnymi komercyjnie, źródłami generującymi promieniowanie w tym zakresie długości fal są optyczne generatory 1 i wzmacniacze 1 E. Lippert, H. Fonnum, G. Arisholm, K. Stenersen, Opt. Express 18, (2010). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 6

7 parametryczne 2 oraz kwantowe lasery kaskadowe 3. Układy te już w chwili obecnej odznaczają się wysokim stopniem niezawodności, będąc również użytecznymi dla wielu aplikacji. Z drugiej jednak strony generatory i wzmacniacze parametryczne cechują się złożoną konstrukcją, są podatne na wibracje, wymagają regularnej okresowej obsługi i są drogie. Kwantowe lasery kaskadowe mogą generować promieniowanie o długościach fal z przedziału ok μm, jednak o ograniczonej mocy wyjściowej (maksymalnie rzędu mw dla pracy ciągłej i wiązki jednoczęstotliwościowej, dla pojedynczej struktury) i ograniczonej przestrajalności długości fali dla danej struktury. Te ograniczenia wskazują na realną potrzebę opracowania innych, alternatywnych źródeł promieniowania. W tym kontekście źródła supercontinuum (SC) zakresu widmowego średniej podczerwieni o dużej wyjściowej mocy średniej wydają się ową alternatywą, zwłaszcza zważywszy na unikatowe właściwości generowanego przez nie promieniowania, spośród których za najważniejsze można uznać: szerokie spektrum emisji rozciągające się w przedziale o szerokości nawet kilku tysięcy nanometrów, wysoką gęstość spektralną mocy generowanego promieniowania (> 1mW/nm) w obrębie szerokiego spektrum, wysoką spójność przestrzenną, kierunkowość oraz dużą jasność. Generacja SC jest procesem, w którym wiązka promieniowania laserowego o dużym natężeniu propagując się w ośrodku nieliniowym ulega znacznemu spektralnemu poszerzeniu. Zjawiskami fizycznymi odpowiedzialnymi za to poszerzenie sygnału optycznego w dziedzinie częstotliwości są m.in. samomodulacja fazy (ang. Self-Phase Modulation - SPM), mieszanie czterofalowe (ang. Four Wave Mixing - FWM), wymuszone rozpraszanie Ramana (ang. Stimulated Raman Scatering - SRS) i wiele innych. Generacja SC została zaobserwowana po raz pierwszy w 1966 r., kiedy to Bloembergen i Lallemand spostrzegli spektralne poszerzenie impulsów optycznych, generowanych przez laser rubinowy, propagujących się w dwusiarczku węgla CS 2 4. Cztery lata później pojawiły się pierwsze doniesienia o generacji SC w ośrodkach z ciała stałego 5. W 1976 r. Stolin i Lin zaobserwowali po raz pierwszy generację SC we włóknie optycznym pompowanym laserem barwnikowym 6. Kolejnym krokiem milowym było użycie do generacji SC światłowodów o strukturze kryształów fotonicznych (ang. Photonic Crystal Fibers - PCF), cechujących się wysokim współczynnikiem nieliniowości oraz możliwością kształtowania w szerokim zakresie charakterystyki dyspersyjnej 7. Obecnie, blisko 40 lat od pierwszej demonstracji SC w światłowodzie, technologia ta pozostaje wciąż interesująca i ma duży potencjał aplikacyjny zarówno w obszarach zastosowań cywilnych, jak i wojskowych. Są to m.in. aplikacje medyczne (np. optyczna tomografia koherentna 8, wczesne wykrywanie raka skóry 9 ), detekcja różnych związków chemicznych (np. ładunków wybuchowych, narkotyków, zanieczyszczeń w wodzie i powietrzu) 10,11,12, spektroskopia optyczna 13, metrologia optyczna 14, komunikacja optyczna 15 i wiele innych. Warto tu zwrócić uwagę na fakt, że w zależności od zastosowania, poszczególne parametry promieniowania SC mogą mieć bardziej bądź mniej istotne znaczenie. Jedne aplikacje wymagają wiązek optycznych o małej mocy i bardzo dużej szerokości widma z jednocześnie wysokim stopniem koherencji czasowej i przestrzennej, podczas gdy dla innych aplikacji kluczowym czynnikiem jest szerokie widmo, kierunkowość i jednocześnie duża moc średnia generowanego sygnału, przy nieistotnej wadze koherencji czasowej. Stąd też, wybór odpowiedniego źródła SC do konkretnej aplikacji jest bardzo ważny. 2 M. Gebhardt, et al., Opt. Lett. 39, (2014). 3 P. Rauter, S. Menzel, A.K. Goyal, C.A. Wang, A. Sanchez, G. Turner, F. Capasso, Opt. Express 21, (2013). 4 N. Bloembergen, P. Lallemand, Phys. Rev. Lett. 16, (1966). 5 R.R. Alfano, S.L. Shapiro, Phys. Rev. Lett. 24, (1970). 6 C. Lin, R.H. Stolen, Appl. Phys. Lett. 28, (1976). 7 J.M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Rev. Mod. Phys. 78, (2006). 8 A. Labruyere, A. Tonello, V. Couderc, G. Huss, P. Leproux, Opt. Fiber Technol. 18, (2012). 9 A. Seddon, Phys. Status Solidi B, (2013). 10 A. Mukherjee, S. von der Porten, C. Kumar, N. Patel, Appl. Opt. 49, (2010). 11 L.J. Medhurst, J. Chem. Educ. 82, (2005). 12 M. Kumar, M.N. Islam, F.L. Terry, M.J. Freeman, A. Chan, M. Neelakandan, T. Manzur, Appl. Opt. 51, (2012). 13 S. Dupont, C. Petersen, J. Thogersen, C. Agger, O. Bang, S.R. Keiding, Opt. Express 20, (2012). 14 J.K. Ranka, R.S. Windeler, A.J. Stentz, Opt. Lett. 25, (2000). 15 H. Takara, T. Ohara, T. Yamamoto, H. Masuda, M. Abe, H. Takahashi, T. Morioka, Elect. Lett. 41, (2005). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 7

