Załącznik Nr 2. Autoreferat. Jacek KWIATKOWSKI

Transkrypt

1 Załącznik Nr 2 Autoreferat Jacek KWIATKOWSKI

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 Lasery domieszkowane jonami holmu Układy pompujące lasery holmowe Opracowane lasery domieszkowane jonami tulu Laser Tm:YLF Laser Tm:fiber Metody optymalizacyjne generacji laserów opartych na ośrodkach czynnych o strukturze quasi-trójpoziomowej Laser hybrydowy Ho:YAG Laser hybrydowy Ho:YLF Omówienie możliwości wykorzystania wyników prowadzonych badań naukowych Podsumowanie Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych Działalność naukowa prowadzona przed uzyskaniem stopnia doktora Działalność naukowa prowadzona po uzyskaniu stopnia doktora Podsumowanie dorobku naukowego Zał. nr 2. Autoreferat Strona 2

3 1. Imię i nazwisko Jacek Kwiatkowski 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe Stopień naukowy doktora nauk technicznych jednostka nadająca stopień: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej, data nadania stopnia: 14 grudnia 2005 r., dyscyplina: elektronika, specjalność: optoelektronika, tytuł rozprawy: Zjawiska nieliniowe w impulsowych laserach ciała stałego pompowanych diodami laserowymi mocy ciągłej, promotor rozprawy: prof. dr hab. inż. Jan JABCZYŃSKI. Tytuł magistra inżyniera elektronika jednostka nadająca stopień: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej, data nadania stopnia: 22 czerwca 1999 r., kierunek: elektronika i telekomunikacja, specjalność: urządzenia optoelektroniczne, temat pracy magisterskiej: Impulsowy laser z przełącznikiem dobroci LiNbO 3 pompowany Q-cw diodą laserową, promotor: dr hab. inż. Waldemar ŻENDZIAN, prof. WAT, ocena ukończenia studiów: bardzo dobry. Praca wyróżniona przez Stowarzyszenie Elektryków Polskich nagrodą II stopnia w Ogólnopolskim Konkursie im. Adama Smolińskiego na najlepszą pracę dyplomową z dziedziny optoelektroniki w roku akademickim 1998/1999. Studia podyplomowe w zakresie informatyki miejsce ukończenia studiów: Wydział Geodezji i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, data uzyskania świadectwa: 31 stycznia 2001 r., ocena ukończenia studiów: bardzo dobry. Studia podyplomowe w zakresie pedagogiki miejsce ukończenia studiów: Instytut Nauk Humanistycznych Wojskowej Akademii Technicznej, data uzyskania świadectwa: 26 czerwca 2002 r., ocena ukończenia studiów: bardzo dobry. Studia podyplomowe w zakresie Zaawansowane techniki i metody pracy dydaktycznej miejsce ukończenia studiów: Wydział Mechatroniki Wojskowej Akademii Technicznej, data uzyskania świadectwa: 7 lutego 2007 r., ocena ukończenia studiów: bardzo dobry. Zał. nr 2. Autoreferat Strona 3

4 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych żołnierz zawodowy, inżynier naukowo-techniczny; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie żołnierz zawodowy, asystent naukowo-dydaktyczny; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie żołnierz zawodowy, adiunkt naukowo-dydaktyczny; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie obecnie żołnierz zawodowy, starszy specjalista naukowo-techniczny; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie (zmiana stanowiska związana z awansem na wyższy stopień oficerski). 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: Pompowane koherentnie lasery holmowe do zastosowań w zakresie widmowym średniej podczerwieni 4.2. Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego Cykl publikacji powiązanych tematycznie tworzących wskazane osiągnięcie obejmuje: [H1] [H2] [H3] [H4] [H5] J.K. Jabczynski, Ł. Gorajek, W. Zendzian, J. Kwiatkowski, H. Jelinkova, J. Sulc and M. Nemec, High repetition rate, high peak power, diode pumped Tm:YLF laser, Laser Physics Letters 6(2), , (2009). J.K. Jabczynski, L. Gorajek, J. Kwiatkowski, M. Kaskow, W. Zendzian, Optimization of end-pumped, actively Q-switched quasi-iii-level lasers, Optics Express 19 (17), , (2011). J. Kwiatkowski, Ł. Gorajek, J.K. Jabczynski, W. Zendzian, H. Jelinkova, J. Sulc, M. Nemec, P. Koranda, Resonantly pumped tunable Ho:YAG laser, Laser Physics Letters 6(7), , (2009). J. Kwiatkowski, J.K. Jabczynski, W. Zendzian, J. Swiderski, L. Gorajek, L. Galecki, Resonantly pumped acousto-optically Q-switched hybrid Ho:YAG laser, Laser Physics Letters 8 (4), , (2011). J. Kwiatkowski, J.K. Jabczynski, W. Zendzian, L. Gorajek, M. Kaskow, High repetition rate, Q-switched Ho:YAG laser resonantly pumped by a 20 W linearly polarized Tm: fiber laser, Applied Physics B: Lasers and Optics 114 (3), , (2014). [H6] J. Kwiatkowski, Highly efficient high power CW and Q-switched Ho:YLF laser, Opto- Electronics Review 23 (2), , (2015). * 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 [H7] [H8] [H9] [H10] J. Kwiatkowski, J. Swiderski, W. Zendzian, J.K. Jabczynski, L. Gorajek, M. Kaskow, A resonantly pumped, Q-switched Ho:YLF laser with an output energy of 5 mj at 1 khz, Photonics Letters of Poland 6(1), 5-7, (2014). J. Kwiatkowski, W. Zendzian, J.K. Jabczynski, J. Swiderski, Continuous-wave and high repetition rate Q-switched operation of Ho:YLF laser in-band pumped by a linearly polarized Tm:fiber laser, Optics and Laser Technology 63, 66-69, (2014). J. Kwiatkowski, J.K. Jabczynski, W. Zendzian, An efficient continuous-wave and Q-switched single-pass two-stage Ho:YLF MOPA system, Optics and Laser Technology 67, 93-97, (2015). J. Kwiatkowski, Lasery generujące promieniowanie w obszarze średniej podczerwieni do zastosowań w medycynie, wojsku oraz w metrologii, Problemy Metrologii Elektronicznej i Fotonicznej 8. Praca zbiorowa pod redakcją Janusza Mroczki, Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej PAN, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, ISBN , , (2015), (artykuł zaproszony). 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 czasopisma, punktację czasopism Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego wg wykazu obowiązującego w dniu publikacji ( procentowy udział habilitanta w powstaniu wyszczególnionych artykułów oraz liczbę cytowań (bez autocytowań / wszystkich), w wybranych bazach bibliograficznych (wg stanu na dzień ), zostało przedstawione w tabeli 1. 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 publikacji IF (wg daty) IF średni (5 lat) Punkty MNiSW (wg daty) % udział Liczba cytowań (bez autocytowań / wszystkich) Web of Science Scopus Google Scholar H /34 34/36 32/37 H /5 6/8 6/7 H /32 30/35 32/37 H /15 18/18 16/16 H /4 4/6 4/6 H H H H /2 2/3 3/4 H Łącznie /92 94/106 93/107 Szczegółowe określenie wkładu habilitanta w powstanie powyżej wymienionych publikacji zostało przedstawione w Zał. nr 5, natomiast oświadczenia pozostałych współautorów wymienionych prac przedstawiono w Zał. nr 6. W dalszej części autoreferatu odwołuję się do swoich prac stanowiących osiągnięcie naukowe (cykl publikacji powiązanych tematycznie), zgodnie z numeracją zastosowaną w wykazie osiągnięć (litera H z odpowiednią własną numeracją). Zał. nr 2. Autoreferat Strona 5

