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

585 views

Published on

http://spinup.upce.cz

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
585
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
11
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

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

  1. 1. Tomáš Mocek - Vědecký koordinátor / Projektový manažerRadka Kozáková - Manažerka vzdělávacích aktivitKlub SpinUp, Univerzita Pardubice23.4. 2013
  2. 2. DPSSLasers – projekt OP VK• DPSSLasers - Výzkum a vývoj nové generace vysoce energetických,diodově čerpaných laserů pro aplikace• financovaných z prostředků Operačního programu Vzdělávání prokonkurenceschopnost, realizace probíhá ve spolupráci s HiLASE• Cíl:1) vybudování dvou nových výzkumných týmů- vedené špičkově kvalifikovanými zahraničními vědci- LULI-Ecole Polytechnique, Gigaphoton/ Waseda Universty2) přenos unikátního know-how z oblasti laserovýchtechnologií směrem k cílovým skupinám• Termín realizace projektu: 1. 7. 2012 – 31. 6. 2015
  3. 3. Přenos know-how z oblasti laserovýchtechnologií
  4. 4. Semináře a odborné exkurze• Semináře českém a anglickémjazyce na univerzitách mimohlavní město Prahu• Exkurze v Badatelském centruPALS (prohlídka největšíholaseru ve střední Evropě) a vbudoucnu v laboratoři vDolních Břežanech
  5. 5. Informace naleznete…www.hilase.cz
  6. 6. Fyzikální ústav AV ČR jako příjemceprojektu• 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 AppletonLaboratory, FERMILAB, Institut Laue Langevin, synchrotrony ESFR vGrenoblu, ELLETRA, APS, Max Planck Insitut für Quantenoptik Garchingwww.fzu.cz
  7. 7. HiLASE a ELI – vzájemná synergie• Cílem HiLASE: vývoj a aplikace pevnolátkovýchdiodově čerpaných laserů s vysokou energií a vysokouopakovací frekvencí• uplatnění v široké škále průmyslových odvětví a vevýzkumu• třetina experimentální a výzkumné kapacity HiLASEbude věnována aplikovanému smluvnímu výzkumu.• Cílem ELI : vybudování nejintenzivnějšího laserovéhozařízení na světě• výzkumné a aplikační projekty zahrnující interakcisvětla s hmotou na intenzitě, která je asi 10 krát většínež současně dosažitelné hodnoty• ELI bude dodávat ultrakrátké laserové pulsy trvajícítypicky několik femtosekund (10-15 fs) a produkovatvýkon až 10 PW.HiLASEELI Beamlines
  8. 8. Rozpočet HiLASEStrukturální fondyStátní rozpočet85%680 mil. KčRealizační fázeMil. Kčvč.DPHLaserovétechnologie425Stavba a pozemky 189Podpůrné vybavení 33Osobní výdaje 101Ostatní 52Celkem 80015%
  9. 9. Lokalita – Dolní BřežanyDolní BřežanyHiLASE
  10. 10. Stavba laserového centra• 10/2012Poklepání základního kamene• 4/2013Základní deska
  11. 11. Stavba laserového centra• 05/2013• 05/2013
  12. 12. HiLASE a ELI Beamlines
  13. 13. Laserové centrum HiLASE15%Laseryprototypování komerčněnedostupných technologií,testování koncepcípevnolátkové diodověčerpané lasery s vysokouenergií a vysokou opakovacífrekvencíSilnější avýkonnějšíÚzká spolupráce s předními světovýmivědecko-výzkumnými instituceminapř. Německo, Japonsko, Francie, USA,Jižní Korea …Příležitostpro českýprůmyslUplatnění nových aprogresivních technologiíKompaktnější ajednodušší naúdržbu
  14. 14. Mezinárodní tým• 30% žen• více než 50% týmu tvoří zahraniční výzkumníci• po zahájení plného provozu 60 členů
  15. 15. Znalostní trojúhelník spojený s HiLASE15%vědeckévýsledkypotřebyprůmysluškoleníexperimentálnízařízenívědeckévýsledkydalšívzděláváníPODNIKYUNIVERZITYLABORATOŘEvýzkuminovacevzdělání
  16. 16. 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
  17. 17. 18SOFIAKde má HiLASE svou laboratoř v současnosti?
