załącznik nr 3 · 2019. 9. 25. · załącznik nr 3. autoreferat str. 6/33 do najważniejszych...

Załącznik Nr 3. Autoreferat

Str.1/33

Załącznik Nr 3

Autoreferat

Jarosław Młyńczak


Str.2/33

Spis treści 1. Imię i nazwisko .................................................................................................................................. 3 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe ............................................................................................... 3 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych .......................................... 3 4. Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego ............. 4

4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego ..................................................................................................... 4 4.2. Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego .................................................................... 4 4.3. Przedstawienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich

praktycznego zastosowania ........................................................................................................ 7 4.3.1. Wprowadzenie .................................................................................................................... 7 4.3.2. Mikrolasery – ośrodek aktywny i nasycalny absorber niepołączone termicznie .............. 11 4.3.2.1. Generacja cw ................................................................................................................ 11 4.3.2.2. Generacja impulsowa ................................................................................................... 12

4.3.3. Mikrolasery – ośrodek aktywny i nasycalny absorber połączone termicznie ................... 15 4.3.3.1. Opracowanie nowych szkieł fosforanowych ................................................................ 15 4.3.3.2. Generacja cw w nowo opracowanych szkłach fosforanowych .................................... 16 4.3.3.3. Opracowanie nowych nasycalnych absorberów Co2+:MgAl2O4 .................................. 17 4.3.3.4. Łączenie termiczne Er3+,Yb3+:glass z Co2+: MgAl2O4 .................................................. 18 4.3.3.5. Generacja impulsowa ................................................................................................... 19 4.3.3.6. Mikrolaser monolityczny .............................................................................................. 20

4.3.4. Podsumowanie .................................................................................................................. 22 5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych .............................................................. 23

5.1. Działalność w obszarze nowych materiałów do aplikacji laserowych ...................................... 23 5.2. Działalność w obszarze detekcji par alkoholu w poruszających się pojazdach ........................ 24 5.3. Działalność w obszarze detekcji skażeń biologicznych i chemicznych ..................................... 26 5.4. Działalność w obszarze biometrycznej kontroli osób ............................................................... 27 5.5. Działalność w ramach Akredytowanego Laboratorium Badawczego IOE WAT ....................... 28

6. Podsumowanie dorobku publikacyjnego i innych osiągnięć ............................................................ 29 6.1. Zbiorcze zestawienie publikacji i najważniejszych osiągnięć naukowo‐badawczych ............... 29 6.2. Czasopisma w bazie Journal Citation Reports z impact factor ................................................. 30 6.3. Czasopisma międzynarodowe i krajowe punktowane według listy MNiSW ............................ 31 6.4. Zestawienie najważniejszych otrzymanych nagród i wyróżnień .............................................. 31 6.5. Zestawienie tabelaryczne osiągnięć zgodnie z wymogami Rozporządzenia Ministra Nauki i

Szkolnictwa Wyższego .............................................................................................................. 32


Str.3/33

1. Imię i nazwisko Jarosław Młyńczak

2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe Stopień naukowy doktora nauk technicznych jednostka nadająca stopień: Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej data nadania stopnia: 8 października 2008 r. dyscyplina: elektronika specjalność: optoelektronika tytuł rozprawy: „Analiza efektywności generacji mikrolaserów „bezpiecznych dla oka” do

zastosowań w telemetrii” promotor rozprawy: gen. bryg. dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk recenzenci: dr hab. inż. Waldemar Żendzian

prof. dr hab. inż. Krzysztof M. Abramski praca obroniona z wyróżnieniem, otrzymała Nagrodę Ministra Obrony Narodowej za wyróżnioną pracę doktorską oraz dyplom Rektora Wojskowej Akademii Technicznej za obronę rozprawy doktorskiej z wyróżnieniem. Tytuł magistra inżyniera elektronika jednostka nadająca tytuł: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej data uzyskania tytułu: 21 czerwca 2002 r. kierunek: elektronika i telekomunikacja specjalność: urządzenia optoelektroniczne temat pracy magisterskiej: „Badania ośrodków aktywnych do mikrolaserów generujących

promieniowanie „bezpieczne dla oka”” promotor: płk dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk ocena ukończenia studiów: bardzo dobry z wyróżnieniem Praca zdobyła Nagrodę III Stopnia w Ogólnopolskim Konkursie im. Adama Smolińskiego na najlepszą pracę dyplomową w roku akademickim 2001/2002 z dziedziny optoelektroniki oraz została nagrodzona Dyplomem Dziekana Wydziału Elektroniki za uzyskanie wyróżnienia w konkursie na najlepszą pracę dyplomową. Świadectwo ukończenia studiów podyplomowych w zakresie pedagogiki miejsce ukończenia studiów: Wojskowa Akademia Techniczna data uzyskania świadectwa: 8 czerwca 2004 r.

3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych

2003 - 2009 - asystent; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie

2009 - obecnie - adiunkt; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie

Od lutego 2018 - kierownik Pracowni Urządzeń Laserowych Laboratorium Badawczego IOE WAT (laboratorium akredytowane przez Polskie Centrum Akredytacji)


Str.4/33

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. 2016 r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016r. poz. 1311) będące podstawą do wszczęcia i przeprowadzenia postępowania habilitacyjnego, habilitant przedstawia cykl publikacji powiązanych tematycznie ujętych pod wspólnym tytułem:

Mikrolasery o długości fali generacji 1,5 µm, kilohercowej częstotliwości repetycji i wysokiej mocy szczytowej impulsu

4.2. Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego Cykl publikacji powiązanych tematycznie tworzących wskazane osiągnięcie obejmuje:

[H1] J. Młyńczak, K. Kopczynski, Z. Mierczyk, M. Malinowska, P. Osiwiański, Comparison of cw laser generation in Er3+,Yb3+:glass microchip lasers with different types of glasses, Opto-Electronics Review, vol. 19, no. 4, pp. 491-495, 2011, DOI: 10.2478/s11772-011-0048-9, IF=0,966.

Udział habilitanta: 70% [H2] J. Młyńczak, K. Kopczynski, Z. Mierczyk, M. Malinowska, P. Osiwiański, Pulse

generation at 1.5 µm wavelength in new EAT14 glasses doped with Er3+ and Yb3+ ions, Opto-Electronics Review, vol. 20, no. 1, pp. 87-90, 2012, DOI: 10.2478/s11772-012-0003-4, IF=0,923.

Udział habilitanta: 70% [H3] J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk, M. Zygmunt, S. Natkański, M. Muzal,

J. Wojtanowski, P. Kirwil, M. Jakubaszek P. Knysak, W. Piotrowski, A. Zarzycka, A. Gawlikowski, Practical application of pulsed “eye-safe” microchip laser to laser rangefinders, Opto-Electronics Review, vol. 21, no. 3, pp. 332-337, 2013, DOI: 10.2478/s11772−013−0098−2, IF=1,279.

Udział habilitanta: 60% [H4] J. Mlynczak, N. Belghachem, “Laser generation in newly developed PAL77 and PAL80

glasses doped with Er3+ and Yb3+ ions”, Laser Physics, vol. 25, no. 5, pp. 1-5, 2015, DOI: 10.1088/1054-660X/25/5/055802, IF=1,102.

Udział habilitanta: 50% [H5] J. Mlynczak, N. Belghachem, High peak power generation in thermally bonded

Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 microchip laser for telemetry application, Laser Physics Letters, vol. 12, no. 4, pp. 45803-45807, 2015, DOI: 10.1088/1612-2011/12/4/045803, IF=2,391.

Udział habilitanta: 70%


Str.5/33

[H6] N. Belghachem, J. Mlynczak, Comparison of laser generation in thermally bonded and

unbonded Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 microchip lasers, Optical Materials, vol. 46, pp. 561-564, 2015, DOI: 10.1016/j.optmat.2015.04.068, IF=2,183.

Udział habilitanta: 50% [H7] J. Mlynczak, N. Belghachem, Monolithic thermally bonded Er3+,Yb3+:glass/Co2+:

MgAl2O4 microchip lasers, Optics Communications, vol. 356, pp. 166-169, 2015, DOI: 10.1016/j.optcom.2015.07.055, IF=1,480.

Udział habilitanta: 70% [H8] J. Mlynczak, N. Belghachem, K. Kopczynski, J. Kisielewski, R. Stepien,

M. Wychowaniec, J. Galas, D. Litwin, A. Czyzewski Performance analysis of thermally bonded Er3+,Yb3+:glass/Co2+:MgAl2O4 microchip lasers, Optical and Quantum Electronics, vol. 48, no. 4, art. 247, pp. 1-10, 2016, DOI: 10.1007/s11082-016-0508-z, IF=1,055.

Udział habilitanta: 60% Prace H1, H2 i H3 powstały w wyniku realizacji projektu rozwojowego nr O R00 0049 09 pt. „Opracowanie i wykonanie dalmierza "bezpiecznego dla oka" z zastosowaniem mikrolaserowego nadajnika 1,5 μm”, w którym pomysłodawcą oraz kierownikiem zadania dotyczącego budowy i badań mikrolasera był habilitant. Habilitant brał również udział w opracowaniu wniosku o projekt. Prace od H4 do H8 powstały w wyniku realizacji projektu w ramach Programu Badań Stosowanych finansowanego przez NCBR nr PBS1/B5/16/2012 pt. „Opracowanie warunków wytwarzania spinelu magnezowego MgAl2O4, skandowo-magnezowego ScMgAlO4 oraz szkła Er,Yb do zastosowania w mikrolaserach dalmierczych”, w którym pomysłodawcą i kierownikiem części realizowanej w IOE WAT był habilitant. Prace te były również w niewielkim stopniu finansowane przez projekt nr DOB-1-6/1/PS/2014, w którym habilitant był jednym z głównych wykonawców.

Głównym celem naukowym prowadzonych przez habilitanta badań było opracowanie źródeł promieniowania o długości fali generacji 1,5 µm, kilohercowej częstotliwości repetycji i wysokiej mocy szczytowej impulsu z wykorzystaniem zmodyfikowanych ośrodków laserowych. Aby osiągnąć wysokie moce szczytowe impulsu habilitant koncentrował swoją uwagę na zastosowaniu nowych ośrodków laserowych i pasywnych modulatorów (nasycalnych absorberów) o optymalnych parametrach fizyko-strukturalnych a także na optymalizacji początkowej transmisji pasywnego modulatora i współczynnika odbicia zwierciadła wyjściowego.

Celem badań habilitanta było również pogłębienie wiedzy na temat możliwości uzyskania znacznie większych mocy szczytowych w mikrolaserach w porównaniu do stanu ówczesnego. Analiza wyników badań przeprowadzonych przez habilitanta doprowadziła do sformułowania wniosków natury praktycznej odnośnie poprawy procesów technologicznych wytwarzania szkieł domieszkowanych erbem i iterbem, nasycalnych absorberów oraz ich termicznego łączenia na potrzeby generacji.

Badania przeprowadzone przez habilitanta dały jednoznaczną odpowiedź co do wyboru optymalnej konfiguracji parametrów szkła, nasycalnego absorbera oraz zwierciadeł dielektrycznych na potrzeby generacji w mikrolaserach monolitycznych Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4.

Pomimo wieloletnich prób stosowania szkieł o podobnym składzie przez inne zespoły badawcze, habilitant jako pierwszy uzyskał generacje impulsów o rekordowych mocach szczytowych.


