Embed Size (px)
Citation preview
Tomáš Mocek - Vědecký koordinátor / Projektový manažer Radka Kozáková - Manažerka vzdělávacích aktivit Klub SpinUp, Univerzita Pardubice 23.4. 2013
DPSSLasers – projekt OP VK
• DPSSLasers - Výzkum a vývoj nové generace vysoce energetických, diodově čerpaných laserů pro aplikace
• financovaných z prostředků Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost, realizace probíhá ve spolupráci s HiLASE
• Cíl:
1) vybudování dvou nových výzkumných týmů
- vedené špičkově kvalifikovanými zahraničními vědci
- LULI-Ecole Polytechnique, Gigaphoton/ Waseda Universty
2) přenos unikátního know-how z oblasti laserových technologií směrem k cílovým skupinám
• Termín realizace projektu: 1. 7. 2012 – 31. 6. 2015
Přenos know-how z oblasti laserových technologií
Semináře a odborné exkurze
• Semináře českém a anglickém jazyce na univerzitách mimo hlavní město Prahu
• Exkurze v Badatelském centru PALS (prohlídka největšího laseru ve střední Evropě) a v budoucnu v laboratoři v Dolních Břežanech
Fyzikální ústav AV ČR jako příjemce projektu
• největší ústav Akademie věd ČR
• založen v roce 1952
• více než 750 zaměstnanců
• ředitel FZÚ doc. Jan Řídký, DrSc.
• spolupracuje s předními zahraničními laboratořemi, jako jsou:
CERN, DESY Hamburg, Max Born Institute Berlin, Rutherford Appleton Laboratory, FERMILAB, Institut Laue Langevin, synchrotrony ESFR v Grenoblu, ELLETRA, APS, Max Planck Insitut für Quantenoptik Garching
www.fzu.cz
HiLASE a ELI – vzájemná synergie
• Cílem HiLASE: vývoj a aplikace pevnolátkových diodově čerpaných laserů s vysokou energií a vysokou opakovací frekvencí
• uplatnění v široké škále průmyslových odvětví a ve výzkumu
• třetina experimentální a výzkumné kapacity HiLASE bude věnována aplikovanému smluvnímu výzkumu.
• Cílem ELI : vybudování nejintenzivnějšího laserového
zařízení na světě • výzkumné a aplikační projekty zahrnující interakci
světla s hmotou na intenzitě, která je asi 10 krát větší než současně dosažitelné hodnoty
• ELI bude dodávat ultrakrátké laserové pulsy trvající typicky několik femtosekund (10-15 fs) a produkovat výkon až 10 PW.
HiLASE
ELI Beamlines
Rozpočet HiLASE
Strukturální fondy
Státní rozpočet
85%
680 mil. Kč
Realizační fáze Mil. Kč vč. DPH
Laserové technologie
425
Stavba a pozemky 189
Podpůrné vybavení 33
Osobní výdaje 101
Ostatní 52
Celkem 800
15%
Lokalita – Dolní Břežany
Dolní Břežany
HiLASE
Stavba laserového centra
• 10/2012 Poklepání základního kamene
• 4/2013 Základní deska
Stavba laserového centra
• 05/2013
• 05/2013
HiLASE a ELI Beamlines
Laserové centrum HiLASE
15%
Lasery
prototypování komerčně nedostupných technologií,
testování koncepcí
pevnolátkové diodově čerpané lasery s vysokou
energií a vysokou opakovací frekvencí
Silnější a výkonnější
Úzká spolupráce s předními světovými vědecko-výzkumnými institucemi
např. Německo, Japonsko, Francie, USA, Jižní Korea …
Příležitost pro český průmysl
Uplatnění nových a progresivních technologií
Kompaktnější a jednodušší na
údržbu
Mezinárodní tým
• 30% žen
• více než 50% týmu tvoří zahraniční výzkumníci
• po zahájení plného provozu 60 členů
Znalostní trojúhelník spojený s HiLASE
15%
vědecké výsledky
potřeby průmyslu
školení experimentální zařízení
vědecké výsledky
další vzdělávání
PODNIKY
UNIVERZITY
LABORATOŘE
výzkum
inovace
vzdělání
Přínosy laserových center HiLASE a ELI
• vznik nových pracovních míst
• ekonomický rozvoj regionu
• vznik nových firem poblíž centra
• nové příležitosti pro dodavatele
• HiLASE a ELI – magnet pro vědce z celého světa
• kvalitní postgraduální vzdělávání
• přímý přístup k nejnovějším informacím a trendům
18
SOFIA
Kde má HiLASE svou laboratoř v současnosti?