6 4.3. Omówienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Wprowadzenie Postęp technologiczny bez wątpienia związany jest z opracowywaniem nowych urządzeń i zapotrzebowaniem rynku na coraz nowsze, innowacyjne rozwiązania. Technika laserowa, której rozwój trwa nieprzerwanie od roku 1960, kiedy to opracowano pierwszy laser, jest więc obszarem badań ciągle rozwijanym i wydaje się, że mimo upływu ponad półwieku, mnogości doniesień i opracowań różnych ośrodków naukowych, wiele obszarów tej dziedziny nie jest jeszcze do końca zbadanych i kompleksowo opisanych. Współczesne badania w tym zakresie w głównej mierze koncentrują się wokół urządzeń mających szerokie perspektywy potencjalnych zastosowań. Wielkie firmy, przemysł oraz wojsko niejednokrotnie wspierają ośrodki naukowe w badaniach, widząc w niedalekiej przyszłości możliwości zwiększenia swoich zysków lub zdobycia unikalnej wiedzy umożliwiającej osiągnięcie przewagi technologicznej, co jest w głównej mierze obserwowane w obszarach bezpieczeństwa i obronności państw. Szybki i dynamiczny rozwój danej dziedziny lub danego obszaru wiedzy jest więc determinowany bezpośrednim zapotrzebowaniem na daną technologię, określone rozwiązanie lub wręcz na gotowe urządzenie lub system, charakteryzujące się odpowiednimi parametrami ustalonymi przez zamawiającego. Takimi urządzeniami bez wątpienia są lasery stałe domieszkowane jonami holmu o dużych mocach oraz energiach generowanych impulsów mające bardzo duże możliwości aplikacyjne w zakresie widmowym średniej podczerwieni (MIR mid infrared) zarówno w zastosowaniach militarnych, gospodarczych oraz w życiu codziennym. Zakres średniej podczerwieni stanowi środkowy podzakres pasma promieniowania podczerwonego fal elektromagnetycznych rozciągającego się od granicy promieniowania widzialnego o długościach fal około 780 nm a pasmem terahercowym o długościach fal powyżej 30 µm. Dolny zakres pasma podczerwonego nazywamy odpowiednio bliską (NIR near infrared), a górny daleką podczerwienią (FIR far infrared). Czasami dodaje się także podzakresy SIR (short infrared) oraz LIR (long infrared) pomiędzy przedstawionymi powyżej [1]. Granice tego podziału nie są jednak ściśle i jednoznacznie określone i wielu autorów w swoich publikacjach stosuje znane tylko sobie umowne granice podziału bez podawania konkretnych wartości. Dość często umownymi granicami podziału między bliską i średnią oraz średnią i daleką podczerwienią są odpowiednio długości fal: 2,5 µm oraz 25 µm [2] albo 2 µm oraz 15 µm [3]. Podzakresy te często oznaczane są także jako IR-A, IR-B oraz IR-C. Według Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej CIE (skrót pochodzi od francuskiej nazwy Komisji: Commission Internationale de l Éclairage), za granicę między bliską i średnią podczerwienią przyjmuje się długość fali 1,4 µm, a między średnią i daleką podczerwienią wartość 3 µm [4, 5]. Jak więc widać, przyjmowane granice zakresu średniej podczerwieni mogą znacząco się od siebie różnić. Czynnikiem determinującym podział zakresu widmowego podczerwieni na mniejsze podzakresy może być np. zakres wysokiej transmisji promieniowania podczerwonego w atmosferze obejmujący tak zwane pierwsze okno atmosferyczne (podział zastosowany m.in. przez H.L. Hackfortha [6], według którego granicznymi długościami fal średniej podczerwieni są wartości 1,4 µm oraz 5,6 µm) lub zakres obejmujący oba okna atmosferyczne i rozciągający się do granicy 14 µm [7]. Innym kryterium może być także podział uzależniony od rodzaju detektorów umożliwiających pomiar promieniowania podczerwonego o różnych długościach fal. Na potrzeby niniejszego autoreferatu, w związku z analizą możliwości zastosowania i wykorzystania holmowych źródeł laserowych dużej mocy w układach transmisyjnych promieniowania laserowego na duże odległości, za zakres średniej podczerwieni przyjąłem zakres widmowy 1,4-14 µm. 1 A. D Amico et al., Volatile Compounds Detection by IR Acousto-Optic Detectors, 21-59, in: Unexploded Ordnance Detection and Mitigation, Springer, J. Byrnes ed. ISBN , G. Tao et al., Infrared Fibers, Advances in Optics and Photonics 7(2), , Bezpieczeństwo urządzeń laserowych. Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika, PN-EN : H.L. Hackforth, Promieniowanie podczerwone, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa E. Lippert et al., 17th international Laser Physics Workshop, Trondheim, Zał. nr 2. Autoreferat Strona 6