Str.6/33

Do najważniejszych wyników uzyskanych przez Habilitanta i opisanych w publikacjach stanowiących 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. 2016 r. poz. 882 ze zm. w Dz. U. z 2016 r. poz. 1311) stanowiących jednocześnie istotny wkład autorski do nauki w obszarze dyscypliny naukowej elektronika, należą: Określenie wartości optymalnych parametrów opracowanych struktur dedykowanych

aplikacjom laserowym (skład chemiczny osnowy, koncentracja i skład domieszek, geometria i wymiary ośrodka aktywnego i nasycalnego absorbera),

Określenie optymalnej konfiguracji parametrów ośrodka aktywnego, nasycalnego absorbera oraz zwierciadeł dielektrycznych na potrzeby generacji w laserach monolitycznych,

Opracowanie metody projektowania opracowanych struktur dedykowanych aplikacjom laserowym.

Zastosowanie opracowanych struktur pozwoliło na: Opracowanie mikrolaserów z ośrodkiem aktywnym Er3+,Yb3+:szkło i z nasycalnym

absorberem Co2+: MgAl2O4 nie połączonych termicznie oraz uzyskanie rekordowej mocy szczytowej powyżej 4 kW w impulsie o czasie trwania 6 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji [H1, H2],

Opracowanie nowatorskiej głowicy mikrolaserowej z wykorzystaniem ośrodka aktywnego Er3+,Yb3+:szkło z pasywnym modulatorem Co2+: MgAl2O4 nie połączonych termicznie generującej impulsy o czasie trwania 10-12 ns, mocy szczytowej 1,1-1,6 kW oraz częstotliwości repetycji 1-4 kHz [H3],

Opracowanie nowatorskich mikrolaserów z ośrodkiem aktywnym Er3+,Yb3+:szkło termicznie połączonym z nasycalnym absorberem Co2+: MgAl2O4 i z zewnętrznymi zwierciadłami oraz uzyskanie rekordowej mocy szczytowej powyżej 7 kW w impulsie o czasie trwania 2,9 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji [H4, H5],

Opracowanie technologii wykonania szkieł, nasycalnych absorberów i ich termicznego łączenia w celu wykonania mikrolasera Er3+,Yb3+:szkło/Co2+: MgAl2O4 z zewnętrznymi zwierciadłami o znacznie lepszych parametrach od lasera z elementami rozłącznymi [H6, H8],

Opracowanie nowatorskiego mikrolasera monolitycznego Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 generującego rekordową moc szczytową powyżej 10 kW w impulsie o czasie trwania 3,2 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji [H7],

Opracowanie nowatorskiej głowicy mikrolaserowej z wykorzystaniem mikrolasera monolitycznego Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 generującej rekordową moc szczytową powyżej 10,5 kW w impulsie o czasie trwania 3,8 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji.

Opis wkładu habilitanta w powstanie poszczególnych prac został przedstawiony w Wykazie

opublikowanych prac naukowych i twórczych prac zawodowych oraz informacji o osiągnięciach dydaktycznych, współpracy naukowej i popularyzacji nauki stanowiącym załącznik nr 4 do Wniosku. Oświadczenia pozostałych współautorów wymienionych prac zostały przedstawione w załączniku nr 5 do Wniosku. Liczbowe zestawienie dorobku składającego się na osiągnięcie naukowe, o którym mowa w art. 16 ust. 2 ustawy (uwzględniające: Impact Factor (IF) wyszczególnionych artykułów wg roku publikacji, IF z roku 2017, średni 5-letni IF, punktację czasopism MNiSW, procentowy udział habilitanta w powstaniu wyszczególnionych artykułów) zostało przedstawione w tabeli 1. Impact Factor publikacji został ustalony na podstawie danych opublikowanych na stronie internetowej: https://jcr.incites.thomsonreuters.com z najnowszymi danymi na rok 2017. Punktacja MNiSW została wykonana na podstawie: „Wykazu czasopism naukowych wraz z liczbą punktów przyznawanych za publikacje w tych czasopismach”, który został opublikowany przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego komunikatem z dnia 25 stycznia 2017 r. i udostępniony na stronie internetowej Ministerstwa.


Str.7/33

Tab. 1. Liczbowe zestawienie dorobku

Oznaczenie pracy

IF (wg roku publikacji) IF (2017) IF (sredni 5 lat)

Punkty MNiSW

Udział [%]

H1 0,966 1,156 1,519 20 70 H2 0,923 1,156 1,519 20 70 H3 1,279 1,156 1,519 20 60 H4 1,102 1,158 0,916 30 50 H5 2,391 2,240 1,990 50 70 H6 2,183 2,320 2,339 35 50 H7 1,480 1,887 1,573 25 70 H8 1,055 1,168 1,088 25 60

Łącznie 11,379 12,241 12,463 225 62,5

4.3. Przedstawienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich praktycznego zastosowania

4.3.1. Wprowadzenie Źródła promieniowania „bezpiecznego dla oka” generujące promieniowanie w obszarze

długości fali 1,5 µm cieszą się ogromnym zainteresowaniem zarówno w obszarze naukowym jak i aplikacyjnym. Głównym powodem takiego zainteresowania jest fakt, że długość fali 1,5 m jest uważana za bezpieczną dla bezpośredniego patrzenia w wiązkę przy gęstościach energii kilka rzędów wielkości większych niż dla długości fali 1,06 m (laser YAG:Nd3+).

Dodatkowo promieniowanie to cechuje się korzystnymi charakterystykami transmisyjnymi w różnych ośrodkach. Dla tej długości fali występuje minimum absorpcji kwarcowych włókien światłowodowych. Ponadto promieniowanie o długości fali w zakresie 1,5-2 µm jest silnie pochłaniane przez niektóre zanieczyszczenia atmosfery i ośrodki biologiczne, a jednocześnie w tym zakresie transmisja atmosfery jest bardzo wysoka. Mając powyższe na uwadze potencjalne zastosowania laserów generujących promieniowanie „bezpieczne dla oka” obejmują takie obszary, jak telekomunikacja, teledetekcja (radary optyczne, skanery laserowe, pomiary odległości, zdalna detekcja zanieczyszczeń) i medycyna1. W przypadku takich aplikacji jak teledetekcja niezbędnym warunkiem pracy jest zapewnienie bezpieczeństwa personelu obsługującego urządzenie laserowe jak i osób postronnych. Ponadto zasięg detekcji takiego urządzenia silnie zależy od energii w impulsie oraz mocy szczytowej impulsu laserowego. Stąd niezbędnym elementem w procesie projektowania urządzenia jest znalezienie kompromisu pomiędzy bezpieczeństwem a zasięgiem. Zatem zastosowanie promieniowania o długości fali 1,5 µm przy tym samym poziomie bezpieczeństwa zdecydowanie wydłuża zasięg urządzenia. W celu dodatkowego zwiększenia zasięgu można zastosować technikę detekcji synchronicznej dzięki generacji impulsów z dużą częstotliwością2.

W przypadku aplikacji teledetekcyjnych, w szczególności militarnych, źródło promieniowania powinno charakteryzować się prostą i zwartą konstrukcją oraz niewielką wrażliwością na wibracje i niskim poborem mocy. Cechy te są szczególnie istotne w przypadku kompaktowych urządzeń ręcznych tzw. „hand-held”. W systemach lidarowych generowane impulsy powinny się cechować dobrą jakością optyczną wiązki w celu zapewnienia dobrej rozdzielczości obrazowania, krótkim czasem trwania impulsu, aby zapewnić dużą dokładność, wysoką energią w impulsie, aby zapewnić duży zasięg oraz dużą częstotliwością repetycji impulsów, aby zapewnić dużą szybkość skanowania. Natomiast w systemach dalmierczych, w zależności od zastosowanej obróbki sygnału, źródło promieniowania powinno generować impulsy o energii rzędu µJ i częstotliwości repetycji rzędu kHz

1 R. Fluck, U. Keller, E. Gini, H. Melchior, Eyesafe pulsed microchip laser, OSA TOPS Advanced Solid State Lasers, Vol. 19, pp. 146-149, 1998. 2 J. Marczak, R. Ostrowski, M. Zygmunt, Z. Mierczyk, A. Młodzianko, A. Gawlikowski, M. Wypych, Wojskowe dalmierze laserowe, Biul. WAT, Vol. LI, Nr 6, 21, 2002.


Str.8/33

(generacja ciągu impulsów) lub energii rzędu mJ i częstotliwości repetycji do kilku Hz (generacja pojedynczych impulsów).

Spośród wielu kierunków prowadzonych prac perspektywiczne wydają się konstrukcje laserowe z pasywną modulacją dobroci rezonatora ze szklanymi lub krystalicznymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi erbem i iterbem.

Pompując wzdłużnie szkło wzbogacone iterbem - Concentrated Glass - oraz używając jako pasywny modulator kryształ Co2+:MgAl2O4 otrzymano generację impulsową o mocy szczytowej impulsu 2 kW, czasie trwania impulsu 2,3 ns i częstotliwości repetycji w zakresie kilku kHz3. Generację impulsową uzyskano również pompując wzdłużnie szkło SELG trwale połączone z pasywnym modulatorem Co2+:MgAl2O4. Uzyskana moc szczytowa impulsu wynosiła 1,6 kW, czas trwania impulsu 5 ns a częstotliwość repetycji mieściła się w granicach 1-25 kHz w zależności od mocy pompy4. Habilitant w swojej wcześniejszej pracy, używając opracowanych i wykonanych przez firmę Cobolt mikrolaserów, uzyskał generację impulsów o mocy szczytowej do 4,7 kW, czasie trwania powyżej 4 ns i kilohercowej repetycji5. Stosując szkło QX/Er i kryształ Co2+:MgAl2O4 firma KIGRE opracowała laser generujący moc szczytową 660 kW, czasie trwania impulsu 6 ns i częstotliwości repetycji impulsów tylko do 10 Hz. Szkło było w tym przypadku pompowane bocznie linijką diod6. Taki układ jest zdecydowanie bardziej skomplikowany i droższy niż w przypadku pompowania wzdłużnego pojedynczą diodą i ponadto wymaga odpowiedniego chłodzenia. Natomiast pompując to szkło wzdłużnie diodą laserową i stosując kryształ Co2+:MgAl2O4 uzyskano impulsy o mocy 2,2 kW, czasie trwania impulsu 7,4 ns i częstotliwości repetycji 0,8 kHz7.

W przypadku ośrodków krystalicznych generację impulsową uzyskano w krysztale GdCOB z pasywnym modulatorem Co2+:MgAl2O4. Ośrodek był pompowany wzdłużnie linijką diod laserowych w rodzaju pracy quasi-cw (czas trwania impulsu 2 ms i częstotliwość repetycji w zakresie kilku-100 Hz). Uzyskane impulsy promieniowania posiadały moc szczytową około 0,5 kW, czas trwania 5-6 ns oraz częstotliwość repetycji 100 kHz8. Generację impulsową uzyskano również w krysztale YVO. Moc szczytowa impulsu wynosiła 30 W a czas trwania impulsu 150 ns9. Stosując kryształ LuAB oraz kryształ Co2+:MgAl2O4 jako pasywny modulator uzyskano impulsy o mocy szczytowej 1,16 kW, czasie trwania impulsu 14 ns i częstotliwości repetycji 41 kHz10. Kolejnym kryształem, w którym uzyskano generację impulsową jest kryształ YAB. Jako pasywnego modulatora użyto Co2+:MgAl2O4. Uzyskano impulsy o mocy szczytowej 0,7 W, czasie trwania 256 ns i częstotliwości repetycji 96 kHz11. Możliwość generacji impulsowej potwierdzono również z użyciem kryształu SLuB. Ponownie kryształ Co2+:MgAl2O4 został użyty jako pasywny modulator. Moc szczytowa impulsu wynosiła 333 W, czas trwania impulsu 48 ns a częstotliwość repetycji 5-21 kHz12. W tabeli 2 przedstawiono parametry generacyjne laserów z pasywną modulacją dobroci rezonatora ze szklanymi i krystalicznymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi erbem i iterbem.