8 Szeroki obszar zastosowań źródeł SC był swego rodzaju pętlą sprzężenia zwrotnego, która to inicjowała i nadal inicjuje prace teoretyczne oraz eksperymentalne nad techniką uzyskiwania tego promieniowania. Prace te zaowocowały wieloma pionierskimi badaniami zarówno w obszarze technologii wytwarzania nowych ośrodków nieliniowych, jak i źródeł laserowych pompujących te ośrodki. Efektywność procesu generacji SC jest zdeterminowana nieliniowością ośrodka użytego do generacji SC oraz drogą oddziaływania promieniowania pompującego z tym ośrodkiem. Stąd też, włókna optyczne wydają się najlepszym wyborem, oferując zamknięcie promieniowania pompującego w obszarze rdzenia o małej średnicy oraz oddziaływanie wiązki optycznej z ośrodkiem na dużej długości. Do generacji SC w obszarach widmowych widzialnym i bliskiej podczerwieni najczęściej używane są światłowody krzemionkowe, a zwłaszcza światłowody o strukturze kryształów fotonicznych (PCF) 16. Światłowody te cechują się dużą nieliniowością oraz łatwością kształtowania charakterystyki dyspersyjnej, co pozwala m.in. na przesunięcie punktu zerowej dyspersji tych ośrodków w okolice długości fali 1 μm - w zakres widmowy, w którym generują dostępne silne źródła impulsów optycznych o bardzo krótkich czasach trwania. Z drugiej jednak strony wadą światłowodów fotonicznych są duże straty przy wprowadzaniu do nich promieniowania pompującego, co wynika głównie z bardzo małej średnicy rdzenia - nawet < 3 μm. Włókna fotoniczne mogą być również spawane z konwencjonalnymi światłowodami krzemionkowymi (SMF-28), jednakże straty na takim połączeniu są duże, prowadząc tym samym do niewysokiej sprawności sprzężenia (wynikającej z niedopasowania modowego). Duże straty na połączeniu oznaczają również zwiększone prawdopodobieństwo termicznego uszkodzenia spawu. Ponadto mała średnica rdzenia nie pozwala na propagację wiązek optycznych o dużej mocy średniej, zaś sama struktura fotoniczna nie zapewnia tak dobrego przekazywania ciepła pomiędzy rdzeniem i płaszczem, jak w przypadku konwencjonalnych światłowodów. Te czynniki sprawiają, że w nieliniowych światłowodach PCF łatwo jest uszkodzić rdzeń włókna - na skutek przekroczenia granicznej gęstości mocy. Z tego też względu do generacji SC o dużych mocach bardziej odpowiednie są konwencjonalne światłowody o skokowej zmianie współczynnika załamania (ang. step-index fibers). Wszystkie światłowody krzemionkowe, bez względu na strukturę, mają ograniczony zakres transmisji w średniej podczerwieni do ok. 2.8 μm 17, będący wynikiem silnej absorpcji molekularnej szkła krzemionkowego. Stąd też do generacji SC w obszarze fal dłuższych, powyżej 3 μm, konieczne jest zastosowanie innych światłowodów nieliniowych. Ośrodkami takim mogą być światłowody ze szkieł miękkich (ang. soft-glass fibers), a wśród nich światłowody fluorkowe 18, tellurkowe 19, światłowody ze szkieł ołowiowo-bizmutowych 20 oraz światłowody chalkogenidowe 21. Trzy pierwsze rodzaje światłowodów zapewniają transmisję promieniowania do ~5 μm, podczas gdy włókna chalkogenidowe mogą transmitować promieniowania nawet powyżej 10 μm. Podstawowe wady i zalety tych światłowodów, jak również najważniejsze wyniki z literatury przedmiotu dotyczące generacji SC, przedstawione zostały m.in. w pracy [H12]. Promieniowanie SC uzyskuje się najczęściej poprzez pompowanie ośrodka nieliniowego impulsami optycznymi o femtosekundowym czasie trwania (zwykle < 500 fs) i o wysokiej mocy szczytowej (>> 10 kw), generowanymi przez konwencjonalne lasery ciała stałego z synchronizacją modów wzdłużnych rezonatora (ang. mode-locked lasers). Są to najczęściej lasery tytanowe na szafirze (Ti:Al 2O 3) 22,23,24, lasery o strukturze cienkich dysków (Yb:YAG 25, 16 J.M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Rev. Mod. Phys. 78, (2006). 17 T. Izawa, N. Shibata, A. Takeda, Appl. Phys. Lett. 31, (1977). 18 M. Saad, Proc. SPIE 7316, 73160N-1-16 (2009). 19 R. Thapa, D. Rhonehouse, D. Nguyen, K. Wiersma, C. Smith, J. Zong, A. Chavez-Pirson, Proc. SPIE 8898, (2013). 20 R. Buczynski, et al., Laser Phys. Lett. 7, (2010). 21 J.S. Sanghera, et al., J. Non-Cryst. Solids 354, (2008). 22 X.B. Zhou, H. Kapteyn, M. Murnane, Opt. Express 14, (2006). 23 D. Türke, J. Teipel, H. Giessen, Appl. Phys. B 92, (2008). 24 S. Dewald, T. Lang, C.D. Schröter, R. Moshammer, J. Ullrich, M. Siegel, U. Morgner, Opt. Lett. 31, (2006). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 8

9 Yb:Lu 2O 3 26, Yb:KYW 27 ) czy też lasery iterbowe na szkle (Yb:glass) 28,29, generujące promieniowanie o mocy średniej nawet dziesiątek W i długości fali z przedziału ~ μm. Podobne poziomy mocy, przy czasach trwania generowanych impulsów < 100 fs, uzyskano ostatnio w laserze iterbowym z synchronizacją modów realizowaną za pomocą nieliniowej rotacji polaryzacji, w którym ośrodkiem aktywnym był światłowód fotoniczny o średnicy rdzenia 80 μm 30. Wyżej wymienione lasery z synchronizacją modów używane są m.in. do generacji SC w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni w światłowodach krzemionkowych. Pomimo jednak krótkich czasów trwania i wysokich mocy szczytowych generowanych impulsów lasery te nie zapewniają efektywnej generacji SC w obszarze średniej podczerwieni. Aby uzyskać duże poszerzenie widma promieniowania SC w światłowodzie ogólnie jest znana zależność, że długość fali promieniowania pompującego powinna odpowiadać anomalnej części charakterystyki dyspersyjnej ośrodka nieliniowego i być usytuowana blisko długości fali zerowej dyspersji ośrodka (ang. Zero Dispersion Wavelength - ZDW) 31. W przypadku światłowodów krzemionkowych zero dyspersji materiałowej odpowiada długości fali ~1.3 μm 32. Dla światłowodów fluorkowych (ZBLAN), tellurkowych i chalkogenidowych ZDW wynosi odpowiednio ~1.6 μm 33, ~2.3 μm 34 i > 4 μm 35. Oznacza to, że do generacji SC średniej podczerwieni z użyciem ww. ośrodków konieczne jest zastosowanie impulsów optycznych o dłuższych falach. Emisję impulsów optycznych o dłuższych falach (λ > 1.3 μm) zapewniają z kolei wzmacniacze parametryczne, pompowane np. laserami Ti:Al 2O 3 36,37,38,39,40, umożliwiające łatwe dostrojenie się do punktu zerowej dyspersji ośrodków nieliniowych. Układy takie, ze względu