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
• Zesílení světla stimulovanou emisí záření
• Zpětná vazba díky optickému rezonátoru (oscilátor)
• Aktivní prostředí
Zde dochází k SE a zesilování světla Pevnolátkové (krystal, sklo, keramika) Plynné
(atomární, iontové, molekulární) Polovodičové Kapalinové (barvivové) Plazmatické
Wikipedia.org
• Rezonátor
Zpravidla tvořen zrcadly Zajišťuje zpětnou vazbu Vymezuje směr a další
parametry laserového svazku
• Čerpání (buzení)
Dodává laseru energii Optické Elektrické Chemické
High monochromaticity & Narrow spectral width
20
Example:
Δλ21 (nm)
0.0027 THz kHz :
Highly collimated beam
21
Diffraction limited collimation
Very small focused spot
22
Diffraction limited focusing
High temporal & spatial coherence
23
can predict amplitude & phase
at any time at a given position
Wave is well behaved in space
Can predict amplitude and phase at
any position at a given time
High Power
24
CW PULSED
10-3 W miliwatt 109 W gigawatt
100 W watt 1012 W terawatt
103 W kilowatt 1015 W petawatt
106 W megawatt 1018 W exawatt
Very short pulse width
25
1 minute
10 fs light pulse Age of universe
Time (seconds)
Computer clock cycle
Camera flash
Age of pyramids
One month
Human existence
10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 106 109 1012 1015 1018
1 femtosecond 1 picosecond
1 nanosecond
In 1 second, light is travelling 7 times around the earth, in 100 fs light is travelling only 30 μm !!! t
Lasing action
26
Excited medium
If a medium has many excited molecules, one photon can become many.
ASE
L + +R Left mirror Right mirror
ASE
Excited medium pumping
Spontaneous emission in all direction
Laser setup
27
Laser active media
28
Active Media
Gases Liquids Solids
Atoms
Molecules
Ions
Excimers
Dyes Insulators
Semiconductors
He-Ne
Xe
CO2
CO
N2
Ar
Kr
Au
ArF
KrF
F2
Rhodamines
Coumarins
Nd:YAG
Yb:YAG
Ti:sapphire
GaAs
InGaAs
InGaAlAs
Typical geometries of laser active medium (solid state)
29
Increase of output power of the laser limits the cooling efficiency • Thermal lens n=n(T) • Cracking of the material
L=L(T)
Optical fiber
Rod - always has a cylindrical shape
Novel geometries
30
A
Fin detail
Cr:YAG
Yb:YAG
Al frame
diamond substrate
HR coating
AR coating
solder Yb:YAG
thin disk
Cooling water
DT<60 K
Multi-slab Thin disk
DT<4 K
Aplikace laserů
• Lasery okolo nás
• Průmysl
• Lékařství
• Výzkum
31
Lasery okolo nás
• Čtečky čárových kódů
• Laserová ukazovátka
32
• Záznamová média CD, DVD, Blu-ray
Lasery okolo nás
• Optické komunikace
– Aktuální světový rekord
339 Gb/s
33
Laserové zpracování materiálu
• Absorpce záření
– odrazivost povrchu
– koeficient absorpce- hloubka
• Tepelné transportní vlastnosti
– tepelná vodivost
– tepelná kapacita
• Termodynamické vlastnosti
– fázové změny v materiálu: tavení nebo vypařování
34
104
105
106
107
108
In
ten
zit
a [
W/
cm
2]
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2
Délka působení [s]
zahřívání
tepelné zpracování
trimování
odstranění materiálu
vrtání řezání
hloubkové svařování
vznik plasmy
vytvrzování rázovou vlnou
Laserové řezání
• energie paprsku laseru je absorbována,
• energie teplo,
• ohřev
o tavení materiálu,
o vypařování materiálu,
o hoření materiálu,
vznik řezu,
• vypařený, spálený materiál odchází v parách,
• natavený materiál je odfukován asistenčním plynem.