7 Badania w obszarze podczerwieni są jednym z wiodących kierunków prac badawczych i rozwojowych w obszarze optoelektroniki i fotoniki prowadzonych w czasie ostatnich lat na świecie. Instytut Optoelektroniki WAT również zaangażował się w takie badania. Dzięki prowadzonym badaniom oraz różnym programom badawczym realizowanym w IOE opracowano technologie podstawowych typów pompowanych diodami impulsowych laserów generujących w zakresie podczerwieni: laserów neodymowych, laserów erbowych, laserów tulowych oraz generatorów parametrycznych. Laserami generującymi promieniowanie z obszaru średniej podczerwieni szczególnie zainteresowane jest wojsko, bowiem w wielu urządzeniach o zastosowaniach militarnych takich jak: dalmierze laserowe, radary optyczne, systemy kierowania ogniem, systemy naprowadzania rakiet, układy do wykrywania i wskazywania celów, potrzebne są nadajniki w postaci impulsowych laserów o dużych mocach szczytowych i znacznych częstościach powtarzania pracujących w obszarze bezpiecznym dla wzroku (eye-safe spectral region), tj. generujących na długościach fal powyżej 1,4 µm. Warto zwrócić uwagę, że pasmo widma generacji bezpiecznej dla wzroku ma także korzystne własności propagacyjne w atmosferze (rys. 1). Rys. 1. Wykres transmisji atmosfery w terenie zurbanizowanym w zakresie 1,4-14 µm z zaznaczonymi obszarami silnej absorpcji wybranych molekuł. Rozpatrując widmo promieniowania laserowego z zakresu średniej podczerwieni (1,4-14 μm), należy zwrócić uwagę, że pasmo to (pomijając obszary 1,8-2 μm, 2,5-3 μm, 4,2-4,5 μm, 5,2-8 μm) ma dobre własności propagacyjne w atmosferze. W terenie zurbanizowanym transmisja atmosfery dla tego zakresu jest bardzo duża, natomiast pochłanianie przez cząsteczki niektórych gazów oraz w wybranych ośrodkach biologicznych przez zanieczyszczenia atmosfery jest bardzo silne. Selektywne tłumienie promieniowania laserowego przez atmosferę związane jest w głównej mierze z jej składem chemicznym. Przykładowo, cząsteczki ditlenku węgla CO 2 silnie absorbują promieniowanie w obszarach widmowych 2,0 μm, 2,7 μm, 4,3 μm, 13,6 μm oraz nieznacznie fale o długości ok. 1,4 μm, 1,6 μm, 9,4 μm i 10,4 μm. Pozostałe spadki transmisji promieniowania w atmosferze są spowodowane głównie absorpcją cząsteczek wody H 2 O (1,87 μm, 1,91 µm, 2,14 µm, 3 μm, 6,3 μm), N 2 O (2,87 μm, 4,06 μm, 4,5 μm, 7,9 μm), NO, O 2 czy O 3 (9,6 μm). Ponadto, na długościach fal 1,66 μm, 2,2 μm, 3,3 μm, 7,6 μm znajdują się charakterystyczne linie absorpcyjne związków chemicznych ważnych z punktu widzenia ochrony środowiska, między innymi związków zawierających wiązania C-H, w tym metanu (CH 4 ). Dobór odpowiedniej długości fali promieniowania Zał. nr 2. Autoreferat Strona 7

8 laserowego staje się najważniejszym warunkiem efektywnej propagacji takiego promieniowania w atmosferze. Właściwości atmosfery umożliwiają zastosowanie impulsowych źródeł promieniowania laserowego generujących w zakresie średniej podczerwieni zarówno do wydajnej komunikacji w wolnej przestrzeni, jak i do zdalnego wykrywania oraz pomiaru stężenia różnych związków chemicznych. Wykorzystując propagację promieniowania laserowego w atmosferze na bardzo duże odległości (m.in. dalmierze laserowe, układy typu LIDAR), istnieje możliwość identyfikacji, rozpoznania oraz oceny składu atmosfery, a także znajdujących się w niej zanieczyszczeń. Opracowywane coraz nowsze układy urządzeń laserowych z tego zakresu widmowego w dalszym ciągu poszerzają swoje zastosowania o nowe obszary nauki i technologii. Szczegółowy opis właściwości promieniowania laserowego z obszaru średniej podczerwieni, wpływ różnych czynników na właściwości propagacyjne promieniowania w wolnej przestrzeni, charakterystyki transmisyjne atmosfery oraz absorpcyjne różnych molekuł w zakresie podczerwieni oraz informacje odnośnie do konstrukcji, a także zastosowań urządzeń laserowych domieszkowanych jonami erbu, tulu oraz holmu zostały przedstawione w przeglądowej pracy [H10]. O ile w zakresie bliskiej podczerwieni dostępnych jest wiele rodzajów źródeł promieniowania laserowego, wliczając w to m.in. względnie tanie i popularne różnego rodzaju diody laserowe generujące promieniowanie o długościach fal 793 nm, 808 nm, 940 nm, 980 nm [8] oraz opracowane na ich bazie lasery objętościowe głównie domieszkowane jonami chromu, neodymu i iterbu, tak w zakresie średniej podczerwieni trwa swoisty wyścig w pracach nad poszukiwaniami nowych technologii oraz opartych na nich wydajnych konstrukcji źródeł laserowych. W obszarze średniej podczerwieni niestety nie są powszechnie dostępne wydajne oraz w miarę tanie półprzewodnikowe źródła promieniowania laserowego dużej mocy i energii. Trzeba jednak zaznaczyć, że w ostatnich latach został położony dość duży nacisk na potrzebę opracowywania układów półprzewodnikowych generujących promieniowanie o długościach fal z obszaru 1,5 μm [9] czy 1,9 μm [10] mających zastosowanie między innymi jako lasery pompujące ośrodki domieszkowane jonami erbu [11] czy holmu [12]. Pierwsze doniesienia literaturowe odnośnie do opracowanych układów wskazują na niewielką ich sprawność energetyczną (rzędu kilku procent) oraz niewielkie moce i energie wyjściowe generowanego promieniowania mimo zastosowanych bardzo dużych mocy pompujących [ 13]. Poszukuje się więc innych, wydajnych konstrukcji laserów z zakresu średniej podczerwieni. Prace naukowo-badawcze prowadzone przez przemysł oraz liczne ośrodki naukowo-badawcze zajmujące się tą tematyką ukierunkowane są między innymi na: a) wytworzenie trwałych oraz wydajnych struktur półprzewodnikowych generujących promieniowanie o długościach fal: 1470 nm, 1532 nm, 1908 nm, 1940 nm [ 14], b) zastosowanie generatorów oraz wzmacniaczy parametrycznych z wykorzystaniem kryształów nieliniowych [ 15, 16, 17], c) wykorzystanie różnych metod modulacji dobroci rezonatorów laserowych (np. modulatory SESAM, układy wykorzystujące pasywne i aktywne modulatory dobroci rezonatora, mikrolasery), d) lasery ramanowskie [ 18], e) kwantowe lasery kaskadowe (QCLs - Quantum Cascade Lasers) [ 19], f) lasery i wzmacniacze światłowodowe [ 20], g) generatory supercontinuum (SC) [ 21], L. Galecki, M. Eichhorn, W. Zendzian, Proc. SPIE, Vol. 8898, , S. Lamrini, P. Koopmann, M. Schäfer, K. Scholle, P. Fuhrberg, Appl. Phys. B, 106(2), , S. Lamrini, P. Koopmann, K. Scholle, P. Fuhrberg, Opt. Lett., 38(11), , M.Tiihonen, V. Pasiskevicius, F.Laurell, Opt. Commun. 250(1-3), , W. Zendzian, J.K. Jabczynski, P. Wachulak, J. Kwiatkowski, Appl. Phys. B 80(3), , Y.J. Huang, C.Y. Tang, Y.P. Huang, C.Y. Cho, K.W. Su, Y.F. Chen, Laser Phys. Lett. 9(10), , Y.T.Chang, K.W.Su, H.L.Chang, Y.F.Chen, Opt. Express 17(6), , J. Swiderski, M. Maciejewska, W. Pichola, J. Kwiatkowski, M. Mamajek, Proc. SPIE, 8433, 84331E, J. Swiderski, Progress in Quantum Electronics, 38(5), , Zał. nr 2. Autoreferat Strona 8