na bardzo duże wartości mocy szczytowej generowanych impulsów (czasy trwania poniżej 100 fs), są najlepszymi pompami optycznymi do generacji SC, pozwalając na uzyskanie widma promieniowania o szerokości nawet kilku oktaw częstotliwości 39,41,42,43, ograniczonej tylko pasmem transmisji ośrodka nieliniowego. Z drugiej jednak strony ww. układy laserowe są często bardzo podatne na różne czynniki atmosferyczne (kurz, wilgoć, drgania), wymagają ciągłego okresowego serwisowania w celu zapewnienia optymalnych parametrów generowanego promieniowania oraz nie pozwalają na skalowanie wyjściowej mocy średniej (układy te są zoptymalizowane dla jednego punktu pracy). Ponadto wyjściowa moc średnia generatorów parametrycznych jest zwykle ograniczona do poziomu kilkudziesięciu - kilkuset mw 39,44,45. To z kolei oznacza, że układy te nie mogą zapewnić generacji SC o dużej wyjściowej mocy średniej. Ta dywagacja prowadzi do logicznego stwierdzenia, że aby uzyskać SC średniej podczerwieni o dużej mocy średniej (>1 W) konieczne jest zastosowanie innych pomp optycznych - m.in. źródeł promieniowania generujących impulsy o nanosekundowym, pikosekundowym lub subpikosekundowym czasie trwania. Impulsy takie mogą być emitowane przez lasery półprzewodnikowe oraz lasery ciała stałego z modulacją dobroci, synchronizacją modów lub też z jednoczesną modulacją dobroci i synchronizacją modów. W szczególności zastosowanie 25 J. Neuhaus, J. Kleinbauer, A. Killi, S. Weiler, D. Sutter, T. Dekorsy, Opt. Lett. 33, (2008). 26 C.R.E. Baer, et al., Opt. Lett. 35, (2010). 27 G.R. Holtom, Opt. Lett. 31, (2006). 28 F. Hoos, S. Pricking, H. Giessen, Opt. Express 14, (2006). 29 A. Killi, J. Dörring, U. Morgner, M. Lederer, J. Frei, D. Kopf, Opt. Express 13, (2005). 30 M. Baumgartl, C. Lecaplain, A. Hideur, J. Limpert, A. Tünnermann, Opt. Lett. 37, (2012). 31 G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edition, Academic Press, Boston, S. Fujino, K. Morinaga, J. Non-Cryst. Solids 222, (1997). 33 P.W. France, S.F. Carter, M.W. Moore, C.R. Day, Brit. Telecommun. Technol. J. 5, (1987). 34 G. Ghosh, J. Am. Ceram. Soc. 78, (1995). 35 P. Klocek, Handbook of Infrared Optical Materials, Marcel Dekker, P. Vasa, J.A. Dharmadhikari, A.K. Dharmadhikari, R. Sharma, M. Singh, D. Mathur, Phys. Rev. A 89, (2014). 37 F. G. Omenetto, et al., Opt. Express 14, (2006). 38 P. Domachuk, et al., Opt. Express 16, (2008). 39 G. Qin, X. Yan, C. Kito, M. Liao, C. Chaudhari, T. Suzuki, Y. Ohishi, Appl. Phys. Lett. 95(16), (2009). 40 C. Agger, et al., J. Opt. Soc. Am. B 29, (2012). 41 C.R. Petersen, et al., Nat. Photon. 8, (2014). 42 M. Liao, W. Gao, T. Cheng, X. Xue, Z. Duan, D. Deng, H. Kawashima, T. Suzuki, Y. Ohishi, Appl. Phys. Express 6, (2013). 43 W. Gao, et al., Opt. Express 21, (2013). 44 J.E. McCarthy, H.T. Bookey, N.D. Psaila, R.R. Thomson, A.K. Kar, Opt. Express 20, (2012). 45 F. Théberge, J.F. Daigle, D. Vincent, P. Mathieu, J. Fortin, B.E. Schmidt, N. Thiré, F. Légaré, Opt. Lett. 38, (2013). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 9

10 laserów i wzmacniaczy światłowodowych o odpowiedniej konfiguracji w połączeniu z odpowiednim ośrodkiem nieliniowym pozwala koncepcyjnie na uzyskanie integralnej konstrukcji źródła SC o wyjściowej mocy średniej rzędu watów. Najbardziej popularne lasery światłowodowe (iterbowe, erbowe, tulowe) mają wystarczająco szeroką linię wzmocnienia, aby uzyskać impulsy o femtosekundowych czasach trwania. Duże zainteresowanie budzą zwłaszcza światłowodowe lasery iterbowe, pracujące na długości fali od 1.02 do 1.12 μm, generujące najwyższe wyjściowe moce średnie. Światłowodowe lasery erbowe nie pozwalają na uzyskanie tak dużych mocy jak lasery iterbowe (ze względu na parametry samego ośrodka aktywnego), ale pozwalają uzyskać dłuższe długości fali, powyżej 1.4 μm 46. Generację promieniowania w paśmie ~ μm można uzyskać stosując światłowodowe lasery tulowe 47. Należy jednak pamiętać, że przy propagacji impulsów promieniowania o wysokiej mocy szczytowej w światłowodzie (długi ośrodek o małej średnicy rdzenia) mamy do czynienia z silnymi efektami nieliniowymi oraz dyspersją, które prowadzą do degradacji impulsów femtosekundowych oraz ograniczają możliwą do uzyskania energię impulsu, ograniczając tym samym ich moc szczytową 48. Stąd też układy te zwykle bazują na zastosowaniu techniki CPA (ang. Chirped Pulse Amplification), gdzie impulsy femtosekundowe o małej energii poszerza się w dziedzinie czasu, wzmacnia we wzmacniaczu światłowodowym, a następnie kompresuje do czasu trwania zadanego (przed poszerzeniem). Taka metoda pozwoliła m.in. uzyskać impulsy o długości fali ~2 μm, o czasie trwania ~0.8 fs i wyjściowej mocy średniej rzędu dziesiątek W 49,50. Przy zastosowaniu tej techniki opracowany został również układ lasera iterbowego generujący impulsy o czasie trwania 375 fs (po kompresji) i wyjściowej mocy średniej 325 W 51. Wadą tych układów jest dość złożona konstrukcja oraz konieczność zastosowania kompresora siatkowego, co nie pozwala na uzyskanie całkowicie światłowodowego formatu całego układu laserowego. Współczesne prace nad źródłami SC można podzielić na dwa podstawowe nurty: generację SC w kierunku fal krótkich (UV, promieniowanie widzialne i bliska podczerwień) oraz generację SC w kierunku fal długich (średnia podczerwień). Obydwa obszary badań dotyczą różnych technologii niezbędnych do uzyskania SC w rozpatrywanych zakresach widmowych, jak również różnych obszarów końcowych zastosowań. Uzyskanie SC z zakresie fal krótkich sprowadza się najczęściej do użycia krzemionkowego światłowodu PCF