35
Typy zpracovatelných materiálů I
Řezané materiály
• Kovy
o konstrukční a korozivzdorné oceli, hliník, titan, měď, apod.
• Nekovové materiály
o Plasty (PE, PP), plexisklo, pryž,
o textilie, kůže, sklo, kompozity, speciální materiály (KNB).
Kovy Plasty Ostatní.
36
Řezání speciálních materiálů - příklady
• CNB, PKD destičky, utvářeče třísek,
• kompozitní materiály, polovodiče, kondenzátory –Si, GaAs,
• korozivzdorné oceli, NiTi stenty.
Typy zpracovatelných materiálů II
37
Laser při opracování materiálu
• Při použití pulsního laseru s krátkými pulsy lze výrazně zvýšit kvalitu zpracování
Nanosekundové pulsy Femtosekundové pulsy
38
Laserové svařování
• zaostřením paprsku laseru vzniká místo
s hustotou výkonu až 10 MW/cm2,
• vznik tavné lázně,
výhody:
chemicky čistý zdroj tepla,
poměr hloubky provaření ku šířce svaru (5:1),
svařování bez přídavného materiálu, redukce hmotnosti,
malá tepelně ovlivněná oblast svaru, malé deformace
bez rovnání,
vysoká kvalita svaru – pevnost, bez pórů,
vysoká rychlost svařování,
snadná ovladatelnost – automatizace,
univerzální – tloušťky 0,1 ÷ 10 mm.
39
Automobilový průmysl
• karoserie, výfuky, střechy: rychlost, snadné přeplátování,
Letecký průmysl
• části turbín - spojení speciálních materiálů
Dermatologie - Laserové odstranění tetování
• Účinnost procesu závisí na barvě tetování a hloubce pigmentu. Černý, modrý inkoust velmi dobře absorbuje záření Q-spínaných Nd:YAG laserů (1064 nm), pro červené a oranžové barvy- Q-spínaný rubínový laser (694 nm).
40
Vytvrzování povrchu rázovou vlnou
41
Different sizes of lasers
200 m x 100 m x 30 m
Nd:YAG or Yb:YAG
Laser pumping: flash lamps
Spectrum
Heat Useful radiation
Flash pumps • use only small part of spectrum • generate a lot of heat • lifetime • cheep • high excitation energy
Yb:YAG
Laser pumping: diodes
Spectrum
Heat Useful radiation
Diodes • use whole spectrum • low heating • small radiant area • expensive
Diode-pumped solid-state lasers
Yb:YAG absorption spectrum: - Wavelength of Max.: 942 nm
- FWHM : ~ 18 nm
InGaAs emission spectrum: - Wavelength of Max.: 939 ± 3 nm
- FWHM: ~ 4.5 nm - Temperature shift: ~ 0.3 nm/0C
HiLASE project: High average power pulsed lasers
CZ.1.05/2.1.00/01.0027
Goals
Průmyslové aplikace laserových technologií
• Testování odolnosti optických materiálů
• Zpevňování povrchu rázovou vlnou generovanou laserem
• Kompaktní zdroje rentgenového záření pro litografii
• Řezání, vrtání svařování speciálních materiálů pro automobilový a letecký průmysl
• Technologie laserového mikroobrábění
• Odstraňování povlaků, čištění povrchů
Milestones
Decision to provide a subsidy confirmed
Start of construction works
HiLASE cornerstone laying ceremony, laser technologies R&D, procurement
Market research and laser technologies feasibility study
Final building approval in Dolni Brezany, relocation, installation
Operational phase