Spośród przedstawionych układów laserowych ze szkłem fosforanowym lub krystalicznymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi erbem i iterbem i z pasywną modulacją dobroci rezonatora zdecydowanie najlepszymi możliwościami generacyjnymi cechuje się szkło fosforanowe Concentrated Glass i SELG oraz kryształ Co2+:MgAl2O4 jako nasycalny absorber. Dla laserów wykonanych

3 G. Karlsson, V. Pasiskevicius, F. Laurell, J. A. Tellefsen,B. Denker, B. I. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Diode-pumped Er-Yb:glass laser passively Q switched by use of Co2+:MgAl2O4 as a saturable absorber, Applied Optics, Vol. 39, pp. 6188-6192, 2000. 4 G. Karlsson, F. Laurell, J. Tellefsen, B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping, Applied Physics B: Lasers and Optics, Vol. 75, pp. 41-46, 2002. 5 J. Młyńczak, K. Kopczyński, Z. Mierczyk, Badania generacyjne mikrolaserów Glass:Er3+,Yb3+/Co2+:MgAl2O4, Biuletyn WAT, Vol. LVII, Nr. 4, s. 401-412, 2008. 6 Dane katalogowe firmy KIGRE 7 S. Feng, W. Zhao-Hui, L. Shu-Jing, C. Hong, T. Jian-Guo, Z. Guang-Yin, B. Denker, S. Sverchkov, A passive q-switched microchip Er/Yb glass laser pumped by laser diode, Chinesse Physics Letters, vol. 23, no. 5, pp. 1195-1197, 2006. 8 J. E. Hellstrom, G. Karlsson, V. Pasiskevicius, F. Laurell, B. Denker, S. Sverchkov, B. Galagan, L. Ivleva, Passive Q-switching at 1.54 μm of an Er-Yb:GdCa4O(BO3)3 laser with Co2+:MgAl2O4 saturable absorber, Applied Physics B: Lasers and Optics, Vol. 81, pp. 49-52, 2005. 9 N.A. Tolstik, A.E. Troshin, S.V. Kurilchik, V.E. Kisel, N.V. Kuleshov, V.N. Matrosov, T.A. Matrosova, M.I. Kupchenko, Spectroscopy, continuous-wave and Q-switched diode-pumped laser operation of Er3+,Yb3+:YVO4 crystal, Applied Physics B, Vol. 86, no. 2, pp 275-278, 2007 10 Y. Chen, Y. Lin, Y. Zou, Z. Luo, Y. Huang, Passively Q-switched 1.5-1.6 µm Er3+: Yb3+:LuAl3(BO3)4Co2+:MgAl2O4 saturable absorber, Optics Express, Vol. 20 (9), pp. 9940-9947, 2012 11 Y. Chen, Y. Lin, Y. Zou, J. Huang, X. Gong, Z. Luo, Y. Huang, Diode-pumped 1.5-1.6 µm laser operation in Er3+ doped YbAl3(BO3)4 microchip, Optics Express, Vol. 22 (11), pp. 13969-13974, 2014. 12 Y. Chen, J. Huang, Y. Zou, Y. Lin, X. Gong, Z. Luo, Y. Huang, Diode-pumped passively q-switched Er3+:Yb3+:Sr3Lu2(BO3)4 laser at 1534 nm, Optics Express, Vol. 22 (7), pp. 8333-8338, 2014


Str.9/33

z wykorzystaniem tych ośrodków pompowanych wzdłużnie i generujących ciąg impulsów maksymalna moc szczytowa impulsu sięgała około 2 kW przy czasach trwania impulsu kilka ns. Natomiast testowane przez habilitanta mikrolasery firmy Cobolt generowały impulsy o mocy szczytowej do 4,7 kW i czasie trwania powyżej 4 ns.

Tab. 2. Parametry generacyjne laserów z pasywną modulacją dobroci rezonatora ze szklanymi

i krystalicznymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi erbem i iterbem

Ze względu na szersze możliwości aplikacyjne laserów generujących ciągi impulsów

habilitant zdecydował się na podjęcie badań właśnie w tym zakresie. Habilitant w swojej pracy doktorskiej zajmował się analizą efektywności generacji mikrolaserów „bezpiecznych dla oka”. Badał różne ośrodki aktywne (szklane i krystaliczne) pod kątem generacji ciągłej, a także pasywne modulatory dobroci rezonatora (Co2+:YAG i Co2+:ZnSe). Testował również mikrolasery impulsowe firmy Cobolt. Dokonując oceny uzyskanych w doktoracie wyników według kryterium możliwości aplikacji mikrolaserów w laserowych systemach teledetekcyjnych, w szczególności w systemach militarnych, należy zauważyć, że badane mikrolasery miały ograniczone możliwości aplikacyjne z uwagi na zbyt niskie moce szczytowe generowanych impulsów. Opisane w doktoracie, dostępne laboratoryjnie i rynkowo mikrolasery generowały impulsy o mocach szczytowych 2 kW przy czasach trwania impulsu kilka ns, a najwyższy światowy wynik potwierdzony w testach laboratoryjnych przez habilitanta dla mikrolaserów firmy Cobolt wynosił do 4,7 kW przy czasie trwania impulsu powyżej 4 ns. W związku z tym pojawiła się potrzeba podjęcia badań zarówno w zakresie nowych ośrodków laserowych o zoptymalizowanych parametrach jak i modulatorów oraz konstrukcji mikrolaserów pozwalających na generację impulsów o mocach szczytowych rzędu kilkunastu kW, czasach trwania impulsu kilka ns oraz kilohercowej repetycji. Tylko takie mikrolasery mogą efektywnie spełnić wymagania systemów teledetekcyjnych średniego zasięgu.

Z analizy osiągnięć światowych wynikało, że nie istnieją mikrolasery o odpowiednich parametrach, charakteryzujące się jednocześnie długością rezonatora do kilku mm, pompowaniem wzdłużnym za pomocą laserowych diod ciągłego działania o mocy do 1W, bez aktywnego chłodzenia zarówno diod jak i samego lasera, a stąd prostą i kompaktową budową.

W związku z powyższym dla zastosowania w specjalnych systemach teledetekcyjnych pojawiła się konieczność opracowania mikrolaserowych głowic generujących nanosekundowe impulsy o mocy szczytowej kilkanaście kW i kilohercowej częstotliwości repetycji, będących

Ośrodek aktywny

pompowanie Rodzaj generacji

Czas trwania impulsu

[ns]

Moc impulsu

[kW]

Energia impulsu

[µJ]

Częstotliwość repetycji impulsów

[kHz]

Rok publikacji

autor

szkło wzdłużne ciąg impulsów

2,3 2 4,6 kilka 2000 Karlsson


5 1,6 8,0 1-25 2002 Karlsson


7,4 2,2 16,3 0,8 2006 Feng


4 4,7 18,8 1,4 2008 Mlynczak

szkło wzdłużne pojedynczy impuls

5 40 200 do 0,01 - Kigre

szkło boczne pojedynczy impuls

6 660 3960 do 0,01 - Kigre

Kryształ GdCOB

wzdłużne ciąg impulsów

6 0,5 3 100 2005 Hellstrom

Kryształ YVO


150 0,03 4,5 19 2007 Tolstik

Kryształ LuAB


14 1,16 16,2 41 2012 Chen

Kryształ YAB


256 0,7 179,2 96 2014 Chen

Kryształ SLuB


48 0,33 15,8 do 21 2014 Chen


Str.10/33

optymalnym źródłem promieniowania do systemów o zasięgu do kilkunastu km. Potencjalnym sposobem na uzyskanie tak dużych mocy szczytowych jest zwiększenie energii impulsu i skrócenie jego czasu trwania, a także optymalizacja początkowej transmisji nieliniowego absorbera i współczynnika odbicia zwierciadła wyjściowego ze względu na moc szczytową. Ponadto do osiągnięcia tego celu może przyczynić się opracowanie i zastosowanie nowych ośrodków laserowych. W przypadku zastosowań mikrolaserowych ośrodek aktywny musi być optymalizowany na duże obciążenia termiczne oraz posiadać relatywnie duży współczynnik absorpcji. Powyższe aspekty stały się powodem do podjęcia przez habilitanta badań w celu:

Opracowania mikrolaserów o długości fali generacji 1,5 µm, kilohercowej częstotliwości repetycji i wysokiej mocy szczytowej

impulsu w zmodyfikowanych ośrodkach szklanych Wyniki badań uzyskane przez habilitanta zostały potwierdzone przez prace innych zespołów

naukowych opublikowane w ostatnim czasie (po publikacjach habilitanta). Stosując szkło erbowe oraz nasycalny absorber MALO uzyskano generację ciągu impulsów o czasie trwania 2,5 ns, mocy szczytowej 9,6 kW oraz częstotliwości repetycji 2 kHz13. Stosując szkło erbowe oraz nasycalny absorber MALO dla przypadku generacji pojedynczego impulsu, uzyskano pojedyncze impulsy o czasie trwania 10,5 ns i mocy szczytowej 66 kW14 oraz pojedyncze impulsy o czasie trwania 10 ns i mocy szczytowej 100 kW15. Opracowano również dostępne komercyjnie głowice laserowe generujące pojedyncze impulsy. Firma MegaWatt Lasers opracowała głowicę laserową na szkle erbowym generującą pojedyncze impulsy o czasie trwania 4 ns i mocy szytowej 50 kW16. Również prace nad nowymi krystalicznymi ośrodkami aktywnymi są kontynuowane. Stosując kryształ GAB oraz nasycalny absorber MALO uzyskano generację ciągu impulsów o czasie trwania 12 ns, mocy szczytowej 1,56 kW i częstotliwości repetycji 32 kHz17 oraz o czasie trwania 4 ns, mocy szczytowej 3,75 kW i częstotliwości repetycji 21 kHz18. W tabeli 3 przedstawiono parametry generacyjne laserów z pasywną modulacją dobroci rezonatora ze szklanymi i krystalicznymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi erbem i iterbem uzyskane po publikacjach habilitanta.