9 g) koherentnie pompowane lasery Cr:A II B VI i Fe:A II B VI [22, 23], h) pompowane koherentnie lasery stałe domieszkowane jonami erbu, tulu oraz holmu [H10]. W swojej działalności naukowej osobiście brałem udział w pracach związanych z opracowaniem niektórych przedstawionych wyżej konstrukcji. Opis mojej działalności naukowej wyznaczony programem prac badawczych realizowanych w Instytucie Optoelektroniki WAT znajduje się w końcowej części autoreferatu oraz w zał. Nr 5. Obecnie jedynymi źródłami dostępnymi komercyjnie generującymi promieniowanie w zakresie widmowym średniej podczerwieni są wzmacniacze i generatory parametryczne oparte na nieliniowych kryształach KTP, BBO czy strukturach PPLN, lasery kaskadowe, lasery półprzewodnikowe oraz lasery domieszkowane jonami tulu a także holmu (głównie do zastosowań medycznych [ 24]). Można powiedzieć, że konstrukcje bazujące na tych rozwiązaniach wykazują duży stopień niezawodności, co czyni je użytecznymi w wielu aplikacjach. Niestety, zakres dostępnych generowanych długości fal z konstrukcji OPO bazujących na przedstawionych wyżej elementach (pomijając mniej efektywną pracę na fali biernej w wyższych zakresach długości fal) kończy się w okolicach 2 µm mimo możliwości uzyskania znacznych mocy i energii generowanych impulsów. Dodatkowo, ich złożona konstrukcja czyni je podatnymi na wibracje, przypadkowe uderzenia, co skutkować może częstymi okresami ich regulacji oraz serwisowaniem. Zakres pracy kwantowych laserów kaskadowych mieści się w przedziale długości fal 3,4-12 µm. Ze względu na niewielką moc wyjściową dochodzącą obecnie maksymalnie do wartości kilku watów, silną zależność długości generowanej fali od temperatury złącza, rozwiązania te stają się mało atrakcyjne do zastosowań przemysłowych czy militarnych. Konstrukcje diod półprzewodnikowych mimo znacznego postępu technologicznego i dużych mocy wyjściowych w trybie CW niestety nie umożliwiają pracy w trybie impulsowym z dużymi mocami średnimi, repetycjami rzędu kiloherców i czasami trwania generowanych impulsów rzędu nanosekund. Podobnie wygląda sytuacja z dostępnymi komercyjnie laserami holmowymi w konstrukcjach pompowanych lampowo, wykorzystywanymi obecnie głównie w zastosowaniach medycznych. Ze względu na swoje parametry wyjściowe takie jak niewielkie częstości pracy (max kilkadziesiąt Hz), duże czasy trwania generowanych impulsów dochodzące do kilkuset milisekund a przez to niewielkie moce szczytowe, także nie wykorzystuje się takich konstrukcji w układach transmisyjnych na duże odległości. Lasery i wzmacniacze światłowodowe oraz źródła supercontinuum intensywnie rozwijane w ostatnich latach (również w IOE WAT), mimo że ich zakres pracy pokrywa obszar między opisywanymi generatorami OPO oraz laserami kaskadowymi, także nie oferują wymaganych parametrów wyjściowych (moce średnie ograniczone do maksymalnie kilkunastu W, bardzo duża częstotliwość pracy powyżej 10 khz, małe energie impulsów rzędu µj). Wydaje się, że jedynymi dostępnymi obecnie rozwiązaniami umożliwiającymi uzyskanie średnich mocy wyjściowych na poziomie dziesiątek watów, energii generowanych impulsów rzędu kilku czy kilkunastu mj z czasami trwania poniżej kilkunastu nanosekund, co dać może moc szczytową generowanych impulsów rzędu kilkuset kilowatów w obszarze długości fal 2 µm, jest zastosowanie w laserach stałych ośrodków aktywnych domieszkowanych jonami erbu, tulu, holmu czy chromu pompowanych diodami laserowymi, laserami światłowodowymi oraz innymi laserami stałymi. Od początku pracy naukowej w Wojskowej Akademii Technicznej mój obszar zainteresowań związany był z opracowywaniem różnych typów laserów objętościowych pompowanych w głównej mierze innymi laserami półprzewodnikowymi. Brałem udział w wielu projektach badawczych związanych z analizą numeryczną, optymalizowaniem, opracowaniem oraz weryfikacją praktyczną laserów stałych domieszkowanych jonami ziem rzadkich w schematach pompowania wzdłużnego oraz bocznego. Tematyka mojej pracy doktorskiej związana była z analizą wielu zjawisk nieliniowych występujących w impulsowych laserach stałych pompowanych diodami laserowymi mocy ciągłej. Jednak działalność ta w głównej mierze dotyczyła laserów domieszkowanych jonami neodymu, co 22 V.A. Kasiyan, R.Z. Shneck, Z.M. Dashevsky and S.R. Rotman, Phys. Stat. Sol. (b) 229(1), , J. Kernal, V. V. Fedorov, A. Gallian, S.B. Mirov, Opt. Express 13(26), , Zał. nr 2. Autoreferat Strona 9