09/2011
01/2012
09/2012
03/2012
03/2014
09/2015
07-08/2012: evaluation of STDR
15%
• International expert panel appreciated the Scientific and Technical Design Report of the HiLASE project (STDR)
• Critical evaluation of the STDR was provided by independent experts with long-term experience from Japan, India and USA
• The 167-page STDR consists of thorough laser systems design solution proposals for all HiLASE research programs
• HiLASE Research Program 1 (Thin disk laser) • Development of multi-J, kW class ps thin-disk laser system
• Mainly focused on medial and industrial applications
• Three beam lines with different beam parameters
• HiLASE Research Program 2 (Multi slab laser) • Development of 100 J / 10 Hz cryogenically cooled multi-slab ns
DPSSL system scalable to kJ level
• Applications: Laser-induced damage threshold test (LIDT),
Laser peening, Pumping source of OPCPA in the ELI project
• HiLASE Research Program 3 (Applications) • Using RA1 and RA2 lasers for industrial applications
• Applications:
EUV(13.5 nm) and Beyond-EUV(6.x nm) light source based
on laser-induced plasma,
Short pulse X-ray sources based on laser-Compton scattering
for biomedical imaging
LIDT and Laser peening
Key R&D activities
Research Programme 1
Development of multi-J, kW class thin-disk laser system (L1)
04/2013: 45 mJ @ 1 kHz
Principle of thin-disk laser
diamond substrate
HR coating
AR coating
solder Yb:YAG
thin disk
Cooling water
Laser beam
500 W diode pump power
Ø few mm; energy few mJ
12 kW diode pump power
Ø 35 mm; estimated energy: 2-3 J
> 5 kW diode pump power
Ø 8 mm; energy: 500 mJ
Available thin-disk heads
Yb:YAG (1030 nm):
• high quantum efficiency (91 %)
• large absorption bandwidth (10 nm) – low requirements
at the pump diodes (940 nm)
• no upconversion / excited state absorption
• high heat conduction and stress resistance of YAG
• long life time of the upper laser level (~1 ms)
• high emission bandwidth (~6 nm) – short pulses possible
Concept of kW-class thin-disk DPSSL
Beamline-C Beamline-B
500 mJ, 1-2 ps, 1 kHz 5 mJ, 1-2ps, 100 kHz
Beamline-A
750 m J, <3 ps, 1.75 kHz
Sub-contract
1,3 kW
Main
1 J, 1-2 ps, 10 Hz
100 mJ, 1-2 ps, 1 kHz
Pulse compressor
Pulse compressor
Cryogenic
Slab amplifier
Booster 100 W
10 W 500 W 500 W
Pulse compressor
Regenerative
Amplifier
Pulse stretcher
Oscillator
Pulse compressor
Oscillator
Pulse stretcher
Regenerative
Amplifier
Ring amplifier
Pre
Main
Industrial and Medical Applications Using High Energy Picosecond Pulse
Material processing
Higher harmonics generation
Compton X-ray source
EUV metrology source
MID-IR pulse Generation for LIDT
MID-IR pulse Generation for biomedical
High energy Thin disk Regenerative amplifier
Ring amplifier
Applications (EUV BEUV HHG …)
Analysis by simulations Exploring improvements
Evaluation of thin disk deformation ,gain (ASE) etc.