Tab. 3. Parametry generacyjne laserów z pasywną modulacją dobroci rezonatora ze szklanymi

i krystalicznymi ośrodkami aktywnymi domieszkowanymi erbem i iterbem uzyskane po publikacjach habilitanta

13 K.N.Gorbachenya, V.E.Kisel, A.S.Yasukevich, , T.Lipinskas, A.Galinis, D.Miksys, V.V.Maltsev, N.I.Leonyuk, N.V.Kuleshov, Monolithic 1.5 μm Er,Yb:GdAl3(BO3)4 eye-safe laser, Optical Materials, Vol. 88, pp 60-66, 2019 14 V V Vitkin, V M Polyakov, A A Kharitonov, V A Buchenkov, A Yu Rodionov, A A Zhilin, O S Dymshits, P A Loiko, Compact 0.7 mJ/11 ns eye-safe erbium laser, Laser Physics, Vol. 26, No. 12, pp.1-6, 2016 15 K.N.Gorbachenya, V.E.Kisel, A.S.Yasukevich, , T.Lipinskas, A.Galinis, D.Miksys, V.V.Maltsev, N.I.Leonyuk, N.V.Kuleshov, Monolithic 1.5 μm Er,Yb:GdAl3(BO3)4 eye-safe laser, Optical Materials, Vol. 88, pp 60-66, 2019 16 http://www.megawattlasers.com 17 K.N. Gorbachenya, V.E. Kisel, A.S. Yasukevich, V.V. Maltsev, N.I. Leonyuk, N.V. Kuleshov, Eye-safe 1.55 μm passively Q-switched Er,Yb:GdAl3(BO3)4 diode-pumped laser, Optics Letters, vol. 41, Issue 5, pp. 918‐921, 2016. 18 K.N.Gorbachenya, V.E.Kisel, A.S.Yasukevich, , T.Lipinskas, A.Galinis, D.Miksys, V.V.Maltsev, N.I.Leonyuk, N.V.Kuleshov, Monolithic 1.5 μm Er,Yb:GdAl3(BO3)4 eye-safe laser, Optical Materials, Vol. 88, pp 60-66, 2019

Ośrodek aktywny

pompowanie

Rodzaj generacji

Czas trwania impulsu

[ns]

Moc impulsu

[kW]

Energia impulsu

[µJ]

Częstotliwość repetycji impulsów

[kHz]

Rok publikacji

autor

szkło wzdłużne ciąg impulsów 2,5 9,6 24,0 2 2019 Gorbachenyaszkło wzdłużne pojedynczy

impuls 10,5 66 693,0 0,001 2016 Vitkin


10 100 1000,0 - 2019 Gorbachenya


4 50 200,0 do 0,01 - MegaWatt Lasers

Kryształ GAB

wzdłużne ciąg impulsów 12 1,56 18,72 32 2016 Gorbachenya

Kryształ GAB

wzdłużne ciąg impulsów 4 3,75 15,0 21 2019 Gorbachenya


Str.11/33

4.3.2. Mikrolasery – ośrodek aktywny i nasycalny absorber niepołączone termicznie

4.3.2.1.GeneracjacwBiorąc pod uwagę analizę literaturową i możliwości generacyjne różnych ośrodków

laserowych do opracowania mikrolaserów habilitant zdecydował się zastosować nowe szkła fosforanowe EAT14 opracowane przez firmę C-Laser. Generacja laserowa w tym szkle została po raz pierwszy opisana przez habilitanta [H1]. Habilitant wykonał badania próbek szkła EAT14 o różnych długościach i różnych koncentracjach jonów Er3+ i Yb3+. Długość ośrodków aktywnych oraz koncentracje domieszek zostały określone przez habilitanta a firma C-Laser wykonała je zgodnie z tymi wymaganiami. Na próbki nałożono odpowiednie pokrycia cienkowarstwowe zaprojektowane przez habilitanta tak, jak pokazano schematycznie na rysunku 1. Z jednej strony nałożono warstwy antyrefleksyjne (AR) dla promieniowania pompującego 976 nm i całkowicie odbijające (HR) dla promieniowania generowanego 1535 nm. Z drugiej strony nałożono warstwy antyrefleksyjne (AR) dla promieniowania generowanego 1535 nm. Habilitant zastosował zwierciadła wyjściowe o różnym współczynniku odbicia 98,7 %, 98,1 %, 97,6 %, i 96,5 %. Badania habilitant przeprowadził w konfiguracji laserowej schematycznie przedstawionej na rysunku 2. Do pompowania habilitant zastosował diodę laserową z wyjściem światłowodowym.

Rys. 1. Schemat próbki szkła z pokryciami cienkowarstwowymi

Rys. 2. Schemat konfiguracji laserowej do badań charakterystyk generacji ciągłej

Rys. 3. Charakterystyka generacyjna pracy quasi-cw

Dla badanych próbek szkieł habilitant wyznaczył zależność mocy promieniowania

generowanego od mocy promieniowania pompującego padającego na ośrodek dla rodzjów pracy cw i quasi-cw (czas trwania impulsu pompującego 10 ms i okres 20 ms). Badania te pozwoliły na doświadczalne wyznaczenie optymalnych długości i koncentracji jonów Er3+ i Yb3+ w badanym szkle EAT14. Przykładową charakterystykę generacyjną w rodzaju pracy quasi-cw dla najlepiej generującej próbki o długości 1,5 mm i koncentracjach jonów Yb3+ 1,6·1021 cm-3 (wyznaczona przez habilitanta, producent podawał wartość 2·1021 cm-3) i jonów Er3+ 1·1020 cm-3 dla zwierciadła o współczynniku odbicia 97,6% pokazano na rysunku 3. Próg generacji oraz sprawność różniczkowa dla badanej próbki szkła wynosiły odpowiednio 165 mW i 22,8% i są porównywalne z wynikami światowymi dla szkieł fosforanowych. Mając na uwadze wyniki przedstawionych badań można przypuszczać, że najbardziej efektywną generacją impulsową będzie się cechować szkło EAT14 o długości 1,5 mm


Str.12/33

i koncentracjach jonów Yb3+ 1,6·1021 cm-3 i jonów Er3+ 1·1020 cm-3. Wyznaczona przez habilitanta optymalna długość jest wartością zbliżoną do drogi absorpcji w tym szkle. Można zatem przyjąć, że optymalna długość ośrodka aktywnego jest równa drodze absorpcji.

Podsumowując, habilitant określił podstawowe parametry szkieł EAT14 takie jak

koncentracje domieszek i wymiary, zaprojektował zwierciadła i pokrycia cienkowarstwowe (producent wykonał szkła zgodnie z tymi wymaganiami), opracował koncepcje badań eksperymentalnych, dokonał wyboru elementów do budowy układów laboratoryjnych, zbudował układy laboratoryjne i zaprojektował metody pomiarowe, a następnie przeprowadził badania generacji cw mikrolaserów z wykorzystaniem opracowanych szkieł.

Na podstawie powyższych wyników badań habilitant wyznaczył optymalne wartości koncentracji domieszek oraz wymiary ośrodka aktywnego pozwalające na efektywną generację w badanych mikrolaserach. Ponadto, habilitant jako pierwszy na świecie zaprezentował wyniki generacji w szkłach EAT14 [H1].

4.3.2.2.Generacjaimpulsowa Kolejnym krokiem w pracach habilitanta było przeprowadzenie badań generacji impulsowej

w szkle EAT14 stosując kryształ Co2+:MgAl2O4 (MALO) jako pasywny modulator [H2]. Habilitant przebadał najbardziej efektywne próbki szkła EAT14 w kombinacji z próbkami MALO o różnej grubości (346 µm, 258 µm, 171 µm, 85 µm) i zarazem transmisji dla małych sygnałów (96%, 97%, 98%, 99%). Na kryształy MALO nałożono odpowiednie pokrycia cienkowarstwowe zaprojektowane przez habilitanta tak, jak schematycznie pokazano na rysunku 4. Z jednej strony nałożono warstwy antyrefleksyjne (AR) dla promieniowania generowanego 1535 nm. Z drugiej strony nałożono zwierciadła wyjściowe częściowo przepuszczalne dla promieniowania generowanego 1535 nm o różnym współczynniku odbicia (95,5%, 96,5%, 97,5%, 98,5%).

Przedstawione wartości transmisji dla małych sygnałów pasywnego modulatora oraz wartości współczynnika odbicia zwierciadła wyjściowego zostały zaproponowane przez habilitanta na podstawie procedury optymalizacyjnej Degnana19 uzupełnionej o optymalizację mocową Żendziana20, wspomnianej również w artykule, którego współautorem był habilitant21. W procedurze tej habilitant założył straty dyssypacyjne w zakresie 0,001 – 0,02 oraz zredukowany współczynnik wzmocnienie w zakresie 0,1-0,3 cm-1. W wyniku przeprowadzenia optymalizacji mocowej dla różnych kombinacji tych wartości z przedstawionego zakresu wyznaczone przez habilitanta wartości transmisji dla małych sygnałów pasywnego modulatora mieściły się w zakresie 95,7%-98,9% a wartości współczynnika odbicia zwierciadła wyjściowego w zakresie 96,9%-99,1%.

Badania generacyjne habilitant przeprowadził w konfiguracji laserowej schematycznie przedstawionej na rysunku 5 w rodzaju pracy quasi-cw (czas trwania impulsu pompującego 10 ms i okres 20 ms).

Rys. 4. Schemat próbki MALO z pokryciami cienkowarstwowymi

Rys. 5. Schemat konfiguracji laserowej do badań charakterystyk generacji impulsowej

19 J. J. Degnan, Optimization of Passively Q-Switched Lasers, J. of Quant. Electron., vol. 31, no. 11, pp. 1890, 1995. 20 W. Żendzian, Optimization of energetic parameters of passively Q-switched lasers, Optica Applicata, vol. XXX, no. 2-3, pp. 383-399, 2000. 21 J. Mlynczak, K. Kopczynski, Z. Mierczyk Optimization of Passively Repetitively Q-Switched Three-Level Lasers, Journal of Quantum Electronics, Vol. 44, No. 12, pp. 1152-1157, 2008.


Str.13/33

Habilitant uzyskał generację impulsową dla wszystkich kombinacji ośrodka aktywnego oraz nasycalnego absorbera i wyznaczył charakterystyki generacyjne. Podobnie jak dla generacji cw najlepsze wyniki uzyskał dla szkła EAT14 o długości 1,5 mm i koncentracjach jonów Yb3+ 1,6·1021 cm-3 i jonów Er3+ 1·1020 cm-3. Charakterystyki generacyjne dla tego szkła i pięciu różnych nasycalnych absorberów pokazano na rysunku 6. Najbardziej efektywną generację habilitant uzyskał dla nasycalnego absorbera o transmisji dla małych sygnałów równej 99% oraz odbiciu zwierciadła wyjściowego równym 97,5%. Laser generował impulsy o mocy szczytowej powyżej 4 kW, czasie trwania 6 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji (oscylogram pojedynczego impulsu pokazano na rysunku 7, a ciąg kilkudziesięciu impulsów na rysunku 8). Sprawność generacji wynosiła 18,2% a próg generacji 216 mW. Energia oraz moc szczytowa impulsu wyznaczane były na podstawie pomiarów średniej mocy generacji, częstotliwości repetycji i czasu trwania impulsu. Można zauważyć, że parametry generacyjne znacznie się różnią przy względnie niewielkiej zmianie (nawet 0,5 %) transmisji nasycalnego absorbera dla małych sygnałów i transmisji zwierciadła wyjściowego. Dlatego należy zachować szczególną dokładność przy wykonywaniu pokryć cienkowarstwowych czy nasycalnych absorberów do mikrolaserów.

Rys. 6. Charakterystyki generacyjne dla pięciu różnych absorberów

Rys. 7. Oscylogram pojedynczego impulsu

Rys. 8. Ciąg kilkudziesięciu impulsów Podsumowując, habilitant określił podstawowe parametry nasycalnych absorberów

i ośrodków aktywnych takie jak koncentracje domieszek i wymiary, zaprojektował zwierciadła i pokrycia cienkowarstwowe, (producenci wykonali szkła i nasycalne absorbery zgodnie z tymi wymaganiami), wyznaczył zbiór wartości transmisji dla małych sygnałów nasycalnego absorbera oraz wartości transmisji zwierciadła wyjściowego a następnie eksperymentalnie wybrał najlepsze z nich, opracował koncepcję badań eksperymentalnych, dokonał wyboru elementów do budowy układów laboratoryjnych, zbudował układy laboratoryjne i zaprojektował metody pomiarowe.

Habilitant przeprowadził badania generacji impulsowej w szkłach EAT14 z nasycalnym absorberem MALO. Uzyskana rekordowa szczytowa moc impulsu powyżej 4 kW jest największą jaką w tym czasie uzyskano w mikrolaserach w których zastosowano szkło z pasywnym modulatorem MALO niepołączone termicznie [H2].