10 w połączeniu z odpowiednimi elementami optycznymi w różnych układach umożliwiało generację długości fal tylko w zakresie bliskiej podczerwieni. Coraz większe zainteresowanie ośrodków naukowych oraz przemysłu wydajnymi laserami z zakresu średniej podczerwieni spowodowało podjęcie prac z wykorzystaniem ośrodków czynnych domieszkowanych jonami erbu oraz tulu. Zaangażowanie w realizację takich projektów badawczych jak: Laser hybrydowy Er:YAG generujący w zakresie bezpiecznym dla wzroku czy Pompowane diodami, impulsowe lasery na ośrodkach domieszkowanych tulem skutkowało powstaniem wielu opracowań naukowych oraz realizacją układów praktycznych. W tamtym też czasie podjąłem decyzję o ukierunkowaniu swoich zainteresowań w stronę układów i rozwiązań bazujących na ośrodkach domieszkowanych jonami tulu oraz możliwości ich wykorzystania jako układów pompujących do budowy wysokosprawnych laserów na ośrodkach stałych domieszkowanych jonami holmu. Mimo wspomnianych wcześniej układów laserowych umożliwiających uzyskanie promieniowania o długościach fal powyżej 2 µm, w wielu zastosowaniach wymagane są źródła laserowe o dużych energiach wyjściowych, krótkich czasach trwania generowanych impulsów oraz bardzo dużych mocach szczytowych pracujących z dużymi częstotliwościami powtarzania generowanych impulsów. Jedynymi konstrukcjami spełniającymi te wymagania są obecnie impulsowe lasery stałe domieszkowane jonami holmu w układzie krótkiego rezonatora, pompowane koherentnie w pasmo absorpcji jonów holmu innymi laserami. Holmowe źródła laserowe o podanych wyżej parametrach wyjściowych, oprócz możliwości bezpośredniego wykorzystania promieniowania laserowego z obszaru 2 µm do wielu zastosowań, stanowią obecnie najwydajniejsze źródła pompujące do generatorów parametrycznych OPO opartych na nieliniowych kryształach ZGP, AGSe lub OP-GaAs. Zastosowanie laserów pompujących o odpowiednich parametrach wyjściowych, generujących promieniowanie o długościach fal powyżej 2 µm, ze względu na krótkofalową granicę przezroczystości nieliniowych ośrodków OPO, jest parametrem kluczowym dla uzyskania wydajnego procesu generacji parametrycznej. Inne lasery, wliczając w to także wydajne lasery tulowe, niestety nie posiadają odpowiednich parametrów. Efektywna konwersja promieniowania laserowego do obszaru widmowego z zakresu 2,5-12 µm w układach generatorów parametrycznych otwiera świat nauki na zupełnie nowe obszary zainteresowań. Stosowane wcześniej pompujące układy laserowe oparte na ośrodkach domieszkowanych neodymem w konstrukcji KTP - OPO [25] były niestety nieefektywne, skomplikowane oraz awaryjne. Potrzeba głębokiej oraz wszechstronnej analizy warunków pracy pompowanych koherentnie laserów stałych domieszkowanych jonami holmu, jako jedynych konstrukcji do zastosowań w układach źródeł pompujących ośrodków nieliniowych w generacji parametrycznej OPO pozwoliła na sprecyzowanie obszaru mojej działalności naukowej ostatnich kilku lat. Moim zdaniem konstrukcje takie są obecnie jedynymi źródłami umożliwiającymi uzyskanie wydajnej generacji promieniowania laserowego zarówno w pierwszym jak i drugim oknie transmisyjnym. Priorytetem prac naukowych prowadzonych przeze mnie było więc zdobycie wiedzy umożliwiającej opracowanie wydajnych układów laserowych domieszkowanych jonami holmu generujących promieniowanie o długościach fal powyżej 2 µm, o dużej mocy wyjściowej (> 10 W), energii generowanych impulsów (> 2 mj), mocy szczytowej impulsów w zakresie kilkuset kw z dużą repetycją (> 1 khz), które mają realne zastosowanie w przemyśle, wojsku, medycynie oraz wielu innych dziedzinach nauki. Dodatkowym wyzwaniem było to, że wcześniej nikt w Polsce nie zajmował się holmowymi laserami stałymi dużej mocy pompowanymi koherentnie, przez co wchodziłem w zupełnie nowy, niezbadany dotychczas w naszym kraju obszar wiedzy zarezerwowany dla wiodących i silnie finansowanych przez wojsko oraz instytucje rządowe ośrodków naukowych Europy i świata. Wydaje się, że także obecnie jedynym ośrodkiem zajmującym się tego typu laserami w Polsce jest Instytut Optoelektroniki WAT. 25 P.B. Phua et al., Opt. Lett. 23(16), , Zał. nr 2. Autoreferat Strona 10

11 Lasery domieszkowane jonami holmu Układy pompujące lasery holmowe Potrzeba generacji promieniowania laserowego w obszarze widmowym powyżej 2 µm spowodowała zainteresowanie ośrodkami czynnymi domieszkowanymi jonami holmu. Lasery holmowe, należą do grupy laserów quasi-trójpoziomowych (QTP), których wadą jest bliska odległość dolnego poziomu laserowego od pasma podstawowego ( cm -1, czyli około 3 kt w temperaturze pokojowej), co skutkuje dużą zależnością parametrów generacji od temperatury ośrodka oraz występowaniem dodatkowych strat reabsorpcyjnych związanych z częściowym obsadzeniem dolnego poziomu laserowego. Mechanizmy pompowania ośrodków QTP mogą być różnorodne. Ze względu na ilość oraz znaczne szerokości pasm energetycznych jonów holmu, opracowane w początkowym okresie lasery tego typu, w głównej mierze opierały się na kryształach kodomieszkowanych dodatkowo jonami erbu, chromu oraz tulu i były wzbudzane lampami wyładowczymi [26, 27, 28, 29]. Stosowanie tych domieszek czynnych podyktowane było koniecznością zapewnienia szerokopasmowej absorpcji promieniowania lampy przez kryształ, a następnie pośrednim (w znacznym stopniu bezpromienistym) transferem energii wzbudzenia do docelowych jonów holmu. Lasery takie mogły generować impulsy generacji swobodnej o czasie trwania rzędu ms jedynie z niedużą częstością powtarzania (do Hz). Uzyskanie trybu pracy CW w przypadku laserów wzbudzanych lampowo nie było możliwe z uwagi na bardzo znaczne ograniczenia termooptyczne wynikające ze skomplikowanej struktury quasi-trójpoziomowej [30]. Pojawienie się na rynku wydajnych diod laserowych o widmie generacji ( 795 nm) dopasowanym do pasma absorpcji jonów tulu pozwoliło na zdecydowanie efektywniejszy proces przekazywania energii pompującej do ośrodków kodomieszkowanych jedynie jonami tulu oraz holmu [31, 32, 33, 34]. Stosowanie dodatkowych domieszek (Cr, Er), jak to miało miejsce w przypadku pompowania lampami wyładowczymi, nie było już potrzebne, co skutkowało także znaczną redukcją obciążeń termicznych budowanych układów laserowych. Zastosowanie diod laserowych w procesie pompowania pośredniego w pasmo absorpcji jonów tulu skutkuje tym, że w wyniku absorpcji jednego kwantu promieniowania pompującego, wskutek relaksacji skrośnej (często spotyka się także pojęcie relaksacji krzyżowej) (CR - Cross Relaxation), następuje wzbudzenie górnego poziomu laserowego 3 F 4 dwoma jonami Tm. Proces ten pozwala na uzyskanie wysokich sprawności generacji, przyczyniając się do zwiększenia populacji górnego poziomu laserowego. Innymi słowy, w ośrodkach tulowych jeden kwant promieniowania pompującego z obszaru nm może generować dwa kwanty promieniowania laserowego na długości fali około 1,9 µm. Przy zapewnieniu właściwej koncentracji domieszki tulu i dobraniu odpowiednich parametrów promieniowania pompującego sprawność tego procesu może dochodzić do 2 λ p /λ gen = 80%. Oznacza to m.in., że defekt kwantowy, a więc i sprawność konwersji na ciepło w laserze tulowym, może wynosić około 20%, a więc mniej niż w klasycznych laserach neodymowych. Niestety, w przypadku ośrodków domieszkowanych jonami tulu w przedstawionym wyżej mechanizmie przekazywania energii zachodzi także szereg niekorzystnych zjawisk, jak np. efekty nieliniowej rekombinacji (typu up-konwersji czy absorpcji ze stanów wzbudzonych), które obserwujemy już dla niezbyt wysokich poziomów obsadzeń górnego poziomu laserowego. Szczegółowy schemat pompowania oraz układ poziomów energetycznych laserów stałych domieszkowanych jonami tulu przedstawiłem w [H10]. Główną przewagą diodowego schematu pompowania w stosunku do pompowania lampowego była dużo większa sprawność, jaką można było uzyskać, w pełni dopasowując widmo emisji diod laserowych do widma absorpcji ośrodka czynnego. Dopasowanie widmowe emisji diod laserowych 26 M.E. Storm, Appl. Opt. 27(20), , W. Żendzian et al., Proceedings of the 12th International Congress LASER 95, , R.M. Benmair et al., Opt Lett. 15(1), 36-38, M.G. Jani et al., Appl. Opt. 36(15), , M. Eichhorn, Applied Physics B, 93(2-3), , S. Chen et al., Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest, paper MD6, D. Bruneau et al., Appl. Opt. 37(36), , O.A. Louchev et al., Opt. Express 15(19), , P. Laporta et al., Opt. Laser. Eng. 37(5), , Zał. nr 2. Autoreferat Strona 11

