4.Koło Naukowe Optoelektroniki

Warszawa, dn. 3 marca 2016r.
Koło Naukowe Optoelektroniki
Duża Pula – OPIS MERYTORYCZNY PROJEKTU
Celem KNO jest stworzenie lasera średniej mocy o budowie modułowej. Jest to zagadnienie
bardzo złożone, wymagające znacznych nakładów finansowych. W ramach Dużej Puli
wnioskujemy o przyznanie środków na skonstruowanie modułu oscylatora pierwotnego
o generowanej długości fali z zakresu średniej podczerwieni. Moduł ten stanowił będzie filar
dalszych prac Koła w kierunku skonstruowania w pełni funkcjonalnego systemu dużej mocy.
Lasery światłowodowe stanowią obecnie jedną z najprężniej rozwijanych gałęzi
techniki laserowej. Bazujące na nich systemy odgrywają coraz większą rolę
w zastosowaniach przemysłowych, telekomunikacyjnych oraz badawczych. W stosunku do
rozwiązań półprzewodnikowych posiadają one szereg unikatowych właściwości takich, jak
wysoka jakość wiązki wyjściowej, kompaktowość czy łatwość odprowadzania ciepła.
Konstrukcja lasera światłowodowego opiera się na zastosowaniu włókna domieszkowanego
jonami ziem rzadkich, które stanowi ośrodek aktywny lasera. Akcja laserowa jest wywoływana
przez wzbudzenie optyczne jonów poprzez wprowadzenie mocy optycznej do obszaru ośrodka
(sposób ten określa się mianem pompowania optycznego) o długości fali mniejszej od długości
fali generowanej (fale o mniejszej długości niosą ze sobą większą energię). Wybór domieszki
aktywnej włókna pozwala na generację promieniowania o ściśle określonej długości fali, która
stanowi o właściwościach i zastosowaniu danego lasera. W tabeli poniżej zestawiono
przykłady zastosowań oraz pasma pracy laserów, w zależności od doboru jonu.
Jon aktywny
Neodym (𝑁𝑑
3+
)
Długość fali emitowanej (µm)
Zastosowanie
1.32 – 1.35, 1.03 – 1.1,
0.9 – 0.95
Telekomunikacyjne łącza
dostępowe, mikroobróbka,
pomiar odległości
Chirurgia laserowa, obróbka
materiałów, kosmetologia
Wzmacniacze
telekomunikacyjne
Systemy czujnikowe, systemy
naprowadzające,
mikrochirurgia, badania
atmosfery
Iterb (𝑌𝑏 3+ )
1.0 – 1.1
Erb (𝐸𝑟 3+ )
2.7, 1.5 – 1.6, 0.55
Tul (𝑇𝑚3+ )
1.7 – 2.1, 1.45 – 1.53,
0.8, 0.48
1
Prazeodym (𝑃𝑟 3+ )
1.3, 0.635, 0.6, 0.52, 0.49
Telekomunikacyjne łącza
dostępowe
Holm (𝐻𝑜3+ )
2.9, 2.1
Medycyna diagnostyczna
Przewaga laserów światłowodowych nad innymi rozwiązaniami wynika z ich wysokiej
sprawności kwantowej, która w przypadku lasera bazującego na jonach tulu, w skutek
wzbudzenia wielofotonowego, sięga nawet dwustu procent. Jednakże, w kontekście
uzyskiwania dużych mocy wyjściowych, kluczową ich zaletą jest łatwość odprowadzania
ciepła, co umożliwia stabilną pracę bez konieczności zapewniania dodatkowego chłodzenia.
Projekt
Typowe rozwiązania konstrukcyjne laserów średniej i dużej mocy obejmują segmentowe
moduły oscylatora oraz stopni wzmacniających. Moduł oscylatora pełni rolę generatora
promieniowania, zaś moduły wzmacniające zapewniają dostateczną moc wyjściową.
Rysunek 1 Schemat lasera średniej mocy o budowie modułowej.
Przykładowa realizacja modułu oscylatora została zaprezentowana na Rysunku nr 2.
2
Rysunek 2. Moduł oscylatora pierwotnego lasera średniej mocy z rezonatorem
w konfiguracji pierścieniowej.