Str.14/33

Wyniki badań generacji impulsowej posłużyły do opracowania przez habilitanta głowicy mikrolaserowej. [H3]. W celu wyboru odpowiedniego źródła promieniowania pompującego habilitant przebadał kilka dostępnych komercyjnie diod z wyjściem światłowodowym pod względem mocy, długości fali, rozkładu intensywności w wiązce oraz zmiany długości fali w funkcji zmiany temperatury. Zmiana długości fali w zależności od temperatury badanych diod wynosiła 0,3 nm/°C. Dla diod generujących długość fali ok. 976 nm w temperaturze 18°C zmiana długości fali w zakresie temperatur 5°C - 25°C wynosiła od 972 nm do 978 nm co nadal mieści się w paśmie absorpcji ośrodka aktywnego. Habilitant przebadał również różne układy optyczne do formowania wiązki pompującej, aby wybrać najbardziej optymalny. Bazując na wynikach badań przedstawionych w pracy [H2] do opracowania głowicy laserowej habilitant wybrał ośrodek aktywny EAT14 o koncentracji jonów Yb3+ 1,6·1021 cm-3, Er3+ 1·1020 cm-3 i długości 1,5 mm oraz pasywny modulator MALO o transmisji dla małych sygnałów 99%, odbiciu zwierciadła wyjściowego 97,5% i grubości 0,085 mm. Konstrukcja mechaniczna głowicy została tak zaprojektowana przez habilitanta, aby umocować w jednym module końcówkę światłowodu diody laserowej, układ optyczny, ośrodek aktywny i pasywny modulator z jednoczesną możliwością regulacji położenia poszczególnych elementów. Opracowana w ten sposób głowica mikrolaserowa generowała impulsy o czasie trwania 10-12 ns, mocy szczytowej impulsu 1,1-1,6 kW oraz energii w impulsie poniżej 20 µJ. Sprawność różniczkowa wynosiła 12,6 %, próg generacji 350 mW a częstotliwość repetycji impulsów w zależności od mocy pompującej zmieniała się od 1 do 4 kHz. W głowicy habilitant nie zastosował żadnego aktywnego chłodzenia. Aby uniknąć uszkodzenia ośrodka aktywnego moc pompująca była ograniczona do 0.7 W. Średnica wiązki laserowej na wyjściu głowicy wynosiła 1 mm, a kąt rozbieżność 10 mrad. Różnice parametrów generacyjnych opracowanej głowicy w porównaniu z badaniami laboratoryjnymi są spowodowane głównie dłuższym rezonatorem. Zastosowanie dłuższego rezonatora, a w rezultacie uzyskanie dłuższych impulsów, było konieczne ze względu na ograniczenia częstotliwości próbkowania układu elektronicznego próbkującego te impulsy zastosowanego w dalmierzu przedstawionym w dalszej części tego rozdziału. W przypadku większej częstotliwości próbkowania można by skrócić rezonator a stąd czas trwania impulsu i w rezultacie uzyskać wyższą moc szczytową.

W celu potwierdzenia możliwości aplikacyjnych wykonanej głowicy opracowano kompletny dalmierz i przeprowadzono jego badania w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Układ nadawczy dalmierza został wykonany jako teleskop Galileusza o powiększeniu 20-krotnym. Układ odbiorczy składał się z układu trzech soczewek (trypletu), stanowiącego jednocześnie aperturę wejściową, oraz z dwóch identycznych soczewek skupiających, pomiędzy którymi umieszczony został filtr interferencyjny. W ten sposób wykonane układy zapewniały kąt rozbieżności wiązki laserowej równy 0,5 mrad i kąt widzenia detektora 1 mrad.

Głowica laserowa oraz nadawczy i odbiorczy układ optyczny wraz z detektorem, sterującym i zasilającym układem elektronicznym oraz lunetką celowniczą zostały umiejscowione na specjalnie zaprojektowanej i wykonanej platformie zapewniającej odpowiednią regulację poszczególnych elementów dalmierza. Zdjęcie wykonanego prototypu dalmierza przedstawiono na rysunku 9.

Rys. 9. Prototyp wykonanego dalmierza

Metoda detekcji zastosowana w opracowanym dalmierzu polegała na synchronicznym

całkowaniu sygnału. Ze względu na niestabilność częstotliwości repetycji impulsów laserowych (jitter równy ok. kilka µs) zastosowano układ synchronizacji, który w chwili generacji ciągu impulsów


Str.15/33

dokonywał ich pomiaru. Odbierane sygnały były próbkowane z częstotliwością 250 MHz. Synchroniczne całkowanie pozwalało na poprawę stosunku sygnału do szumu √ , gdzie jest liczbą uśrednionych próbek (tu liczba impulsów). W celu zapewnienia odpowiednio krótkiego czasu pomiaru liczbę impulsów ustalono na 1024, co przy częstotliwości repetycji 4 kHz oznacza czas pomiaru poniżej 300 ms.

Opracowany dalmierz przebadano w warunkach dobrej i złej widoczności (mgła, smog). W pierwszym przypadku uzyskane zasięgi wiarygodnych pomiarów wynosiły ponad 6 km, natomiast w drugim do 3 km. Zakres pomiaru odległości opracowanego dalmierza można powiększyć zwiększając liczbę impulsów poprzez wydłużenie czasu pomiaru lub częstotliwości repetycji a także przez zwiększenie średnicy odbiorczego układu optycznego. Zwiększenie czasu pomiaru nie jest dobrym rozwiązaniem ze względu na potencjalny ruch celu. Natomiast zwiększenie częstotliwości repetycji impulsów w przypadku opracowanej głowicy mikrolaserowej wymagałoby zwiększenia mocy pompującej, co z pewnością stałoby się przyczyną uszkodzenia ośrodka aktywnego. Z kolei zwiększenie średnicy układu optycznego zwiększy wymiary i masę dalmierza. Jednym z możliwych i rozsądnych sposobów zwiększenia zakresu pomiaru odległości jest zwiększenie mocy szczytowej impulsów generowanych przez głowicę mikrolaserową. Można to osiągnąć poprzez zmianę konstrukcji głowicy zastępując ośrodek aktywny i pasywny modulator jednym monolitycznym mikrolaserem powstałym w wyniku ich termicznego połączenia i napylenia odpowiednich pokryć cienkowarstwowych stanowiących zwierciadło wejściowe i wyjściowe. Ze względu na fakt, że współczynnik termicznej rozszerzalności szkła oraz kryształu MALO są porównywalne, można w ten sposób zmniejszyć naprężenia termiczne. Dzięki dużemu współczynnikowi przewodności termicznej MALO odprowadzanie ciepła z ośrodka aktywnego może być bardziej efektywne. Ponadto konieczność justowania pasywnego modulatora względem ośrodka aktywnego zostanie wyeliminowana upraszczając dodatkowo konstrukcję głowicy mikrolaserowej.

Podsumowując, habilitant opracował koncepcję budowy głowicy mikrolaserowej,

dokonał analizy i wyboru źródeł pompujących, opracował koncepcję i wykonał badania źródeł pompujących i układów optycznych, zaprojektował głowicę mikrolaserową i jej elementy mechaniczne, zbudował, uruchomił i zoptymalizował głowicę mikrolaserową, wykonał badania głowicy mikrolaserowej i wyznaczył jej parametry generacyjne.

Opracowana głowica mikrolaserowa generowała impulsy o czasie trwania 10-12 ns, mocy szczytowej 1,1-1,6 kW oraz częstotliwości repetycji 1-4 kHz [H3].

4.3.3. Mikrolasery – ośrodek aktywny i nasycalny absorber połączone termicznie

4.3.3.1.Opracowanienowychszkiełfosforanowych Aby uniezależnić się od zagranicznych dostawców oraz posiadać pełną kontrolę nad

parametrami szkła w celu jego optymalizacji pod względem efektywności generacji laserowej, habilitant zdecydował się na nawiązanie współpracy w zakresie opracowania szkieł spełniających wymagania konstrukcyjne do mikrolaserów. Współpracę taką podjął z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) posiadającym możliwości technologiczne w tym zakresie [H8]. Posiadanie takiej technologii jest też wskazane z punktu widzenia wykonania termicznego łączenia ośrodka aktywnego z nasycalnym absorberem.

Mając powyższe na uwadze opracowano dwa typy szkieł PAL77 i PAL80 w układzie tlenkowym P2O5-Al2O3-B2O3-Yb2O3-Li2O-Er2O3 i P2O5-Al2O3-B2O3-Yb2O3-Li2O-Er2O3-Sb2O3. W przypadku szkła PAL80 dodanie Sb2O3 miało na celu polepszenie czystości szkła poprzez usunięcie wtrąceń gazowych. Koncentracja jonów erbu i iterbu została określona przez habilitanta.

Badania za pomocą mikroskopu optycznego wykazały, że szkło nie posiadało żadnych nieczystości stałych, gazowych czy krystalicznych. Za pomocą polaryskopu zbadano jednorodność szkła i do dalszych badań wybrano fragmenty o najlepszej jednorodności.

Przeprowadzono charakteryzację opracowanych szkieł i wyznaczono ich podstawowe parametry, które przedstawiono w tabelach 4 i 5, gdzie: T -współczynnik rozszerzalności temperaturowej (20-300C), -gęstość, -przewodność cieplna, -koncentracja Er3+,


Str.16/33

-koncentracja Yb3+, 0 -współczynnik absorpcji dla długości fali 976 nm, -absorpcyjny przekrój czynny dla długości fali 976 nm. Parametry termiczne porównano z parametrami najlepszych szkieł dostępnych komercyjnie QX/Er22, Concentrated Glass (C.G)23, SELG24 i EAT1425. Opracowane szkło PAL77 posiada najmniejszy ze wszystkich współczynnik rozszerzalności temperaturowej, co czyni go szczególnie odpornym na uszkodzenia termiczne.

Tab. 4. Podstawowe parametry opracowanych szkieł

·1021 [cm-3] ·1019 [cm-3] 0 [cm-1] ·10-20 [cm2]

PAL77 1,73 8,9 19,4 1,12 PAL80 1,72 9,1 18,9 1,10

Tab. 5. Podstawowe parametry termiczne opracowanych szkieł oraz dostępnych komercyjnie

szkło PAL77 PAL80 QX/Er C.G. SELG EAT14 T ·10-7 [K-1] 71,8 77,9 82 81 72 100 [g/cm3] 2,9 2,9 2,9 3,3 2,8 3,1

[W·m-1·K-1] 0,7 0,7 0,8 0,6 0,8 0,7

Podsumowując, habilitant określił optymalną koncentrację szkieł na potrzeby generacji laserowej zgodnie z którymi wykonano nowe szkła fosforanowe oraz wyznaczył ich współczynnik absorpcji i absorpcyjny przekrój czynny [H8].

4.3.3.2.Generacjacwwnowoopracowanychszkłachfosforanowych Aby dokonać analizy możliwości generacyjnych opracowanych szkieł habilitant wykonał

badania uzyskanej w nich generacji ciągłej [H4]. Z wykonanych szkieł wycięto po kilka próbek o długości 1,9 mm równej drodze absorpcji i średnicy 6 mm, które następnie wypolerowano. Na próbki nałożono odpowiednie pokrycia cienkowarstwowe zaprojektowane przez habilitanta zgodnie z rysunkiem 1. Badania generacyjne habilitant wykonał w podobnym do przedstawionego na rysunku 2 układzie pomiarowym dla zwierciadeł wyjściowych o różnym współczynniku odbicia (98,7%, 98,1%, 97,6%, i 96,5%). Do pompowania habilitant zastosował diodę laserową z wyjściem światłowodowym pracującą w rodzaju pracy quasi-cw (okres 20 ms i współczynnik wypełnienia 50%). Lepsze parametry generacyjne habilitant uzyskał dla szkła PAL80. Charakterystyki generacyjne dla najlepszej z próbek dla różnego współczynnika odbicia zwierciadła wyjściowego pokazano na rysunku 10.