o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce dyspersyjnej, pompowanego impulsami promieniowania o długości fali ~1 μm, generowanymi przez lasery tytanowe, neodymowe oraz iterbowe, technologia których jest obecnie dobrze opanowana. Wiele układów tego typu osiągnęło nawet poziom komercyjny 52,53,54. Przesunięcie widma SC w kierunku średniej podczerwieni wymaga zastosowania radykalnych kroków, m.in. użycia nowych ośrodków nieliniowych transparentnych w tym zakresie widmowym. Istotnym jest również zaproponowanie schematu pompującego pozwalającego na uzyskanie SC o dużej mocy średniej, kluczowych parametrów dla takich aplikacji, jak selektywna ablacja tkanek biologicznych, zdalna detekcja substancji czy też układy DIRCM. Na przestrzeni ostatnich kilku lat zagadnienia te były obiektem zainteresowań wielu ośrodków badawczych na całym świecie, w tym również w Polsce. Tematyce tej poświęcony jest m.in. cykl publikacji, który habilitant przedłożył jako osiągnięcie naukowe będące podstawą wszczęcia i przeprowadzenia postępowania habilitacyjnego. Priorytetem prac prowadzonych przez habilitanta było uzyskanie generacji SC zakresu widmowego średniej podczerwieni (λ > 2 μm) o dużej wyjściowej mocy średniej (> 1 W) i bardzo dobrej dystrybucji mocy promieniowania w kierunku fal długich, co w momencie 46 G. Sobon, J. Sotor, K.M. Abramski, Laser Phys. Lett. 9, (2012). 47 C.W. Rudy, K.E. Urbanek, M.J.F. Digonnet, R.L. Byer, J. Lightwave Technol. 31, (2013). 48 G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edition, Academic Press, Boston, P. Wan, L.M. Yang, J. Liu, Opt. Eng. 53 (5), (2014). 50 P. Wan, L.M. Yang, J. Liu, Opt. Express 21, (2013). 51 T. Eidam, et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15(1), (2009) Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 10

11 podejmowanych prac (2010 r.) stanowiło swego rodzaju białą plamę w obrębie poruszanego tematu. Aby uzyskać ten cel niezbędne było opracowanie źródeł laserowych dostarczających ciągu impulsów promieniowania od dużej mocy średniej i jednocześnie możliwie dużej mocy szczytowej oraz zastosowanie światłowodów nieliniowych charakteryzujących się odpowiednią długości fali zerowej dyspersji. W prowadzonych badaniach, jako pompy optyczne, używane były różne lasery światłowodowe oraz układy laserowe o konfiguracji generator diodowy - światłowodowy wzmacniacz mocy dostarczające impulsów o nanosekundowym i subnanosekundowym czasie trwania. W opinii habilitanta to rozwiązanie eliminowało znaczną część wad i uniedogodnień laserów z synchronizacją modów, w tym układów CPA, zapewniając tym samym niezawodną konstrukcję źródeł SC. Równie istotnym wyzwaniem, jakie habilitant sobie postawił, było zaproponowanie konstrukcji źródła SC spełniającego wymagania stawiane przez szereg istotnych aplikacji zarówno cywilnych, jak i wojskowych (zastosowania te scharakteryzowano w sekcji Omówienie możliwości wykorzystania wyników prowadzonych badań naukowych w dalszej części autoreferatu). Jako ośrodki nieliniowe używane były światłowody krzemionkowe (pasywne i aktywne) oraz fluorkowe. W efekcie podjętych prac powstało wiele nowych koncepcji oraz pionierskich rozwiązań układowych źródeł SC, mających realną szansę na komercjalizację, również w warunkach krajowych Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach krzemionkowych Dwoma zasadniczymi komponentami niezbędnymi do uzyskania generacji supercontinuum (SC) są źródło impulsów pompujących oraz ośrodek nieliniowy. Aby zapewnić generację SC w obszarze widmowym średniej podczerwieni, ośrodek nieliniowy musi posiadać dobrą transmisję w rozpatrywanym paśmie, musi zapewnić transmisję promieniowania o dużej mocy optycznej na odpowiedniej odległości i najlepiej powinien cechować się dużą nieliniowością, zwłaszcza dużą wartością nieliniowego współczynnika załamania (nieliniowość definiowana jest parametrem nieliniowości γ = 2πn 2λ -1 A eff -1, gdzie n 2 - nieliniowy współczynnik załamania ośrodka, λ - długość fali promieniowania, A eff - efektywne pole modu promieniowania propagującego się w ośrodku). Ponadto dostępność komercyjna ośrodka nieliniowego również odgrywa tu istotną rolę, zwłaszcza w aspekcie potencjalnych zastosowań. Ośrodkami, które mogą spełnić powyższe wymagania są włókna optyczne, a wśród nich światłowody krzemionkowe, technologia wytwarzania których jest bardzo dobrze opanowana. Światłowody te charakteryzują się niskimi stratami w zakresie bliskiej podczerwieni, dużą wytrzymałością mechaniczną, wysoką odpornością na zewnętrzne czynniki atmosferyczne oraz, co bardzo istotne, są powszechnie dostępne a koszt ich produkcji jest niewielki, zwłaszcza w przypadku klasycznych światłowodów o skokowej zmianie współczynnika załamania. Ich wadą jest stosunkowo niewielki zakres transmisji w średniej podczerwieni, do ok. 2.8 μm 55 oraz niewielka wartość współczynnika n 2 (2.7x10-20 m 2 W -1 ) 56. Z drugiej jednak strony proces produkcji tych światłowodów pozwala na uzyskanie odcinków o długości dziesiątek, a nawet setek metrów, pozwalając tym samym na kompensację niewysokiej nieliniowości materiałowej. Jak wspomniano we wprowadzeniu, generacja SC odbywa się najczęściej poprzez pompowanie światłowodu impulsami optycznymi o femtosekundowym czasie trwania i o wysokiej mocy szczytowej generowanymi przez klasyczne lasery ciała stałego z synchronizacją modów. Taki schemat pompowania jest bardzo dobry i użyteczny, jednak tylko w warunkach laboratoryjnych. Mając na względzie wymagania wielu istotnych aplikacji, jest on nie do zaakceptowania, będąc m.in. zbyt złożonym, podatnym na wiele czynników zewnętrznych, generującym dodatkowe koszty obsługi. Z kolei układy generatorów i wzmacniaczy parametrycznych (głównie używanych do generacji SC w średniej podczerwieni), pozwalających na uzyskanie femtosekundowych impulsów promieniowania w obszarze fal λ > 1.4 μm, mają ograniczoną 55 T. Izawa, N. Shibata, A. Takeda, Appl. Phys. Lett. 31, (1977). 56 S. Fujino, K. Morinaga, J. Non-Cryst. Solids 222, (1997). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 11

