Projekt HiLASE – Ing. Tomáš Mocek, Ph.D.

Post on 20-Aug-2015

306 views 5 download

transcript

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

Informace naleznete…

www.hilase.cz

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 hilase@fzu.cz www.hilase.cz

hilase@fzu.cz

Navštivte nás také:

HiLASE: Nové lasery pro průmysl a výzkum

HiLASE (@hilaselasers)