Rys. 10. Charakterystyki generacyjne dla szkła PAL80

22 Dane katalogowe Kigre 23 B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Materials and components for miniature diode-pumped 1.5 m erbium glass lasers, Laser Physics, Vol. 12, No. 4, 697-701, 2002. 24 G. Karlsson, F. Laurell, J. Tellefsen, B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping, Applied Physics B: Lasers and Optics, Vol. 75, pp. 41-46, 2002. 25 Dane katalogowe CLaser


Str.17/33

W tabeli 6 porównano parametry generacyjne (sprawność η i próg generacji ) dla najlepszej próbki szkła PAL80 i PAL77 oraz dla szkła EAT14. Większa sprawność generacji dla szkła PAL80 może sugerować, że dodanie Sb2O3 w procesie wytopu szkła polepszyło jego jakość, a tym samym sprawność generacji. Wszystkie badane szkła mogą być uważane jako potencjalne ośrodki aktywne do generacji promieniowania 1.535 µm.

Tab. 6. Porównanie parametrów generacyjnych dla różnych szkieł

Szkło η [%]

[mW]

[%]EAT 14 22,8 165,3 97,6PAL 77 11,1 205,9 96,5PAL 80 19,9 229,7 96,5

Podsumowując, habilitant określił optymalne wartości koncentracji domieszek

i wymiary ośrodków aktywnych, opracował koncepcję badań eksperymentalnych, zaprojektował zwierciadła i pokrycia cienkowarstwowe, dokonał wyboru elementów do budowy układów laboratoryjnych, zbudował układy laboratoryjne i zaprojektował metody pomiarowe, przeprowadził badania nowo opracowanych szkieł i udowodnił ich dobrą jakość i efektywność generacji [H4]. Wyniki badań posłużyły do optymalizacji procesu produkcji szkieł oraz były niezbędne do optymalizacji mikrolasera.

4.3.3.3.OpracowanienowychnasycalnychabsorberówCo2+:MgAl2O4 Z podobnych względów, jak w przypadku szkła, habilitant zdecydował się na współpracę

z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych w zakresie opracowania optymalnych do opracowywanych laserów kryształów MgAl2O4.

Kryształy MALO były wyciągane metodą Czochralskiego z tygla irydowego o średnicy 50 mm i wysokości 52 mm. Materiałami wsadowymi były MgO, Co3O4 oraz Al2O3. Otrzymano kryształy o różnej koncentracji Co2+ z zakresu 0,04 do 0,16 % at [H8].

W celu opracowania, a następnie zoptymalizowania lasera niezbędnym elementem jest posiadanie jak najbardziej dokładnych parametrów wszystkich jego elementów. Jest to szczególnie istotne w przypadku mikrolaserów, gdzie takie parametry jak transmisja zwierciadła wyjściowego czy transmisja pasywnego modulatora dla małych sygnałów powinna być określana z dokładnością do 0,5%. Niedokładność przedstawionych parametrów większa niż 0,5% może oznaczać znaczne pogorszenie parametrów generacyjnych albo nawet brak możliwości uzyskania generacji. W przypadku pasywnych modulatorów najlepszym sposobem na wyznaczenie ich podstawowych parametrów jest eksperymentalne wyznaczenie ich charakterystyki nasycenia (zmiana transmisji w funkcji gęstości energii padającej) a następnie aproksymacja danych pomiarowych odpowiednim równaniem. W literaturze można znaleźć trzy podstawowe modele opisu charakterystyk nasycania i wyznaczania podstawowych parametrów pasywnego modulatora. Jest to model stosujący funkcję LambertW (dla szybkich absorberów nieposiadających absorpcji ze stanów wzbudzonych), model stosujący równanie Frantz’a-Nodvik’a (dla wolnych absorberów nieposiadających absorpcji ze stanów wzbudzonych) oraz model stosujący równanie różniczkowe Avisonis’a-Grotbeck’a (dla absorberów wykazujących lub niewykazujących absorpcję ze stanów wzbudzonych). W pracy, której współautorem jest habilitant, modele te zostały przeanalizowane i sprawdzone eksperymentalnie. W pracy tej zaproponowano również najbardziej optymalną procedurę do wyznaczania parametrów pasywnych modulatorów stosującą model Avisonis’a-Grotbeck’a26.

Habilitant wyznaczył charakterystyki nasycania opracowanych kryształów MALO o różnej koncentracji jonów kobaltu, a na tej podstawie określił ich podstawowe parametry, stosując zaproponowaną procedurę określenia parametrów pasywnych modulatorów27. Przykładową charakterystykę nasycania dla modulatora o koncentracji Co2+ równej 0,085% at. wraz z aproksymacją równaniem Avisonis’a-Grotbeck’a pokazano na rysunku 11. Parametry tego pasywnego modulatora są 26 J. Mlynczak, K. Kopczynski, Comparison of parameters of q-switching saturable absorbers estimated by different models and the impact of accuracy of input data on the results of the estimation, Optical Materials, vol. 36, pp. 867-872, 2014 27 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Bajor, Development and saturation investigation of MALO saturable absorber, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 2014, no. 12, pp. 59-63, 2014


Str.18/33

przedstawione w tabeli 7, gdzie T -wspłczynnik rozszerzalności temperaturowej (20-300C), -przewodność cieplna (20-700C), -koncentracja Co2+, -absorpcyjny przekrój czynny z poziomu podstawowego dla długości fali 1535, -energia nasycenia, 0 -współczynnik absorpcji dla długości fali 1535 nm, -współczynnik załamania, – straty dyssypacyjne [H5].

Rys. 11. Charakterystyka nasycania pasywnego modulatora

Tab. 7. Parametry opracowanego pasywnego modulatora

T [K-1] [W/m·K] [cm3] [cm2] [J/cm] 0 [cm-1] [cm

-1] 80·10-7 >7 1,857·1018 5,49·10-19 0,23 0,87 1,67 0,05

Biorąc pod uwagę wyznaczone parametry oraz kompromis pomiędzy optymalnym zakresem

transmisji dla małych sygnałów a grubością do dalszych badań habilitant zdecydował się na zastosowanie kryształu MALO o koncentracji jonów kobaltu 0,085% at.

Podsumowując, habilitant opracował koncepcję badań nasycania absorberów, dokonał

wyboru elementów do budowy układów laboratoryjnych, zbudował układy laboratoryjne i zaprojektował metody pomiarowe, przeprowadził badania charakterystyk nasycania wykonanych absorberów oraz wyznaczył ich podstawowe parametry. Ponadto określił optymalną koncentrację jonów Co2+ [H5, H8]. Wyniki badań posłużyły do optymalizacji procesu produkcji kryształów oraz były niezbędne do optymalizacji mikrolasera.

4.3.3.4.Łączenietermiczne Er3+,Yb3+:glass z Co2+: MgAl2O4 Habilitant zdecydował się na nawiązanie współpracy w zakresie opracowania technologii

termicznego łączenia opracowanego szkła i pasywnego modulatora spełniającej wymagania konstrukcyjne do mikrolaserów. Współpracę taką podjął z Instytutem Optyki Stosowanej (INOS) posiadającym możliwości technologiczne w tym zakresie [H8]. Z wykonanych szkieł i kryształów MALO wycinano próbki o wymiarach poprzecznych 8x8 mm i długości w granicach 1,4-8 mm. Powierzchnie o wymiarach 8x8 mm były wypolerowane tak, aby ich równoległość nie była gorsza niż 2 sekundy kątowe, a płaskość powierzchni była na poziomie λ/5. Próbki szkła i pasywnego modulatora były łączone termicznie w piecu w temperaturze bliskiej temperaturze topnienia szkła, stosując ciśnienie w zakresie 0,2 – 1 N/mm2. Poszczególne parametry łączenia były wyznaczane eksperymentalnie.

Po zakończeniu termicznego łączenia próbki były przycinane do odpowiednich rozmiarów i polerowane w celu uzyskania płasko-równoległości poniżej 2 sekund kątowych i płaskości powierzchni poniżej /5. Badania za pomocą interferometru pozwoliły na zwizualizowanie defektów powstających podczas łączenia termicznego, które występowały w niewielu przypadkach. Deformacja fazy utrzymywała się poniżej 4λ. Opracowane próbki były badane przez habilitanta pod względem jakości połączenia i możliwości generacyjnych.

Podsumowując, habilitant opracował metodykę i wykonał badania opracowanych próbek pod względem jakości połączenia i możliwości generacyjnych. Wyniki badań posłużyły do opracowania optymalnych parametrów technologii łączenia termicznego [H8].


Str.19/33

4.3.3.5.Generacjaimpulsowa Stosując szkło PAL80 o długości 1,9 mm z pokryciami cienkowarstwowymi jak pokazano na

rys. 1 oraz kryształy MALO o różnej transmisji początkowej dla małych sygnałów, nie połączone termicznie, habilitant przeprowadził badania generacji impulsowej. Habilitant zastosował zwierciadła wyjściowe o różnym współczynniku odbicia. Wartości transmisji dla małych sygnałów pasywnego modulatora oraz wartości współczynnika odbicia zwierciadła wyjściowego zostały zaproponowane przez habilitanta zgodnie z procedurą przedstawioną już w podrozdziale 4.3.2.2. Najlepsze wyniki generacji habilitant uzyskał dla kryształu MALO o transmisji 97,5 % i taką transmisję habilitant zdecydował się zastosować do dalszych badań z użyciem próbek łączonych termicznie.

Na podstawie powyższych badań, w kolejnym kroku, habilitant przeprowadził badania generacji impulsowej stosując próbkę szkła o długości 1,9 mm połączone termicznie z pasywnym modulatorem o grubości 0,29 mm i transmisji dla małych sygnałów równej 97,5%. W celu uzyskania odpowiednich grubości szkła i MALO próbka po termicznym połączeniu została spolerowana. Ponadto próbka została przycięta do wymiarów poprzecznych 4x4 mm. Do generacji habilitant użył zewnętrznych zwierciadeł tworzących rezonator o długości ok. 2,19 mm. Habilitant zastosował zwierciadła wyjściowe o różnym współczynniku odbicia, którego wartości zostały zaproponowane przez habilitanta zgodnie z procedurą przedstawioną już w podrozdziale 4.3.2.2. Jako źródło pompujące habilitant użył diodę laserową z wyjściem światłowodowym pracującą w trybie quasi-cw (okres 20 ms i współczynnik wypełnienia 50%). Schemat poglądowy układu do badań generacji przedstawiono na rysunku 12. Charakterystyki generacyjne dla dwóch zwierciadeł pokazano na rysunku 13. Lepsze parametry generacyjne habilitant uzyskał dla zwierciadła o współczynniku odbicia 97,6% co może oznaczać, że jest ono najbliższe odbiciu optymalnemu. Wyniki generacji dla tego zwierciadła dla różnych mocy pompujących przedstawiono w tabeli 8. Habilitant uzyskał moc szczytową impulsu równą 7,7 kW w impulsie o czasie trwania 2,9 ns i kilohercowej repetycji. Sprawność różniczkowa wynosiła 9,6%, a próg generacji 319 mW [H5].