  18. 18. LASER = Light Amplification byStimulated 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) PlazmatickéWikipedia.org• Rezonátor Zpravidla tvořen zrcadly Zajišťuje zpětnou vazbu Vymezuje směr a dalšíparametry laserovéhosvazku• Čerpání (buzení) Dodává laseru energii Optické Elektrické Chemické
  19. 19. High monochromaticity &Narrow spectral width20Example:Δλ21 (nm)0.0027THz kHz:
  20. 20. Highly collimated beam21Diffraction limited collimation
  21. 21. Very small focused spot22Diffraction limited focusing
  22. 22. High temporal & spatial coherence23can predict amplitude & phaseat any time at a given positionWave is well behaved in spaceCan predict amplitude and phase atany position at a given time
  23. 23. High Power24CW PULSED10-3 W miliwatt 109 W gigawatt100 W watt 1012 W terawatt103 W kilowatt 1015 W petawatt106 W megawatt 1018 W exawatt
  24. 24. Very short pulse width251 minute10 fs lightpulse Age of universeTime (seconds)Computerclock cycleCameraflashAge ofpyramidsOnemonthHuman existence10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 106 109 1012 1015 10181 femtosecond1 picosecond1 nanosecondIn 1 second, light is travelling 7 times around the earth,in 100 fs light is travelling only 30 μm !!! t
  25. 25. Lasing action26Excited mediumIf a medium has many excited molecules, one photon can become many.ASEL + +RLeft mirror Right mirrorASEExcited mediumpumpingSpontaneous emissionin all direction
  26. 26. Laser setup27
  27. 27. Laser active media28Active MediaGases Liquids SolidsAtomsMoleculesIonsExcimersDyes InsulatorsSemiconductorsHe-NeXeCO2CON2ArKrAuArFKrFF2RhodaminesCoumarinsNd:YAGYb:YAGTi:sapphireGaAsInGaAsInGaAlAs
  28. 28. Typical geometries of laser active medium(solid state)29Increase of output power of thelaser limits the cooling efficiency• Thermal lens n=n(T)• Cracking of the materialL=L(T)Optical fiberRod - always has acylindrical shape
  29. 29. Novel geometries30AFin detailCr:YAGYb:YAGAl framediamondsubstrateHRcoatingARcoatingsolderYb:YAGthin diskCooling waterDT<60 KMulti-slab Thin diskDT<4 K
  30. 30. Aplikace laserů• Lasery okolo nás• Průmysl• Lékařství• Výzkum31
  31. 31. Lasery okolo nás• Čtečky čárových kódů• Laserová ukazovátka32• Záznamová média CD, DVD, Blu-ray
  32. 32. Lasery okolo nás• Optické komunikace– Aktuální světový rekord339 Gb/s33
  33. 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 vypařování34104105106107108Intenzita[W/cm2]10-7 10-6 10-5 10-410-3 10-2Délka působení [s]zahřívánítepelné zpracovánítrimováníodstranění materiáluvrtánířezáníhloubkovésvařovánívznik plasmyvytvrzování rázovou vlnou
  34. 34. Laserové řezání• energie paprsku laseru je absorbována,• energie teplo,• ohřevo tavení materiálu,o vypařování materiálu,o hoření materiálu,vznik řezu,• vypařený, spálený materiál odchází v parách,• natavený materiál je odfukován asistenčnímplynem.35
  35. 35. Typy zpracovatelných materiálů IŘezané materiály• Kovyo konstrukční a korozivzdorné oceli, hliník, titan, měď, apod.• Nekovové materiályo Plasty (PE, PP), plexisklo, pryž,o textilie, kůže, sklo, kompozity, speciální materiály (KNB).Kovy Plasty Ostatní.36
  36. 36. Řezání speciálních materiálů - příklady• CNB, PKD destičky, utvářeče třísek,• kompozitní materiály, polovodiče, kondenzátory –Si, GaAs,• korozivzdorné oceli, NiTi stenty.Typy zpracovatelných materiálů II37