Perspektywy zastosowania
Proponowany moduł lasera średniej mocy stanowi część otwartego systemu optycznego,
który daje możliwość wymuszenia różnych tryby pracy: ciągłej (ang. Continuous Wave, CW)
bądź impulsowej. Ciekawym aspektem jest tu możliwość zastosowania grafenu do uzyskania
zjawiska synchronizacji modów (impulsów ultrakrótkich generowanych sekwencyjnie) oraz
generacji impulsów gigantów. W przypadku pracy ciągłej, dużą moc promieniowania
laserowego, oprócz wymuszenia zjawiska lontu światłowodowego, można użyć do cięcia lub
spawania materiałów. Ponadto, praca w zakresie średniej podczerwieni (ok. 1.9 𝜇𝑚) pozwili
na zastosowanie układu do detekcji cząstek unoszących się w powietrzu (m.in. gazów,
materiałów wybuchowych, organizmów mikrobiologicznych, etc.) na dużym obszarze, przez
wzgląd na dłuższą drogę całkowitego rozproszenia wiązki, a także pomiar odległości
i zastosowania w optycznych systemach lokalizacji.
Stworzenie funkcjonalnego systemu lasera światłowodowego dużej mocy jest
przedsięwzięciem interdyscyplinarnym, łączącym w sobie zagadnienia z obszarów fotoniki,
elektroniki i optoelektroniki. Stwarza to możliwość podjęcia współpracy z innymi kołami
naukowymi w dalszych etapach projektu. Obecnie są prowadzone wstępne rozmowy
dotyczące przyszłej współpracy.
Medialność
Zastosowania lasera dużej mocy są wizualnie atrakcyjne i proste do zaprezentowania.
Proponowany laser może posłużyć jako element prezentacji wizualnej i reprezentatywny
przykład zastosowania optoelektroniki i technik laserowych poprzez pokaz mikroobróbki
laserowej, grawerowania i znakowania różnorodnych materiałów. W dalszej perspektywie
3
jest implementacja systemu detekcji gazów i zanieczyszczeń. Prezentacja wyników
dotyczących optymalizacji modułu oscylatora pierwotnego odbędzie się na następujących
konferencjach: Sympozjum Technik Laserowych (STL 2016) oraz XXXVIII-th IEEE-SPIE Joint
Symposium Wilga 2016.
Motywacja
Niniejszy projekt niesie ze sobą znaczną wartość dydaktyczną. Prace obejmą tematy
z zakresu analizy teoretycznej i weryfikacji praktycznej wielu zjawisk fizycznych, powszechnie
występujących we współczesnej technice laserowej i światłowodowej. W projekcie
przewidziana jest również analiza światłowodów domieszkowanych jonami ziem rzadkich pod
kątem optymalizacji konstrukcji laserów i wzmacniaczy włóknowych.
Bezpośrednią inspiracją dla niniejszego projektu były prace Koła w zakresie badania efektów
propagacji promieniowania o dużej mocy optycznej w światłowodach kwarcowych, spośród
których na szczególną uwagę zasługują prace dotyczące zjawiska lontu światłowodowego
(ang. Fiber fuse). Napotkano wówczas problem, który dotyczył wprowadzenia znacznej mocy
optycznej do światłowodu – najlepszy rozwiązaniem jest generacja promieniowania
bezpośrednio w systemie światłowodowym, przez posłużenie się proponowanym laserem.
Kompetencje
Jako KNO posiadamy dostęp do zaplecza badawczego IMIO PW pozwalającego na realizację
oraz weryfikację eksperymentalną projektu. Ponadto dysponujemy wsparciem
merytorycznym kadry naukowej IMIO (w szczególności Zakładu Optoelektroniki).
Źródła
[1]
[2]
[3]
V. Ter-Mikirtychev, Fundamentals of Fiber Lasers and Fiber Amplifiers, Springer,
2013
M. Digonnet, Rare-earth-doped fiber lasers and amplifiers, revised and
expanded, CRC press, 2001.
RP Photonics Encyclopedia, https://www.rpphotonics.com/rare_earth_doped_
fibers.html?s=ak
4