Rys. 12. Schemat układu do badań generacji Rys. 13. Charakterystyki generacyjne

Tab. 8. Parametry generacyjne dla zwierciadła o odbiciu 97.6% Moc pompująca [mW] 337,5 356,5 375,0 392,0

Czas trwania impulsu [ns] 2,9 2,9 2,9 2,9 Moc szczytowa impulsu [kW] 6,8 6,1 7,7 6,7

Częstotliwość repetycji impulsów [kHz] 0,657 0,833 0,980 1,087 Habilitant wykonał również badania porównawcze generacji w kilku próbkach połączonych

termicznie oraz w próbkach niepołączonych. Pozwoliło to jednoznacznie określić korzyści wypływające z termicznego łączenia Er3+,Yb3+:szkło z pasywnym modulatorem Co2+: MgAl2O4. W tym celu habilitant zastosował próbki połączone termicznie o parametrach opisanych powyżej stosując zwierciadła wyjściowe o różnym współczynniku odbicia (98,7%, 98,1%, 97,6%, i 96,5%). Generację habilitant uzyskał dla każdej kombinacji próbek i zwierciadeł, a uzyskana maksymalna moc szczytowa impulsu sięgała ponownie ponad 7,6 kW z najlepszymi wynikami dla zwierciadeł o współczynniku odbicia 96,5% i 97,6%. W przypadku próbek niepołączonych habilitant zastosował


Str.20/33

próbki szkła o takiej samej długości jak dla próbek połączonych (długość 1,9 mm) z napylonym zwierciadłem wejściowym z jednej strony i warstwami AR z drugiej. Pasywny modulator MALO posiadał takie same parametry jak dla próbek łączonych (długość 0,29 mm, transmisja dla małych sygnałów 97.5%). Stosując zwierciadła wyjściowe o różnym współczynniku odbicia habilitant uzyskał generację tylko dla tego o największym współczynniku 98,7%. Badania takie potwierdziły jednoznacznie efektywność połączenia termicznego Er3+,Yb3+:szkło z pasywnym modulatorem Co2+: MgAl2O4 [H6].

Podsumowując habilitant opracował koncepcję badań eksperymentalnych, wyznaczył

zbiór wartości transmisji dla małych sygnałów nasycalnego absorbera oraz wartości transmisji zwierciadła wyjściowego a następnie eksperymentalnie wybrał najlepsze z nich, dokonał wyboru elementów do budowy układów laboratoryjnych, zbudował układy laboratoryjne i zaprojektował metody pomiarowe.

Habilitant uruchomił generację impulsową w mikrolaserze z ośrodkiem aktywnym Er3+,Yb3+:szkło termicznie połączonym z pasywnym modulatorem Co2+: MgAl2O4 uzyskując rekordową moc szczytowa ponad 7 kW, która jest największą mocą jaką uzyskano w mikrolaserach Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 w tamtym czasie [H5]. Habilitant był współautorem opracowania technologii wykonania mikrolasera termicznie łączonego o znacznie lepszych parametrach od lasera z elementami rozłącznymi [H6].

4.3.3.6.Mikrolasermonolityczny Mikrolasery z zewnętrznymi zwierciadłami wymagają odpowiednich uchwytów

mechanicznych utrzymujących poszczególne jego elementy w odpowiednim położeniu oraz ich regulacji. Z aplikacyjnego punku widzenia rozwiązanie takie nie jest najlepsze i dlatego habilitant opracował mikrolaser monolityczny z napylonymi zwierciadłami bezpośrednio na termicznie połączone próbki Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 [H7]. W tym celu habilitant zaprojektował odpowiednie pokrycia cienkowarstwowe, które nałożono na próbki o parametrach przedstawionych poprzednio (grubość szkła 1,9 mm, grubość MALO 0,29 mm). Transmisja dla małych sygnałów pasywnego modulatora wynosiła 97,5% a zwierciadło wyjściowe charakteryzowało się transmisją 3,5 %. Transmisję zwierciadła przyjęto na podstawie poprzednich badań z zewnętrznymi zwierciadłami oraz biorąc pod uwagę potencjalne zmniejszenie strat w laserze monolitycznym. Schemat poglądowy układu do badań generacji przedstawiono na rysunku 14. Charakterystyki generacyjne dla czterech mikrolaserów monolitycznych wykonanych w tym samym procesie technologicznym przedstawiono na rysunku 15. Wykonanie i przebadanie kilku próbek mikrolaserów miało na celu potwierdzenie dobrej jakości zastosowanej technologii, co można stwierdzić na podstawie uzyskania wysokich mocy szczytowych dla każdej z nich.

Rys. 14. Schemat układu do badań generacji Rys. 15. Charakterystyki generacyjne mikrolaserów monolitycznych

Parametry generacyjne mikrolaserów monolitycznych habilitant porównał z parametrami

generacyjnymi tych samych próbek z zastosowaniem zewnętrznych zwierciadeł o tych samych parametrach. Wyniki przedstawiono odpowiednio w tabelach 9 i 10 (gdzie: – moc szczytowa impulsu, – czas trwania impulsu, – energia w impulsie, – sprawność różniczkowa, - próg generacji, – częstotliwość repetycji impulsów dla mocy pompy 375 mW). Generacja


Str.21/33

w mikrolaserach monolitycznych cechuje się zdecydowanie lepszymi parametrami (szczytowa moc impulsu niemal dwukrotnie większa, próg generacji znacznie mniejszy). Najlepszy z mikrolaserów monolitycznych generował impulsy o mocy szczytowej sięgającej ponad 10 kW, czasie trwania 3,2 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji. Habilitant dokonał również pomiaru parametru M2, który wynosił odpowiednio M2x=2.77 i M2y=2.27.

Tab. 9. Parametry generacyjne mikrolaserów monolitycznych

Mikrolaser [kW]

[ns]

[µJ]

[%]

[mW]

[kHz]

1 7,9 3,6 28,5 5,0 228 0,909 2 10,2 3,2 32,6 5,9 229 0,833 3 5,3 4,0 21,2 3,3 231 0,862 4 6,0 3,9 23,4 5,2 228 0,961

Tab. 10. Parametry generacyjne próbek z zewnętrznymi zwierciadłami

Próbka [kW]

[ns]

[µJ]

[%]

[mW]

[kHz]

1 4,3 3,4 15,0 3,9 299 0,9092 7.6 3,2 24,0 7,9 301 0,8623 3,8 3,2 12,0 5,8 255 1,7854 3,4 3,6 12,5 6,2 224 1,818

Podsumowując, habilitant opracował koncepcję badań eksperymentalnych, zbudował

układy laboratoryjne i zaprojektował metody pomiarowe, a także zaprojektował odpowiednie pokrycia cienkowarstwowe. Habilitant określił optymalną konfigurację parametrów szkła, nasycalnego absorbera oraz zwierciadeł dielektrycznych na potrzeby generacji w mikrolaserach monolitycznych Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4, a następnie opracował nowatorskie mikrolasery monolityczne Er3+,Yb3+:glass/Co2+:MgAl2O4 i uzyskał rekordową moc szczytowa wynoszącą ponad 10 kW co jest największą mocą jaką uzyskano do tej pory w mikrolaserach Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4 [H7].

Kolejnym krokiem w pracach wykonanych przez habilitanta było opracowanie głowicy mikrolaserowej z wykorzystaniem mikrolasera monolitycznego Er3+,Yb3+:glass/Co2+: MgAl2O4. Zaprojektowana i wykonana przez habilitanta głowica laserowa jest przedstawiona na rysunku 16. Parametry generacyjne uzyskane w tym przypadku są pokazane w tabeli 11. Na rysunku 17 pokazano oscylogram pojedynczego impulsu, a na rysunku 18 oscylogram ciągu paczek impulsów dla częstotliwości repetycji 735 Hz.

Rys. 16. Opracowana, zaprojektowana i wykonana głowica laserowa

Tab. 11. Parametry generacyjne opracowanej głowicy laserowej

[kW]

[ns]

[µJ]η

[%]

[mW]

[kHz] 10,5 3,8 40,0 5,3 226 0,735


Str.22/33

Rys. 17. Oscylogram pojedynczego impulsu Rys. 18. Oscylogram uzyskanego ciągu paczek impulsów

Generowana wiązka charakteryzowała się parametrem M2x=4,06 i M2y=2,81 oraz kątem

rozbieżności Ɵx=9,77 mrad i Ɵy=6,80 mrad. Różnica parametrów impulsów uzyskanych w eksperymentach z laserem monolitycznymi i w prototypie głowicy mikrolasera może wynikać z innej geometrii pompowania lub z uzyskania generacji w innym obszarze mikrolasera (wymiary poprzeczne mikrolasera wynoszą 4x4 mm, a generacja odbywa się w znacznie węższym obszarze) a stąd dla innych parametrów zwierciadeł wynikających z ich niejednorodności.

Podsumowując, habilitant stosując mikrolaser monolityczny

Er3+,Yb3+:glass/Co2+:MgAl2O4, opracował mikrolaserową głowicę generującą impulsy o mocy szczytowej 10,5 kW, czasie trwania 3,8 ns i kilohercowej częstotliwości repetycji. Opracowana głowica o takich parametrach bardzo dobrze nadaje się do aplikacji telemetrycznych jakimi mogą być dalmierze laserowe. Wyniki tych badań habilitant opisał w publikacji pokonferencyjnej28.

4.3.4. Podsumowanie Habilitant jest autorem koncepcji badań i metod pomiarowych opisanych

w publikacjach stanowiących osiągnięcie naukowe będące podstawą wszczęcia i przeprowadzenia postępowania habilitacyjnego. Opracował, optymalizował oraz scharakteryzował wszystkie opisane mikrolasery i głowice laserowe. Opracował wszystkie stanowiska pomiarowe. Opracował oraz zinterpretował wyniki prowadzonych badań. Wyniki badań habilitanta posłużyły do opracowania technologii produkcji szkieł domieszkowanych Er3+,Yb3+, technologii wzrostu pasywnych modulatorów Co2+: MgAl2O4, technologii ich termicznego łączenia oraz technologii wykonania mikrolaserów monolitycznych.

Prowadzone przez habilitanta badania spotkały się z dużym zainteresowaniem wśród naukowców. Habilitant nawiązał współpracę międzynarodową w tym zakresie z Uniwersytetem w Lizbonie (Universidade de Lisboa), mającą na celu wspólne opracowanie impulsowego mikrolasera dla małych platform lądujących. W związku z powyższym student tego Uniwersytetu odbył czterotygodniową praktykę w Instytucie Optoelektroniki WAT pod opieką habilitanta, gdzie uczył się budowy i analizy mikrolaserów. Obecnie współpraca z powyższym Uniwersytetem jest kontynuowana w celu zdobycia wspólnego projektu finansowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) pt. „European microchip LASER for altimetry”.

Również firma laserowa CILAS jest silnie zainteresowaną tematyką badań habilitanta i współpracą w tym zakresie.

Biorąc powyższe pod uwagę, można domniemywać, iż przedstawione osiągnięcia habilitanta mają charakter nowatorski i są w pełni oryginalne, tym samym przyczyniają się do rozwoju dyscypliny naukowej elektronika. 28 J. Młyńczak, K. Kopczyński, N. Belghachem, J. Kisielewski, R. Stępień, M. Wychowaniec, J. Galas, D. Litwin, A. Czyżewski, Pulse laser head with monolithic thermally bonded microchip operating at 1.5 µm wavelength, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,, Vol. 10159, art. no. 1015905, pp. 1-6, 2016.