Comparison with numerical model
Strategy for in-house prototyping
Advantages of zero-phonon line pumping • Lower quantum defect
8.7 % @ 940 nm 5.9 % @ 969 nm
• Less heat generated in the gain medium Smaller deformation of thin disk Higher pump density
18 nm (FWHM@940 nm)
2.8 nm (FWHM@969 nm)
Improvement of O-O Efficiency via Zero-Phonon Line Pumping
969
nm
(ex.)VBG (Volume Bragg Grating) installed narrowband laser diode
59
High Energy Regenerative Amplifier- Prototype
60
• Yb:YAG thin-disk • 直径：10-mm • 厚み：200-µm • 励起波長：940-nm •発振波長：1030-nm
Thin Disk laser head
5mJ / 50 W @ 10 kHz (235 W cw pump)
o-o efficiency 21 % 126 roundtrips
Over 100 W in CW
August 2012 August 2012 September 2012 September 2012 October 2012 November-December 2012 January 2013 January 2013
High Energy Regenerative Amplifier with pulsed zero-phonon-line pumping
30 mJ @ 1 kHz (31.01.2013)
In-situ Thin Disk Deformation Measurement
Optical Table
Thin disk
Wavefront sensor
Probe source
(852-nm)
Shortwave pass filer
Precise Measurement of Thin Disk Deformation
Cooling water: Off Cooling water: On
Disk
Cooling water
Relative change
Off On
- =
Displacement less than 40-nm can be detected.
Temperature Measurement of Thin Disk Surface And Thermal Simulation
Thermally induced OPD
Comparison with experimental results
40-mJ, 1-kHz 22-W, 100-kHz
50-W, 10-kHz
30-mJ, 1-kHz 5-W, 100-kHz
Status of Thin Disk Beamlines
Research Programme 2
Development of 100 J / 10 Hz cryogenically cooled
multi-slab DPSSL system scalable to kJ level (L2)
Inspiration: laser Mercury
Project Mercury
Location USA
Application IFE/Ti:sa
Gain medium Yb:S-FaP
Temperature cryo
Pulse energy [J] 60 (100)
Pulse duration [ns] 14
Rep.rate [Hz] 10
Center wavelength [nm] 1050
Pump wavelength [nm] 899
o-o efficiency [%] 6 (12)
Advantages of cryo cooling YAG
Cooling options for [100 J- kJ] class lasers
Multi-slab amplifier Active mirror amplifier
Optical layout for 100J-class laser
8-pass 10 J pre-amplifier
4-pass 100 J power amplifier
Next Generation 100 J Amplifier
• Design in progress – Single head seeded by DiPOLE 10J
– 4-pass extraction architecture
• Tenders for key components issued – Gain media
– Pump diodes
– Cryo-system
10 J
100 J
Comparison of amplifier head sizes
Progress in gain media fabrication
• Pure YAG crystal grown with diameter up to 150 mm
• Doping YAG with Ce or Yb is also
possible
Layout/specification of HiLASE 100J amplifiers
75
Parameter Specification
Pulse energy > 100 J
Av. output power > 1 kW
Pulse length (FWHM) 2-10 ns
Pulse shape Programmable (150 ps steps)
Repetition rate 1 – 10 Hz
Output beam size 51mm*51mm (SG order > 8)
RMS modulation < 1%
Wavefront quality lambda/10
E-o efficiency > 12 %
8-pass 10 J pre-amplifier
4-pass 100 J power amplifier
(courtesy of STFC)
Heat deposition in HiLASE slab amplifiers
76
Flow chart of the 3D model
Output of the model: √ Stored energy √ Amplified Spontaneous Emission √ Heat deposition M. Sawicka et al. , JOSA B 29, no. 6,
1270-1276 (2012).