12 wyjściową moc średnią do kilkudziesięciu-kilkuset mw. To niejako wymusza konieczność poszukiwania innych, alternatywnych źródeł pompujących, pozwalających na uzyskanie SC o szerokim widmie i zarazem dużej mocy średniej przy zachowaniu kompaktowości i niezawodności. Na przestrzeni ostatnich kilku lat duże zainteresowanie wzbudziły układy laserowe bazujące na światłowodach aktywnych, oferujące wysokie poziomy mocy wyjściowej, łatwość obsługi, niezawodność działania, zwartość konstrukcji oraz dużą niewrażliwość na czynniki zewnętrzne. Ponadto, co bardzo istotne, układy takie mogą być bezpośrednio spawane z krzemionkowymi światłowodami nieliniowymi, zapewniając tym samym światłowodowy format (ang. all fiber) całej konstrukcji źródła SC. Bardzo interesującym rozwiązaniem źródła promieniowania jest światłowodowy układ laserowy typu generator diodowy - wzmacniacz mocy (ang. Master Oscillator Power Amplifier - MOPA). W rozwiązaniu tym impulsy optyczne o nanosekundowym lub subnanosekundowym czasie trwania generowane są przez laser półprzewodnikowy (z wyjściem światłowodowym) a następnie wzmacniane w kaskadzie wzmacniaczy światłowodowych do pożądanego poziomu energii/mocy szczytowej impulsu. W rozwiązaniu tym istnieje unikatowa możliwość generacji impulsów optycznych przy niezależnie regulowanej względem siebie częstotliwości powtarzania i czasie trwania (poprzez odpowiednie sterowanie lasera zadającego), podczas gdy wyjściowa moc średnia promieniowania generowanego na wyjściu układu MOPA jest zdeterminowana wzmocnieniem kaskady wzmacniaczy. Powyższa koncepcja została użyta do budowy źródła promieniowania SC scharakteryzowanego w pracy [H1]. Układ pompujący składał się z lasera półprzewodnikowego generującego impulsy optyczne o czasie trwania ~1 ns, przy częstotliwości powtarzania 200 khz i długości fali 1.55 μm oraz kaskady trzech wzmacniaczy światłowodowych. Na potrzeby realizacji układu opracowany został autorski sterownik dla stosowanych laserów półprzewodnikowych, pozwalający na wybór parametrów czasowych generowanego promieniowania w szerokim zakresie. Układ ten scharakteryzowany został m.in. w pracy [57]. Moc średnia ciągu impulsów generowanych przez laser wynosiła 3 μw, co odpowiadało 15 pj energii i mocy szczytowej impulsu rzędu 15 mw. Stąd też stosowne wzmocnienie tych impulsów było koniecznością. Dwa pierwsze przedwzmacniacze zbudowane zostały na bazie konwencjonalnych światłowodów jednomodowych domieszkowanych jonami erbu Er 3+, pompowanych promieniowaniem o długości fali 976 nm i sumarycznej mocy 1.5 W. Wzmacniacz mocy zbudowany został z użyciem 2.4 m odcinka światłowodu dwupłaszczowego domieszkowanego jonami erbu i iterbu Er 3+ :Yb 3+ o średnicy rdzenia/płaszcza wynoszącej 6.5/125 μm oraz odpowiadającej im wartości apertury numerycznej 0.19/0.45. Włókno aktywne pompowane było poprzez sprzęgacz światłowodowy (2x1)+1, promieniowaniem (~976 nm) o maksymalnej mocy 10 W. Cały układ MOPA generował maksymalnie 2.14 W wyjściowej mocy średniej. Odpowiadało to całkowitemu wzmocnieniu 58.5 db, z czego 46 db zapewniały przedwzmacniacze erbowe oraz 12.5 db wzmacniacz mocy erbowo-iterbowy. Jako ośrodek nieliniowy habilitant zaproponował użycie konwencjonalnego światłowodu o skokowej zmianie wartości współczynnika załamania (SMF-28, produkcji firmy Corning), co stanowiło nowość w kontekście generacji SC w obszarze średniej podczerwieni. Wybór tego światłowodu jako ośrodka nieliniowego uzasadniał: (1) zero dyspersji tego światłowodu było w okolicy długości fali 1.31 μm, co oznaczało, że przy zastosowaniu wyżej omówionego układu laserowego światłowód pompowany był w obszar dyspersji anomalnej, a to sprzyjało generacji SC głównie w kierunku fal długich, (2) ogólna dostępność oraz niska cena, (3) łatwość integracji z układem pompującym - technicznie został on dospawany do wyjścia światłowodowego wzmacniacza erbowo-iterbowego układu MOPA, zapewniając tym samym całkowicie światłowodowy format opracowanego źródła SC. Należy tu wspomnieć, iż alternatywnie jako ośrodek nieliniowy można było zastosować nieliniowy krzemionkowy światłowód mikrostrukturalny (PCF). Pomimo jednak, że światłowody te cechują się dużą wartością współczynnika nieliniowości γ, ich użycie w omawianym układzie było 57 W. Pichola, M. Maciejewska, M. Mamajek, J. Kwiatkowski, J. Świderski, Układ zasilania i sterowania impulsowej diody laserowej z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym pracującej w paśmie widmowym bezpiecznym dla wzroku, Elektronika 53 (5), (2012). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 12