Str.23/33

Oprócz wskazanych efektów naukowych, ilustrujących wkład habilitanta do dorobku nauki w dziedzinie elektroniki, a w szczególności w zakresie optoelektroniki w Polsce, jak i na świecie, wartością dodaną prowadzonych badań jest osiągnięcie celów aplikacyjnych związanych z opracowaniem głowic mikrolaserowych do zastosowań teledetekcyjnych oraz opanowaniem wiedzy technicznej (ang. know-how) w tym obszarze nauki.

5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych Po uzyskaniu stopnia naukowego doktora nauk technicznych habilitant został zatrudniony

w Instytucie Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej na stanowisku adiunkta (od 2009 roku), na którym pracuje do chwili obecnej. Oprócz tematyki przedstawionej powyżej równolegle prowadzi działalność naukowo-badawczą w takich obszarach, jak badania nowych materiałów laserowych, detekcja par alkoholu w poruszających się pojazdach, detekcja skażeń biologicznych i chemicznych oraz biometryczna kontrola osób. Habilitant prowadzi również intensywne prace w ramach laboratorium akredytowanego, gdzie pełni funkcję kierownika pracowni urządzeń laserowych Laboratorium Badawczego IOE WAT.

5.1. DziałalnośćwobszarzenowychmateriałówdoaplikacjilaserowychW ramach prowadzonych prac habilitant bada nowe materiały pod kątem ich zastosowania

w aplikacjach laserowych. Wykonał badania między innymi nowych ośrodków nieliniowych do generacji harmonicznych SbI3·3S8 i GdCOB; nasycalnych absorberów Cr4+:YAG, V3+:YAG, Co2+:YAG i Co2+:GGG; biomarkerów Gd2O3:(Er3+,Yb3+,Zn2+). Efektem tych prac są między innymi poniższe publikacje: M. Nowak, M. Kotyczka-Morańska, P. Szperlich, Ł. Bober, M. Jesionek, M. Kępińska, D. Stróż,

J. Kusz, J. Szala, G. Moskal, T. Rzychoń, J. Młyńczak, K. Kopczyński, Using of sonochemically prepared components for vapor phase growing of SbI3∙3S8, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 17, No. 5, pp. 892-901, 2010, DOI: 10.1016/j.ultsonch.2010.01.008.

A. L. Bajor, J. Kisielewski, A. Kłos, K. Kopczyński, T. Łukasiewicz, J. Mierczyk, J. Młyńczak, Assessment of gadolinium calcium oxoborate (GdCOB) for laser applications, Optoelectronics Review, Vol. 19, No. 4, pp. 51-60, 2011, DOI: 10.2478/s11772-011-0042-2.

I. Kamińska, K. Fronc, B. Sikora, M. Szewczyk, T. Wojciechowski, A. Konopka, W. Zaleszczyk, R. Minikayev, W. Paszkowicz, P. Dziawa, K. Sobczak, M. Mouawad, A. Siemiarczuk, M. Kaliszewski, M. Włodarski, J. Młyńczak, K. Kopczyński, K. Ciszak, D. Piątkowski, S. Maćkowski, G.Wilczyński, P. Stępień, D. Elbaum, Upconverting/magnetic: Gd2O3:(Er3+,Yb3+,Zn2+) nanoparticles for biological applications: Effect of Zn2+ doping, RSC Advances, vol, 5, pp. 78361-78373, 2015, DOI: 10.1039/C5RA11888C

J. Mlynczak, K. Kopczynski, N. Belghachem, Investigations of non-linear absorption of q-switching saturable absorbers and determination of their main parameters, Solid State Phenomena, Vol. 230, pp. 193-198, 2015, DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.230.193, Volume title: Oxide Materials for Electronic Engineering - Fabrication, Properties and Application.

Krzysztof Kopczynski, Jerzy Sarnecki, Jaroslaw Mlynczak, Michal Malinowski, Ryszard Piramidowicz, Zygmunt Mierczyk, Maria Maciejewska, Magdalena Nakielska, Optical properties of GGG thin films doped with Ni2+ and Co 2+ ions, Conference on Lasers and Electro-Optics Europe, 2011, DOI: 10.1109/CLEOE.2011.5942835.

J. Galas, D. Litwin, M. Wychowaniec, M. Daszkiewicz, K. Radziak, T. Kozłowski, A. Czyżewski, J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Kisielewski, R. Stępień, S. Sitarek, Multiwavelength laser scattering tomography, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 10445, art. no. 1044503, pp. 1-7, 2017, DOI: 10.1117/12.2280320.

Szczegółowy opis udziału habilitanta w przedstawionych osiągnięciach jest opisany

w załączniku nr 4 do Wniosku.


Str.24/33

5.2. Działalnośćwobszarzedetekcjiparalkoholuwporuszającychsiępojazdach

Habilitant współuczestniczył w opracowaniu i budowie urządzenia (alkolaser) do wykrywania par alkoholu w pojazdach poruszających się z dowolną szybkością bez potrzeby ich zatrzymywania. Prześwietlając samochód promieniowaniem laserowym całkowicie bezpiecznym dla osób przebywających w zasięgu tego promieniowania, urządzenie wykonuje pomiar stężenia par alkoholu w pojeździe. Urządzenie to zostało opracowane z zastosowaniem lasera He-Ne. Obecnie habilitant współuczestniczy w badaniach nad opracowaniem nowego urządzenia stosując lasery kaskadowe. Rezultatem tych prac jest współautorstwo w poniższych publikacjach, patentach i zgłoszeniach patentowych oraz opracowanych urządzeniach: J. Kubicki, J. Młyńczak, K. Kopczyński, Application of modified difference absorption method

to stand-off detection of alcohol in simulated car cabins, Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 7, No. 1, pp. 073529-1- 073529-13, 2013, DOI: 10.1117/1.JRS.7.073529.

J. Młyńczak, J. Kubicki, K. Kopczyński, Stand-off detection of alcohol in car cabins, Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 8, No. 1, pp. 083627-1- 083627-7, 2014, DOI: 10.1117/1.JRS.8.083627.

J. Młyńczak, J. Kubicki, K. Kopczyński,, J. Mierczyk, Assessment of the application of cascade lasers to stand-off detection of alcohol vapours in moving cars, Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 10, No. 4, pp. 046010-1-046010-12, 2016, DOI: 10.1117/1.JRS.10.046010.

J. Młyńczak, J. Kubicki, K. Kopczyński, Stand-off detection of alcohol vapors exhaled by humans, Sensors (Switzerland), Vol. 18, No. 5, pp. 1-11, 2018, DOI:10.3390/s18051310.

J. Młyńczak, J. Kubicki, K. Kopczyński, Możliwości zdalnego wykrywania par alkoholu w kabinie pojazdu, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 2014, no. 8, pp. 53-56, 2014, DOI:10.12915/pe.2014.08.13.

J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Kubicki, J. Mierczyk, Problemy zdalnego wykrywania par alkoholu w zamkniętych kabinach, Informatyka, automatyka, pomiary w gospodarce i ochronie środowiska, Nr. 1, s. 53-59, 2015.

J. Kubicki, J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, Możliwości wykrywania par alkoholu w kabinach samochodów z szybami o nieznanych parametrach, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 92, no. 9, pp. 272-278, 2016, DOI: 10.15199/48.2016.09.65.

K. Kopczyński, J. Kubicki, J. Młyńczak, J. Mierczyk, K. Hackiewicz, Stand-off detection of alcohol vapours in moving cars, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,, Vol. 10159, art. no. 101590Z, pp. 1-7, 2016, DOI: 10.1117/12.2261671

J. Kubicki, J. Mlynczak, J. Mierczyk, K. Kopczynski, Optoelectonic system for stand-off detection of alcohol vapours, Proceedings of 2018 Baltic URSI Symposium (URSI), INSPEC Accession Number: 17932317, 2018, DOI: 10.23919/URSI.2018.8406753

Patent, Urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w wydychanym powietrzu osoby fizycznej, nr PAT.219175, przyznany 08.08.2014, status: prawo w mocy; twórcy: Zygmunt Mierczyk, Krzysztof Kopczyński, Jan Kubicki, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Patent, Urządzenie do zdalnego pomiaru kąta nachylenia szyby bocznej poruszającego się samochodu, nr PAT.220712; przyznany 09.12.2014, status: prawo w mocy, twórcy: Zygmunt Mierczyk, Krzysztof Kopczyński, Jan Kubicki, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Patent, Uchwyt justowniczy ze skrzyżowanymi nacięciami płyty przeginanej, nr PAT.228346, przyznany 24.10.2017, status: prawo w mocy, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Urządzenie do zdalnego wykrywania par i gazów metodą DIAL w kabinach i komorach z oknami”, nr P-398513, zgłoszony 19.03.2012, status: postępowanie w toku, twórcy: Zygmunt Mierczyk, Krzysztof Kopczyński, Jan Kubicki, Jarosław Młyńczak,


Str.25/33

afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Optoelektroniczne urządzenie do informowania niewidomych o przeszkodach, nr P.401792, zgłoszony 28.11.2012, status: odmowa udzielenia prawa, wyłącznego, twórcy: Krzysztof Kopczyński, Jan Kubicki, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Urządzenie do wykrywania par alkoholu w poruszających się pojazdach z wykorzystaniem międzypasmowych laserów kaskadowych, nr P-412840, zgłoszony 25.06.2015, status: postępowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Urządzenie z ruchomą przesłoną do zdalnego wykrywania par alkoholu w poruszających się pojazdach”, nr P-415226, zgłoszony 10.12.2015, status: postępowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Sposób określania względnej transmisji promieniowania i urządzenie do wykorzystania tego sposobu, nr P-415256, zgłoszony 11.12.2015, status: postępowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Sposób zdalnego wykrywania gazowych związków chemicznych i urządzenie do zdalnego wykrywania gazowych związków chemicznych, nr P.416821, zgłoszony 12.04.2016, status: postepowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Sposób zdalnego wykrywania par alkoholu nierównomiernie rozłożonych w kabinach pojazdu, nr P.426369, zgłoszony 18.07.2018, status: postepowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Sposób zdalnego wykrywania par i gazów w przestrzeni otwartej, nr. P.425466 zgłoszony 2018r., status: postępowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna, zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Zgłoszenie patentowe, Urządzenie z ruchomą przesłoną do zdalnego wykrywania par alkoholu w poruszających się pojazdach, nr. P.415226, zgłoszony 2018r., status: postępowanie w toku, twórcy: Jan Kubicki, Krzysztof Kopczyński, Jarosław Młyńczak, afiliacja: Wojskowa Akademia Techniczna zakres terytorialny ochrony patentowej Polska, Urząd patentowy Rzeczpospolitej Polskiej.

Urządzenie do wykrywania par alkoholu w pojazdach, miejsce realizacji: Wojskowa Akademia Techniczna, 2015r.

Ponadto ze względu na duże zainteresowanie wynikami badań strony amerykańskiej w roku 2015 złożono wspólnie z State University of New York at Buffalo wniosek o projekt pt. „An Innovative Integrated AlcoLaser Multi-3D-Camera System for the Detection and Interruption of Alcohol Impaired Driving” do National Institut of Health. Autorem wniosku ze strony polskiej był habilitant. Niestety projekt nie uzyskał finansowania.

Silne zainteresowanie opracowanym systemem wyraziła również Firma kanadyjska Global Traffic Group Ltd. która wielokrotnie w tym celu gościła w IOE WAT.

Opisane w czasopiśmie Journal of Applied Remote Sensing wyniki były szeroko komentowane i opisywane na łamach prasy internetowej.

załącznik nr 3 · 2019. 9. 25. · załącznik nr 3. autoreferat str. 6/33 do najważniejszych...

Documents