Thermal analysis of HiLASE slab amplifiers
77
Temperature [K]
Stress-strain [MPa]
Depolarization loss (after 64 passes)
- Sprinx Workstation - Intel Xeon processors - 128 GB RAM
Modeling results: Yb:YAG+Cr:YAG+He gas
He gas T Slab T
He gas cooling Initial temperature: 160 K Inlet velocity: 30 m/s Pressure: 5 bar
Wavefront correction simulator
- Laser diode is deforming square-shaped glass slab (test area) - Generated heat will reproduce the wavefront distortions of the 10 J laser - Closed-loop AO system with two DMs from Adaptica has been tested in the lab
Electro-static DM Photo-controlled DM
Laser-diode stacks for [100J- kJ] class lasers
Parameters QCW
Central wavelength 939 nm
Central wavelength tolerance ± 2nm
Spectral width (FWHM) < 5-6 nm
Repetition rate (f) 10 Hz
Pulse duration (t) 0.8-1.2 ms
Output power per stack > 2500 W
Fast axis collimation required
Power conversion efficiency > 50 %
Emitting area < 12 x 16 mm2
DILAS
Quantel
Northrop Grumman
Jenoptik
HiLASE team has built a computer controlled laser diode test and characterization setup
- Output power - Spectrum - Near field/far field
Laser-diode stack test bench
Spectroscopic meas. at cryo temp.
HORIBA (Yobin Yvon) spectrophotometer: - Scanning spectrograph - PMT image sensor - Resolution: 6 pm@1100 nm
Monochromator Photomultiplier
He cooling down to < 10 K will allow to determine the energy level splitting of Yb3+
Research Programme 3
Development of high-tech industrial and scientific applications
HiLASE infrastructure layout
Experimental halls for applications
• Normy ČSN ISO 21254 – 1 až 4
• Klíčový parametr pro všechny laserové komponenty
• Maximální hustota energie (pulzní laser, J∙cm-2) nebo hustota výkonu (kontinuální laser, W∙cm-2) svazku, který snese komponenta bez poškození při dané vlnové délce a trvání
• Statistická veličina
• Různé metody hodnocení poškození:
LIDT – měření prahu poškození materiálu způsobeného laserem
• Destruktivní / nedestruktivní (projev poškození)
• Povrchové / vnitřní (interakce s materiálem)
• Tepelné / ablační (mechanismus)
Laser Induced Damage Threshold station
• DPSSL • 0.75 J, 1 kHz (1 kW) • 100 J, 10 Hz (1 kW) • HiLASE L1-A & L2
According to ISO 21254-1
Semiconductor Lithography using EUV (13.5nm) Light
Intel requires a kilowatt EUV light source Driving Lasers • 100-kW pulsed CO2 laser with ns DPSSL • 40-kW pulsed CO2 laser with ps DPSSL
EUV lithography setup
• Solid-state laser • 3.3 mJ • 150 kHz • (500 W) • <10 ps
Pre pulse laser CO2 lasers
Pre-pulse Laser for High Volume Machine EUV Lithography
6.X nm Beyond EUV Source
Sn plasma & Mo/Si @ 13.5 nm
ArF laser @ 193 nm
? & ? @ ? nm
For laboratory use: • Solid-state laser • 100-200 mJ • 1 kHz • 1-100 ps
MID-IR Light Source Based on Picosecond Thin Disk Laser
• Pump Laser
– Yb:YAG thin-disk laser
• 100-W, 100-kHz
• 1-ps
• MID-IR light source using OPA and OPG
Yb:YAG laser
Crystal
OPG Crystal
OPA 10-W MID-IR source (cf. commercial product: <1-W)
Laser Processing Station
Drilling
Cutting
Welding
M.M.A. Khan et. all, J. of Mat. Proc. 212 (2012 )856
AISI 304L and AISI 430 stainless steels
• DPSSL • 0.5 J, 1 kHz • 100 J, 10 Hz • 5mJ, 100 kHz • HiLASE L1-B,C & L2
www.hilase.cz
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. Na Slovance 2
182 21 Praha 8 [email protected] www.hilase.cz
Navštivte nás také:
HiLASE: Nové lasery pro průmysl a výzkum
HiLASE (@hilaselasers)