13 niezasadne. Po pierwsze, zero dyspersji tych światłowodów przesunięte jest w okolicę długości fali z przedziału ~ nm. Po drugie, uzyskanie dużych wartości współczynnika γ związane jest głównie ze znacznym zmniejszeniem średnicy rdzenia światłowodu do wartości poniżej 5 μm (nawet < 3 μm dla sygnału pompy o długości fali 0.8 μm), co wpływa na podwyższenie strat połączeniowych podczas spawania tych światłowodów ze światłowodami konwencjonalnymi (o średnicy rdzenia ok. 8 μm); duże straty na połączeniu ograniczają maksymalny poziom mocy propagującej się przez połączenie, zdefiniowany progiem uszkodzenia miejsca spawu światłowodowego. Po trzecie, cena 1 m światłowodu PCF jest przeszło trzy rzędy wielkości wyższa niż cena światłowodu SMF-28, co ma istotne znaczenie praktyczne (aspekt ekonomiczny). Powyższej wymienione determinanty, w opinii habilitanta, wystarczająco uzasadniają dokonany wybór światłowodu SMF-28 jako ośrodka nieliniowego opracowanego źródła SC. Na podstawie danych prezentowanych w dostępnej literaturze można stwierdzić, że światłowody krzemionkowe były używane przede wszystkim do generacji SC w obszarze widzialnym i bliskiej podczerwieni, z zaniedbaniem dyskusji nt. możliwości generacji SC w zakresie fal dłuższych. Badania prowadzone przez habilitanta, omówione w pracy [H1], pokazały, że możliwe jest uzyskanie promieniowania SC o dużej wyjściowej mocy średniej, rozciągającego się głównie w obszarze widmowym bezpiecznym dla wzroku (λ > 1.4 μm), w konwencjonalnym światłowodzie krzemionkowym. W wyżej scharakteryzowanym układzie uzyskano 2 W wyjściowej mocy średniej w przedziale widmowym od 1.3 do 2.5 μm. Moc promieniowania wyjściowego dla fal λ > 1.65 μm wynosiła 1.1 W. Ponadto uzyskane spektrum charakteryzowało się bardzo dużą płaskością. Zmiany natężenia promieniowania wyjściowego na poziomie < 5 db rejestrowane były w paśmie ~( ) μm. Wiązka wyjściowa generowanego promieniowania charakteryzowała się również bardzo dobrą jakością - o parametrze M 2 ~1. Ponieważ światłowód SMF-28 pompowany był w obszar dyspersji anomalnej, głównym mechanizmem powodującym poszerzenie się widma sygnału było zjawisko niestabilności modulacji (ang. modulation instability) prowadzące do rozpadu impulsu pompującego na wiele krótkich subimpulsów 58 a następnie ich samoistne przesunięcie w kierunku niższych częstotliwości - na skutek rozpraszania Ramana. Dalsze poszerzenie widma w zakres długości fal λ > 2.4 μm było dużym wyzwaniem, z uwagi na znaczny wzrost strat absorpcyjnych światłowodu krzemionkowego. Moc wyjściowa tego układu mogła być dalej skalowana - poprzez zastosowanie dodatkowego stopnia wzmocnienia, co zostało pokazane np. w pracy [H11]. Na podkreślenie zasługuje fakt, iż opracowany układ był pierwszym tego typu układem, w którym na wyjściu jednomodowego światłowodu krzemionkowego (SMF-28) uzyskano generację SC na poziomie watów z jednocześnie długofalową krawędzią widma powyżej 2.4 μm. Prowadząc dalsze prace habilitant rozbudował wyżej opisany układ o dodatkową możliwość płynnej regulacji szerokości widma generowanego SC - poprzez odpowiednią zmianę częstotliwości repetycji lub czasu trwania impulsów optycznych pompujących ośrodek nieliniowy. Zmieniając czas trwania impulsów pompujących (generowanych przez laser półprzewodnikowy) od 0.8 do 2 ns, przy stałej częstotliwości pracy, możliwe było uzyskanie płynnej regulacji szerokości generowanego widma SC w przedziale od ~1.45 do ~2.45 μm, przy mocy wyjściowej na poziomie > 1 W, co również stanowiło nowość prowadzonych badań. Podobnie, szerokość widma mogła być regulowana poprzez zmianę częstotliwości powtarzania impulsów pompujących przy stałym czasie trwania tych impulsów. Opis tejże rozbudowy omawianego źródła SC zawarty został m.in. w opracowaniu [H12]. Ponadto część zastosowanego rozwiązania układowego stanowiła przedmiot stosownego zgłoszenia patentowego G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edition, Academic Press, Boston, J. Świderski, M. Michalska, Ł. Gałecki, zgłoszenie patentowe nr P pt. Sposób generacji promieniowania supercontinuum o płynnie regulowanej szerokości widma w ośrodku nieliniowym; zgłoszono do Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polskiej w dniu 28 maja 2014 r. Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 13

14 Pomimo interesujących, w opinii habilitanta, wyników prowadzonych badań zagadnieniem pozostającym do zweryfikowania było sprawdzić możliwość generacji SC o dużej mocy, w kierunku fal dłuższych, powyżej 2.5 μm, w światłowodzie krzemionkowym. Tej problematyce poświęcone zostały prace [H2] oraz [H3]. W pierwszej kolejności badano wpływ długości światłowodu nieliniowego na obraz charakterystyki widmowej generowanego promieniowania. Stwierdzono, iż wydłużanie światłowodu SMF-28 prowadzi do uzyskania widma o dużej płaskości w szerszym przedziale. W przeprowadzonym eksperymencie, opisanym w pracy [H2], wydłużenie światłowodu SMF-28 z 4.2 do 6.6 m pociągało za sobą wzrost szerokości przedziału 5 db płaskości widma z 580 do 640 nm (od 1.6 do 2.24 μm). Z drugiej jednak strony wydłużenie światłowodu nieliniowego spowodowało niemal 15% spadek mocy wyjściowej - z 2 na 1.71 W. Ten spadek mocy można wytłumaczyć tym, że składniki widma w zakresie fal dłuższych doznawały większego tłumienia spowodowanego wzrostem drogi interakcji promieniowania z ośrodkiem. W pracy [H12] pokazano również, że zastosowanie jeszcze dłuższych odcinków światłowodu nieliniowego prowadzi do uzyskania jeszcze większej płaskości charakterystyki widmowej promieniowania SC. Z drugiej jednak strony, bez względu na zastosowaną długość światłowodu krzemionkowego, przesunięcie długofalowej krawędzi widma promieniowania SC powyżej 2.5 μm, przy użyciu opracowanego układu pompującego, było trudne. Bardzo interesującym rozwiązaniem prowadzącym do dalszego poszerzenia widma promieniowania SC w kierunku fal dłuższych jest zastosowanie krzemionkowego światłowodu aktywnego, domieszkowanego jonami pierwiastków ziem rzadkich, posiadającego przejścia emisyjne w obszarze średniej podczerwieni (np. światłowodu domieszkowanego jonami tulu Tm 3+ lub holmu Ho 3+ ) 60,61. Światłowód taki pełni wówczas podwójną funkcję: wzmacniacza oraz ośrodka nieliniowego. Koncepcja ta została użyta do przeprowadzenia eksperymentu opisanego w pracy [H2]. Do układu MOPA (opisanego w pracy [H1]) dospawano dwa odcinki jednomodowych światłowodów krzemionkowych, z których pierwszym był światłowód pasywny SMF-28 (o długości 3 m), natomiast drugim światłowód typu dwupłaszczowego z rdzeniem domieszkowanym jonami tulu (o długości 1 m). Wymiary geometryczne światłowodu aktywnego były bardzo zbliżone do wymiarów światłowodu SMF-28, co pozwalało na niskostratne ich zespawanie. Przy zastosowaniu maksymalnej dostępnej mocy pompy na wyjściu układu uzyskano SC o mocy 1.02 W i widmie rozciągającym się od ok. 1.4 do 2.6 μm. Bardzo interesujący jest fakt, iż moc wyjściowa generowanego promieniowania dystrybuowana była głównie w zakresie fal λ > 2 μm, co było następstwem zastosowania do generacji SC światłowodu domieszkowanego jonami tulu. Promieniowanie pompujące wpierw uległo wstępnemu poszerzeniu w 3-metrowym odcinku światłowodu SMF-28 (do ok. 2.3 μm). Następnie, po wprowadzeniu do światłowodu tulowego, część promieniowania o długościach fal < 1.8 μm była absorbowana przez jony Tm 3+ i konwertowana na promieniowanie o dłuższych falach, leżących w obszarze pasma wzmocnienia jonu tulu. Moc wyjściowa mierzona dla fal λ > 1.65 μm wynosiła 0.95 W, co odpowiadało 93% całkowitej mocy wyjściowej. Godna podkreślenia jest również uzyskana płaskość charakterystyki widmowej - 5 db płaskość tej charakterystyki rejestrowana była w przedziale od 1.95 do 2.51 μm. Jednak najważniejszym osiągnięciem przeprowadzonego eksperymentu była pierwsza demonstracja możliwości generacji promieniowania SC średniej podczerwieni o mocy powyżej 1 W bezpośrednio z jednomodowego światłowodu tulowego, co w momencie publikacji owych wyników [H2] stanowiło też najlepszy, literaturowo znany, rezultat. Dalsze badania nad generacją SC w światłowodach domieszkowanych jonami tulu ukierunkowane były na skalowanie wyjściowej mocy średniej oraz dalsze poszerzenie widma w kierunku fal długich. Najważniejsze wyniki tych badań przedstawione zostały w pracy [H3]. Aby zapewnić skalowanie mocy wyjściowej, opracowany układ do generacji SC został rozbudowany o dodatkowy stopień wzmocnienia bazujący na światłowodzie dwupłaszczowym domieszkowanym jonami tulu pompowany płaszczowo przez dwie diody laserowe (~790 nm) 60 J. Geng, Q. Wang, S. Jiang, Appl. Opt. 51, (2012). 61 A.S. Kurkov, V.A. Kamynin, E.M. Sholokhov, A.V. Marakulin, Laser Phys. Lett. 8, (2011). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 14

15 generujące maksymalnie 4.75 W mocy ciągłej każda. Taka modyfikacja układu stanowiła jednocześnie jedną z nowości niniejszej pracy. Główne cele eksperymentu były następujące: (1) wzmocnić impulsy promieniowania generowane przez laser zadający DFB (~1550 nm) w kaskadzie wzmacniaczy erbowych i erbowo-iterbowych, następnie (2) wstępnie poszerzyć widmo propagującego się ciągu impulsów do ~ μm w światłowodzie SMF-28, (3) używając jednomodowego światłowodu tulowego pompowanego w obszar rdzenia, uzyskać promieniowanie SC głównie w paśmie widmowym średniej podczerwieni z jednoczesnym przesunięciem długofalowej krawędzi widma powyżej długości fali λ > 2.4 μm oraz ostatecznie (4) wzmocnić uzyskane promieniowanie SC w kolejnym światłowodowym wzmacniaczu tulowym pompowanym płaszczowo, utrzymując dużą dystrybucję mocy promieniowania wyjściowego w kierunku fal długich z jednocześnie dużą płaskość charakterystyki widmowej. W układzie laserowym scharakteryzowanym powyżej uzyskano SC o wyjściowej mocy średniej 2.37 W z widmem rozciągającym się w przedziale ~ μm. Moc promieniowania dla fal λ > 2.4 μm wynosiła 0.49 W, co stanowiło 20.7% całkowitej mocy wyjściowej. Uzyskane widmo promieniowania SC cechowało się również bardzo dużą płaskością (zmiany natężenia sygnału poniżej 10 db odpowiadały przedziałowi widmowemu o szerokości 570 nm). Bardzo istotnym rezultatem prowadzonych prac było uzyskanie przesunięcia długofalowej krawędzi widma promieniowania SC do przeszło 2.7 μm - tj. o 200 nm więcej w stosunku do układu zbudowanego tylko na bazie światłowodu krzemionkowego. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu wzmocnienia w obydwu pasmach emisji jonu tulu Tm 3+ w osnowie szkła krzemionkowego, co dokładnie opisano w pracy [H3]. Zaproponowana koncepcja generacji SC oraz samo rozwiązanie konstrukcyjne źródła SC były same w sobie nowatorskie, nie opisane wcześniej w literaturze. Uzyskana moc wyjściowa promieniowania SC była natenczas najwyższą, jaką uzyskano w jednomodowym światłowodzie tulowym (z długofalową krawędzią widma powyżej 2.5 μm). Należy tu również dodać, iż zarówno wyjściowa moc średnia generowanego promieniowania SC, jak i płaskość charakterystyki widmowej może być dalej zwiększona poprzez zastosowanie wyższej mocy pompującej oraz dłuższego odcinka światłowodu aktywnego, co udowodniono np. w pracy [H10]. Ponadto pokazano, że poprzez zastosowanie odpowiedniej architektury ośrodka nieliniowego oraz odpowiedniej konstrukcji układu pompującego możliwe jest opracowanie zwartej i niezawodnej konstrukcji źródła SC w formacie całkowicie światłowodowym. Główną jednak wadą światłowodów krzemionkowych jest ich ograniczone pasmo transmisji w zakresie średniej podczerwieni z krawędzią poniżej 3 μm, co jest rezultatem silnej absorpcji molekularnej szkieł krzemionkowych w tym zakresie długości fal. Oznacza to, że w światłowodach tych można jedynie skalować wyjściową moc średnią, nawet powyżej 20 W 62, przy braku możliwości dalszego poszerzenia widma w kierunku fal długich. Z tego też względu, aby uzyskać generację promieniowania w obszarze fal dłuższych, np. paśmie 2-5 μm konieczne jest zastosowanie innych ośrodków nieliniowych, jak chociażby światłowody ze szkieł miękkich Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach fluorkowych Bardzo dobrymi kandydatami na ośrodki nieliniowe źródeł SC zakresu widmowego średniej podczerwieni są światłowody fluorkowe. Najbardziej znanymi przedstawicielami tej grupy ośrodków są światłowody fluorocyrkonowe, znane również jako ZBLAN (nazwa pochodzi od pierwszych liter symboli pierwiastków z ich wzoru chemicznego: ZrF 4 (53 mol.