12 do pasma absorpcji ośrodka czynnego domieszkowanego jonami tulu oraz holmu w znacznym stopniu poprawiało wydajność całego systemu, nawet jeśli energia dostarczana przez diody była znacznie mniejsza od całkowitej energii dostarczanej przez lampę. Wynikało to z tego, że tylko pewna część promieniowania wytwarzanego przez lampę była wykorzystywana w ośrodku laserowym do procesu generacji światła. Pozostała część energii lampy w głównej mierze przekształcana była w ciepło. Mimo przewagi stosowania półprzewodnikowych diod laserowych do pompowania ośrodków czynnych domieszkowanych jonami tulu i holmu, skomplikowane procesy transferu energii między tymi jonami znacząco wpływały na wydajność opracowywanych laserów [H10]. Schemat podwójnego lasera objętościowego z rozdzielonymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi jonami tulu oraz holmu okazał się kolejnym krokiem milowym w rozwoju laserów generujących promieniowanie powyżej 2 μm. W konstrukcjach laserów podwójnych zastosowano rozdzielone pompowanie diodowe lasera na ośrodku tulowym, którego wiązka wyjściowa (o długości fali około 1,9 μm) wzbudzała oddzielny ośrodek domieszkowany holmem. Dzięki fizycznemu rozdzieleniu jonów Tm i Ho w konstrukcjach takich nie pojawiają się pasożytnicze procesy występujące między tymi jonami, do których w szczególności należy zaliczyć transfer energii pomiędzy jonami Tm i Ho w wyniku up-konwersji (Tm:Ho ETU) [H10], mający dominujący wpływ na efektywność pracy lasera. Pierwsze tego typu układy opracowywane były w konstrukcji wewnątrzrezonatorowego pompowania ośrodków holmowych z zastosowaniem objętościowych ośrodków domieszkowanych jonami tulu [35, 36]. Ze względu na ograniczenia termooptyczne, moce ciągłe uzyskane z takich konstrukcji dochodziły do kilku watów, ponadto realizacja generacji impulsowej metodą przełączania dobroci okazała się praktycznie niemożliwa. Początek XXI wieku oraz intensywny rozwój techniki światłowodowej sprawił, że w wielu zastosowaniach lasery włóknowe zaczęły wypierać inne lasery, zwłaszcza jako źródła dużej mocy generujące w trybie CW. W tym czasie narodziła się też koncepcja laserów hybrydowych [ 37], której istota polega na zastosowaniu w jednym układzie dwóch laserów, z których pierwszy służy do wygenerowania wiązki pompującej dla drugiego, przy czym laser pompujący realizowany jest w technice światłowodowej, drugi zaś jest laserem objętościowym. Koncepcja laserów hybrydowych była kolejnym kamieniem milowym w rozwoju laserów domieszkowanych jonami holmu. Obecnie, dostępność gotowych komercyjnie laserów światłowodowych sprawiła, że konstrukcja lasera, w której objętościowy ośrodek czynny domieszkowany jonami Ho w krótkim rezonatorze pompowany jest za pomocą włóknowego lasera tulowego dużej mocy, jest rozwiązaniem bardzo często stosowanym. Lasery domieszkowane jonami tulu wykonane w technologii światłowodowej (Tm:fiber), ze względu na swoje parametry takie jak: niezawodność, wysoka sprawność generacji oraz niski próg wzbudzenia, dobre odprowadzenie ciepła - praca bez chłodzenia wodnego, łatwość sprzęgania z diodą pompującą, dobra jakość wiązki (M 2 ~ 1) przy dużej mocy generowanej, zaczęły masowo zdobywać popularność [38, 39]. W konstrukcjach hybrydowych, włóknowy laser pompujący, ze względu na bardzo wysoką sprawność generacji sięgającą kilkudziesięciu procent oraz jakość generowanej wiązki znakomicie spełnia funkcję źródła pompującego. Drugi z laserów (laser holmowy) ze względu na potencjalnie mały defekt kwantowy i ograniczoną dyfrakcyjnie wiązkę pompującą cechują bardzo wysoka sprawność i niski próg generacji. Jest to szczególnie istotne, gdy konieczne jest spełnienie dodatkowych wymagań, np. generacji impulsowej, możliwości przestrajania widma lub generacji jednoczęstotliwościowej. Lasery hybrydowe łączą w sobie zalety i w znacznym stopniu eliminują wady laserów objętościowych i włóknowych stosowanych oddzielnie. Zastosowanie konstrukcji włókna dwupłaszczowego (double clad) umożliwia wprowadzenie znacznych mocy wiązki pompującej generowanej przez matryce diod laserowych dużej mocy oraz uzyskanie znakomitej jakości wiązki wyjściowej. Konstrukcja lasera 35 C. Bollig, R.A. Hayward, W.A. Clarkson, and D.C. Hanna, Opt. Lett. 23, , M. Schellhorn, A. Hirth, and C. Kieleck, Opt. Lett. 28, , W.A. Clarkson, D.Shen, J.K.Sahu, Proc. SPIE, 6100, 61000A A-13, G. Frith, D.G. Lancaster, and S.D. Jackson, Electron. Lett., 41, 21-22, E. Slobodtchikov et al., Advanced Solid State Photonics, Post Deadline paper, Zał. nr 2. Autoreferat Strona 12