  37. 37. Laser při opracování materiálu• Při použití pulsního laseru s krátkými pulsy lze výrazně zvýšit kvalituzpracováníNanosekundové pulsy Femtosekundové pulsy38
  38. 38. Laserové svařování• zaostřením paprsku laseru vzniká místos 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.39Automobilový průmysl• karoserie, výfuky, střechy:rychlost, snadné přeplátování,Letecký průmysl• části turbín - spojeníspeciálních materiálů
  39. 39. Dermatologie - Laserové odstraněnítetování• Účinnost procesu závisí na barvě tetování a hloubce pigmentu. Černý, modrýinkoust velmi dobře absorbuje záření Q-spínaných Nd:YAG laserů (1064 nm),pro červené a oranžové barvy- Q-spínaný rubínový laser (694 nm).40
  40. 40. Vytvrzování povrchu rázovou vlnou41
  41. 41. Different sizes of lasers200 m x 100 m x 30 m
  42. 42. Nd:YAG or Yb:YAGLaser pumping: flash lampsSpectrumHeatUseful radiationFlash pumps• use only small part of spectrum• generate a lot of heat• lifetime• cheep• high excitation energy
  43. 43. Yb:YAGLaser pumping: diodesSpectrumHeatUseful radiationDiodes• use whole spectrum• low heating• small radiant area• expensive
  44. 44. Diode-pumped solid-state lasersYb:YAG absorption spectrum:- Wavelength of Max.: 942 nm- FWHM : ~ 18 nmInGaAs emission spectrum:- Wavelength of Max.: 939 ± 3 nm- FWHM: ~ 4.5 nm- Temperature shift: ~ 0.3 nm/0C
  45. 45. HiLASE project:High average power pulsed lasersCZ.1.05/2.1.00/01.0027
  46. 46. Goals
  47. 47. Průmyslové aplikace laserových technologií• Testování odolnosti optickýchmateriálů• Zpevňování povrchu rázovouvlnou generovanou laserem• Kompaktní zdroje rentgenovéhozáření pro litografii• Řezání, vrtání svařováníspeciálních materiálů proautomobilový a letecký průmysl• Technologie laserovéhomikroobrábění• Odstraňování povlaků, čištěnípovrchů
  48. 48. MilestonesDecision toprovide a subsidyconfirmedStart ofconstruction worksHiLASE cornerstonelaying ceremony,laser technologiesR&D, procurementMarket researchand lasertechnologiesfeasibility studyFinal buildingapproval inDolni Brezany,relocation,installationOperationalphase09/201101/201209/201203/201203/201409/2015
  49. 49. 07-08/2012: evaluation of STDR15%• International expert panel appreciated the Scientificand Technical Design Report of the HiLASE project (STDR)• Critical evaluation of the STDR was provided byindependent experts with long-term experience fromJapan, India and USA• The 167-page STDR consists of thoroughlaser systems design solution proposalsfor all HiLASE research programs
  50. 50. • 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 nsDPSSL 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 basedon laser-induced plasma, Short pulse X-ray sources based on laser-Compton scatteringfor biomedical imaging LIDT and Laser peeningKey R&D activities
  51. 51. Research Programme 1Development of multi-J, kW classthin-disk laser system (L1)04/2013: 45 mJ @ 1 kHz
  52. 52. Principle of thin-disk laserdiamondsubstrateHRcoatingARcoatingsolderYb:YAGthin diskCooling waterLaser beam
  53. 53. 500 W diode pump powerØ few mm; energy few mJ12 kW diode pump powerØ 35 mm; estimated energy: 2-3 J> 5 kW diode pump powerØ 8 mm; energy: 500 mJAvailable thin-disk headsYb:YAG (1030 nm):• high quantum efficiency (91 %)• large absorption bandwidth (10 nm) – low requirementsat 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 emissionbandwidth (~6 nm) – short pulses possible