%), BaF 2 (20 mol.%), LaF 3 (4 mol.%), AlF 3 (3 mol.%) oraz NaF (20 mol.%)) 63, pozwalających na transmisję promieniowania w przedziale od ~0.25 do ~4.4 μm. Technologia ich wytwarzania uznawana jest za bardzo dojrzałą, zaraz po technologii wytwarzania światłowodów krzemionkowych. Bardzo atrakcyjnymi ośrodkami z tej grupy włókien optycznych są również światłowody fluoroindowe 62 V.V. Alexander, et al., Opt. Lett. 38, (2013). 63 M. Saad, Proc. SPIE 7316, 73160N-1-16 (2009). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 15

16 (InF 3), charakteryzujące się niższą wartością energii fononów i w konsekwencji szerszym pasmem transmisji, od ~0.3 do ~5.5 μm 64. Główną wadą wszystkich światłowodów fluorkowych jest mała odporność na wilgoć, co w przypadku pracy w środowisku o dużej wilgoności prowadzi do ich degradacji w czasie. Również ich wytrzymałość mechaniczna, chemiczna i termiczna jest niższa w porównaniu z włóknami krzemionkowymi. Innymi atrakcyjnymi ośrodkami optycznymi na zakres widmowy średniej podczerwieni są światłowody tellurkowe. Cechuje je podobny zakres transmisji, jak w przypadku światłowodów fluorkowych oraz przeszło o rząd wielkości wyższa wartość nieliniowego współczynnika załamania (n 2 = m 2 /W 65 ). To w połączeniu z dużą wytrzymałością mechaniczną oraz dużą odpornością na wilgoć czyni z nich obiecujące ośrodki nieliniowe do generacji SC. Kolejną grupą światłowodów ze szkieł miękkich są światłowody chalkogenidowe, bazujące na związku siarki (S), selenu (Se) oraz telluru (Te) z dodatkiem innych pierwiastków (np. Ge, As, Sb) niezbędnych do uformowania stabilnego szkła. Przykładem tej grupy ośrodków są światłowody As 2S 3 oraz As 2Se 3. Przede wszystkim ośrodki te cechują się szerokim pasmem transmisji w podczerwieni, z długofalową krawędzią nawet powyżej 10 μm 66 oraz nieliniowym współczynnikiem załamania o wartości przeszło dwa rzędy wielkości większej w porównaniu ze światłowodami krzemionkowymi i fluorkowymi. Ich podstawową wadą jest niska temperatura transformacji (< 200 C) oraz fakt posiadania punktu zerowej dyspersji w zakresie fal powyżej 4 μm - w zakresie, gdzie trudno znaleźć odpowiednie źródło promieniowania pompującego. Krótką charakterystykę zbiorczą światłowodów ze szkieł miękkich habilitant przedstawił w pracy [H12]. Oczywistym faktem jest to, że włókna optyczne o dużej materiałowej nieliniowości nadają się najlepiej do efektywnej generacji SC, pozwalając m.in. na stosowanie krótkich odcinków. Stąd też do tego celu najlepiej nadają się światłowody chalkogenidowe oraz tellurkowe. Z drugiej jednak strony ich technologia wytwarzania, pomimo intensywnej poprawy, nie jest jeszcze na tyle dojrzała, aby mogły być one użyte do generacji SC o wyjściowej mocy średniej na poziomie watów. Według oceny habilitanta, obecnie tylko technologia produkcji światłowodów fluorkowych jest na tyle opanowana, że można je rozpatrywać jako ośrodki odpowiednie do propagacji wiązek optycznych o mocy ciągłej nawet dziesiątek watów 67. W nawiązaniu do powyżej prowadzonej dyskusji, w kolejnych badaniach ukierunkowanych na uzyskanie generacji SC w zakresie fal dłuższych, powyżej 3 μm, jako ośrodki nieliniowe wybrane zostały światłowody fluorkowe ZBLAN. Zagadnieniom tym poświęcona jest m.in. praca habilitanta [H4]. Jako źródła promieniowania pompującego posłużyły opracowane wcześniej układy laserowe, opisane m.in. w pracach [H1] i [H3]. Jako ośrodek nieliniowy użyty został światłowód ZBLAN o długości 20 m. Był to światłowód o skokowej zmianie wartości współczynnika załamania, o średnicy rdzenia/płaszcza odpowiednio 7/125 μm i aperturze numerycznej NA = Światłowód ten charakteryzował się również przesuniętym punktem zerowej dyspersji w okolicę 1.9 μm. Promieniowanie pompujące wprowadzane było do światłowodu za pomocą teleskopu optycznego, przy sprawności wprowadzania na poziomie ~60%. W pierwszym etapie badano generację SC w światłowodzie ZBLAN z użyciem układu pompującego typu MOPA składającego się z kaskady trzech wzmacniaczy światłowodowych (opisanego w pracy [H1]). Do wyjścia tego układu dospawany został pasywny światłowód SMF-28 o długości ~2.5 m. Jego rolą było wstępne poszerzenie widma sygnału optycznego do ok. 2.3 μm. Maksymalna stosowana moc promieniowania pompującego, mierzona na wyjściu światłowodu SMF-28, wynosiła 1.56 W, z czego ok. 860 mw wprowadzono do włókna fluorkowego. Na jego wyjściu uzyskano promieniowanie SC o mocy 0.66 W. Moc mierzona w zakresie fal λ > 1.65 μm, λ > 2.4 μm i λ > 3 μm wynosiła odpowiednio 0.44 W (66.7%), 0.21 W (31.8%) oraz 0.1 W (15.2%). Równolegle do opisanego eksperymentu wykonano badania 64 M. Saad, Proc. SPIE 8307, 83070N (2011). 65 M. Liao, C. Chaudhari, G. Qin, X. Yan, T. Suzuki, Y. Ohishi, Opt. Express 17, (2009). 66 I. Kubat, et al., Opt. Express 22, (2014). 67 X. Zhu, N. Peyghambarian, Adv. Optoelectron. 2010, (2010). Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 16