13 włóknowego pozwala na bardzo duże obniżenie efektów termooptycznych oraz uzyskiwanie wysokich gęstości mocy pompowania w całej objętości lasera, co jest szczególnie istotne w przypadku wydajnej generacji w ośrodkach quasi-trójpoziomowych, jakim jest na przykład ośrodek czynny domieszkowany jonami Tm 3+. Wysoka sprawność generacji włóknowych laserów tulowych wynika między innymi z możliwości pompowania włókien typowymi diodami laserowymi dużej mocy AlGaAs generującymi na długości fali około 790 nm. Aby uzyskać wydajną generację impulsową, konieczne jest zastosowanie możliwie najkrótszego rezonatora, a także duża powierzchnia wiązki na elementach lasera z uwagi na progi uszkodzenia elementów optycznych. Cechy te spełnia laser objętościowy o krótkiej bazie drugi składnik lasera hybrydowego. Z uwagi na bardzo mały defekt kwantowy (λ p / λ gen ) oraz bliską granicy dyfrakcyjnej objętość wiązki pompującej, wzbudzanie lasera objętościowego może zachodzić z bardzo wysoką sprawnością, a laser taki może generować promieniowanie o doskonałej jakości optycznej i bardzo dużej mocy średniej dochodzącej do kilkudziesięciu watów Opracowane lasery domieszkowane jonami tulu Laser Tm:YLF Podejmując próby opracowania lasera holmowego, podstawową sprawą jest zapewnienie odpowiedniego źródła pompującego. W pierwszych latach XXI wieku, gdy technologia laserów światłowodowych domieszkowanych jonami tulu nie była jeszcze wystarczająco rozwinięta, a dostępność tego typu źródeł była bardzo ograniczona, najwydajniejszymi układami pompującymi lasery domieszkowanych jonami holmu były tulowe lasery objętościowe. W okresie tym nastąpił gwałtowny rozwój laserów stałych domieszkowanych jonami tulu w różnych osnowach. Osobnym zagadnieniem były także badania przestrajania widma generowanych długości fal mające na celu określenie możliwości dopasowania ich widma emisji do pasma absorpcji wybranych ośrodków domieszkowanych jonami holmu. Badania przestrajania generacji w ośrodku czynnym Tm:BaY 2 F 8 zostały między innymi przedstawione w pracy [40], w której autorzy przedstawili możliwość generacji z zastosowaniem tego ośrodka czynnego w zakresie spektralnym nm, jednak z niewielką sprawnością. Na konferencji CLEO w roku 2008 zaprezentowano zakresy przestrajania laserów opartych na takich ośrodków czynnych jak: Tm:YAG ( nm), Tm:YAP ( nm), Tm:LuAG ( nm), Tm:GdVO 4 ( nm) [41]. Przedstawiono także zakres przestrajania ośrodka czynnego Tm:KGd(WO 4 ) 2 ( nm) [42]. Jedynym doniesieniem na temat możliwości przestrajania generowanej długości fali lasera opartego na ośrodku czynnym Tm:YLF ( nm) była publikacja [43], w którym to układzie ośrodek czynny pompowany był poprzecznie. Wśród kryształów domieszkowanych jonami holmu, ze względu na swoje właściwości spektroskopowe oraz fizyczne, najpopularniejszym ośrodkiem był wówczas Ho:YAG. Widmo absorpcji tego kryształu (1908 nm) pokrywało się z widmem generacji lasera Tm:YLF. Cechy te spowodowały intensywny rozwój różnych konstrukcji laserów opartych na ośrodkach Tm:YLF. Kryształ Tm:YLF charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem przewodności termicznej, co jest szczególnie istotne w przypadku konieczności opracowania lasera dużej mocy, bowiem generowane w ośrodku czynnym ciepło powinno być w sposób efektywny odprowadzone z układu. Ośrodek czynny Tm:YLF posiada także długi czas życia górnego poziomu laserowego (15,6 ms). Umożliwia to zgromadzenie dużej energii w układzie, co jest między innymi bardzo istotne w przypadku generacji impulsowej z zastosowaniem modulatorów dobroci rezonatora [ 44 ]. Pewną niedogodnością jest niestety niewielki współczynnik przekroju czynnego na absorpcję, jednak naturalna dwójłomność kryształu (możliwość generacji promieniowania liniowo spolaryzowanego) w połączeniu z ujemną wartością 40 G. Galzerano et al., Optics Letters 30(8), , L. Yu-Feng et al., paper CTuAA7, CLEO/QELS, San Jose, USA, V. Pietrov, IEEE J. Quantum Electron. 40(9), , A. Dergachev, et al., OSA TOPS 68, ASSL, pp , S.A. Payne et al., IEEE J. Quantum Electron. 28(11), ,1992. Zał. nr 2. Autoreferat Strona 13

14 współczynnika rozszerzalności cieplnej, który częściowo w naturalny sposób kompensuje wpływ wzrastającej z mocą pompy soczewki termicznej, czyni ten ośrodek jednym z najlepszych ośrodków domieszkowanych jonami tulu do wysokosprawnej generacji promieniowania laserowego zarówno w trybie pracy CW, jak i impulsowym. Impulsowe lasery Tm:YLF mogą być wykorzystywane jako pompy laserów Ho:YAG w układach przełączania wzmocnienia. Doniesienia literaturowe pokazywały, że zastosowanie diod laserowych o dużych mocach wyjściowych umożliwia uzyskanie wydajnej generacji w zakresie 1908 nm. W roku 2008 w Instytucie ISL (French-German Research Institute) [45], wykorzystując jako pompę optyczną dwa lasery półprzewodnikowe (792 nm) o mocach 35 W każdy oraz układ pompowania wzdłużnego, uzyskano prawie 30 W mocy wyjściowej CW ze sprawnością różniczkową około 50% z parametrem M 2 < 3. W przypadku ośrodka laserowego w postaci slabu i pompowania poprzecznego uzyskano generację o mocy wyjściowej 28 W CW na długości fali 1940 nm [46] oraz 68 W [47]. W układach tych parametr jakości wiązki znacznie różnił się w kierunkach do siebie prostopadłych, sprawiając, że takie układy były skomplikowane do użycia jako pompy do ośrodków domieszkowanych jonami holmu. W pracy [H1] przedstawiono konstrukcję modelu laboratoryjnego lasera Tm:YLF pompowanego wzdłużnie diodą laserową pracującego zarówno w trybie CW jak i impulsowym. Scharakteryzowano także zakres przestrajania lasera Tm:YLF. W tym układzie osobiście odpowiedzialny byłem za opracowanie i optymalizację parametrów wyjściowych generacji impulsowej w trybie przełączania dobroci rezonatora oraz częściowo za badania przestrajania generowanej długości fali. Jako ośrodek czynny zastosowano kryształ 3,5% Tm:YLF o wymiarach φ 3x10 mm (bez warstw antyrefleksyjnych). Do pompowania wykorzystano 25-W diodę z wyjściem światłowodowym generującą na długości fali 792 nm. Sprawność absorpcyjna kryształu wynosiła od 75% do 65% w zależności od mocy pompy. Aby ocenić jakość kryształu i układu pompowania, przeprowadzono wstępne badania dla krótkiego rezonatora o długości 70 mm. Przebadano charakterystyki energetyczne dla grupy zwierciadeł wyjściowych o T oc = 10%, 15%, 20%, 30% i promieniach krzywizny 300 mm i 500 mm. Najlepsze wyniki uzyskano dla zwierciadła o transmisji 15% i promieniu krzywizny 500 mm. Uzyskano powyżej 5 W mocy wyjściowej w trybie CW ze sprawnością różniczkową 25% w odniesieniu do mocy wejściowej. Środkowa długość fali 1908 nm widma generacji swobodnej lasera Tm:YLF z rezonatorem bez elementu dyspersyjnego nie zmieniała się z mocą pompy, co sprawia, że taki układ jest odpowiedni jako stabilna pompa dla lasera Ho:YAG. Szerokość widmowa generowanego promieniowania w trybie generacji swobodnej nie przekraczała 7 nm. W dalszej części badań wydłużono rezonator do 220 mm długości i umieszczono wewnątrz akustooptyczny modulator dobroci i (opcjonalnie) filtr dwójłomny Lyota. W trybie generacji swobodnej przeprowadzono badania przestrajania. Zastosowanie dwupłytkowego filtru Lyota umożliwiło uzyskanie zakresu przestrajania nm z szerokością widmową generowanego promieniowania poniżej 1 nm. W porównaniu z wcześniejszym doniesieniem [ 43] zaobserwowaliśmy znaczne przesunięcie zakresu możliwości generacyjnych ośrodka Tm:YLF w kierunku krótszych długości fal. Badania generacji impulsowej przeprowadziłem dla rezonatora o 220 mm długości ze zwierciadłem wyjściowym o 500 mm promieniu krzywizny i 15% transmisji. Dla najlepszego przypadku trybu pompowania quasi-cw (10 ms, 10 Hz częst. powt.) energia generowanych impulsów wynosiła około 10 mj z 22 ns czasem trwania, co odpowiadało około 0,45 MW mocy szczytowej. W trybie pompowania CW maksymalna moc pompy ze względu na ograniczenia termooptyczne wynosiła 20 W. Uzyskałem impulsy o ponad 220 kw mocy szczytowej i 10 mj energii dla 133 Hz repetycji. Dla częstości repetycji 2 khz uzyskałem ponad 12 kw mocy szczytowej i 1,26 mj energii z czasem trwania powyżej 100 ns. Kąt rozbieżności wiązki wynosił około 4,3 mrad oraz parametr M 2 < 1,3. Mimo bardzo dobrych parametrów energetycznych w trybie generacji impulsowej oraz jakościowych generowanego promieniowania, wykorzystanie opracowanego lasera Tm:YLF jako układu pompującego lasera Ho:YAG ze względu na niewielką moc wyjściową w trybie CW nie było możliwe. 45 M. Schellhorn, Applied Physics B 91(1), 71-74, A.Dergachev et al., IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron. 13,647, S. So et al., Appl. Phys. B 84(3), , Zał. nr 2. Autoreferat Strona 14

15 Laser Tm:fiber Równolegle z rozwojem różnych konstrukcji laserów stałych domieszkowanych jonami tulu trwał także nieprzerwany rozwój laserów światłowodowych opracowanych na bazie włókien tulowych. Opracowane przez czołowe ośrodki naukowe świata (m.in. University of Southampton) układy laserowe pokazywały potencjał takich rozwiązań. W ośrodku tym opracowano między innymi laser światłowodowy pompowany dwoma diodami laserowymi o łącznej mocy 40 W CW generujący promieniowanie wyjściowe o mocy 7 W [48]. Najistotniejszą cechą opracowanej konstrukcji była jednak możliwość przestrajania generowanej długości fali w zakresie nm. Zastosowanie w takich układach elementów dyfrakcyjnych służących do selekcji żądanej długości fali generacji, stwarza możliwość zastosowania światłowodowego lasera tulowego jako idealnej pompy do wielu różnych ośrodków holmowych posiadających pasma absorpcji w zakresie możliwości generacyjnych tulowych laserów światłowodowych. W roku 2005 w Instytucie Saint-Louis, z zastosowaniem elementów optyki objętościowej oraz diod pompujących o łącznej mocy wyjściowej 20 W CW opracowano światłowodowy laser tulowy o mocy wyjściowej 6 W [49]. Na przełomie dekady uzyskałem finansowanie na dwa projekty badawcze dotyczące laserów generujących w obszarze 2 µm: (Hybrydowy laser pompowany diodami generujący promieniowanie w obszarze 2-2,15 μm; PBW , oraz Przestrajalny laser impulsowy generujący promieniowanie w obszarze 2-2,15 μm wykonany w technologii hybrydowej; N N ). Dzięki temu miałem możliwość kontynuowania badań nad laserami w zakresie średniej podczerwieni oraz opracowania źródła laserowego wykonanego w technologii światłowodowej. Wstępne wyniki badań były między innymi prezentowane na międzynarodowej konferencji Recent Advances in Laser Spectroscopy and Laser Technology [50] oraz Międzynarodowej Wystawie Wynalazków [51]. Dalsze badania pokazały, że mimo braku odpowiedniego zaplecza technologicznego (spawarki światłowodowej, zintegrowanych elementów optyki światłowodowej), z zastosowaniem dwóch diod laserowych z wyjściem światłowodowym o mocach nieznacznie przekraczających 15 W CW, z zastosowaniem elementów optyki objętościowej udało się uzyskać generację promieniowania o mocy wyjściowej powyżej 10 W CW. Opracowany na bazie włókna światłowodowego typu double clad o długości 5 m (średnica rdzenia wewnętrznego 25 µm / NA 0,20; średnica oktagonalnego rdzenia zewnętrznego 250 µm / NA 0,46; średnica płaszcza zewnętrznego 400 µm), laser Tm:fiber generował promieniowanie o długości fali λ = 2008,2 nm (20 Hz) oraz λ = 2011,4 nm (CW), w zależności od trybu pracy. Dokonałem kompleksowej analizy takiej konstrukcji z uwzględnieniem trybu pompowania qcw oraz CW, z wykorzystaniem jednego lub dwóch modułów pompujących w różnych konfiguracjach. Modyfikacje układu polegały na zastosowaniu różnych układów optycznych formujących wiązkę lasera pompującego oraz układów sprzęgających generowane promieniowanie lasera Tm:fiber. Wykonałem kompleksowe badania energetyczne, widmowe oraz jakościowe wiązki wyjściowej lasera. Według mojej opinii był to pierwszy światłowodowy laser Tm:fiber opracowany w Polsce pracujący stabilnie w trybie CW, generujący promieniowanie wyjściowe o mocach przekraczających wartości 10 W o długości fali powyżej 2 µm [52]. Niestety, długość fali generowanej przez włókno laserowe w przypadku braku zintegrowanych z włóknem selektywnych, światłowodowych siatek Braga uniemożliwiała zastosowanie opracowanego źródła do układu pompowania lasera Ho:YAG. 48 W.A.Clarkson, et al., Optics Letters 27(22), , M. Eichhorn, Optics Letters 30(24), , J. Kwiatkowski, Ł. Gorajek, J.K. Jabczynski, W. Zendzian, Spectral and energetic properties of wide-bandwith Tm fiber laser, Recent Advances in Laser Spectroscopy and Laser Technology, Lodz, Poland, May J. Kwiatkowski, J.K. Jabczyński, W. Żendzian, Ł. Gorajek, Laser włóknisty domieszkowany tulem generujący promieniowanie w obszarze 2 µm, Międzynarodowa Wystawa Wynalazków (International Warsaw Invention Show)IWIS 2007, Warsaw, Poland, J. Kwiatkowski, Sprawozdanie końcowe z realizacji pracy badawczej nr N N , WAT, Zał. nr 2. Autoreferat Strona 15