  54. 54. Concept of kW-class thin-disk DPSSLBeamline-CBeamline-B500 mJ, 1-2 ps, 1 kHz 5 mJ, 1-2ps, 100 kHzBeamline-A750 m J, <3 ps, 1.75 kHzSub-contract1,3 kWMain1 J, 1-2 ps, 10 Hz100 mJ, 1-2 ps, 1 kHzPulse compressorPulse compressorCryogenicSlab amplifierBooster100 W10 W 500 W 500 WPulse compressorRegenerativeAmplifierPulse stretcherOscillatorPulse compressorOscillatorPulse stretcherRegenerativeAmplifierRing amplifierPreMain
  55. 55. Industrial and Medical Applications Using HighEnergy Picosecond PulseMaterial processingHigherharmonicsgenerationComptonX-ray sourceEUV metrologysourceMID-IR pulseGeneration for LIDTMID-IR pulseGeneration for biomedical
  56. 56. High energy Thin diskRegenerative amplifierRing amplifierApplications (EUV BEUV HHG …)Analysis by simulationsExploring improvementsEvaluation of thin diskdeformation ,gain (ASE) etc.Comparison withnumerical modelStrategy for in-house prototyping
  57. 57. Advantages of zero-phonon line pumping• Lower quantum defect8.7 % @ 940 nm5.9 % @ 969 nm• Less heat generated in the gain mediumSmaller deformation of thin diskHigher pump density18 nm (FWHM@940 nm)2.8 nm(FWHM@969 nm)Improvement of O-O Efficiencyvia Zero-Phonon Line Pumping969nm(ex.)VBG (Volume Bragg Grating) installednarrowband laser diode
  58. 58. 59High Energy Regenerative Amplifier- Prototype
  59. 59. 60• Yb:YAG thin-disk• 直径:10-mm• 厚み:200-µm• 励起波長:940-nm•発振波長:1030-nmThin Disk laser head
  60. 60. 5mJ / 50 W @ 10 kHz (235 W cw pump)o-o efficiency 21 %126 roundtripsOver 100 W in CW
  61. 61. August 2012August 2012September 2012September 2012October 2012November-December 2012January 2013January 2013
  62. 62. High Energy Regenerative Amplifierwith pulsed zero-phonon-line pumping30 mJ @ 1 kHz (31.01.2013)
  63. 63. In-situ Thin Disk DeformationMeasurementOptical TableThin diskWavefront sensorProbe source(852-nm)Shortwave pass filer
  64. 64. Precise Measurement ofThin Disk DeformationCooling water: Off Cooling water: OnDiskCooling waterRelative changeOff On- =Displacement lessthan 40-nm can bedetected.
  65. 65. Temperature Measurement of ThinDisk Surface And Thermal SimulationThermally induced OPDComparison withexperimental results
  66. 66. 40-mJ, 1-kHz22-W, 100-kHz50-W, 10-kHz30-mJ, 1-kHz5-W, 100-kHzStatus of Thin Disk Beamlines
  67. 67. Research Programme 2Development of 100 J / 10 Hzcryogenically cooledmulti-slab DPSSL systemscalable to kJ level (L2)
  68. 68. Inspiration: laser MercuryProject MercuryLocation USAApplication IFE/Ti:saGain medium Yb:S-FaPTemperature cryoPulse energy [J] 60 (100)Pulse duration [ns] 14Rep.rate [Hz] 10Center wavelength [nm] 1050Pump wavelength [nm] 899o-o efficiency [%] 6 (12)
  69. 69. Advantages of cryo cooling YAG
  70. 70. Cooling options for [100 J- kJ] class lasersMulti-slab amplifier Active mirror amplifier
  71. 71. Optical layout for 100J-class laser8-pass 10 J pre-amplifier4-pass 100 J power amplifier
  72. 72. 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-system10 J100 JComparison of amplifierhead sizes
  73. 73. Progress in gain mediafabrication• Pure YAG crystal grown withdiameter up to 150 mm• Doping YAG with Ce or Yb is alsopossible
  74. 74. Layout/specification of HiLASE 100J amplifiers75Parameter SpecificationPulse energy > 100 JAv. output power > 1 kWPulse length (FWHM) 2-10 nsPulse shape Programmable(150 ps steps)Repetition rate 1 – 10 HzOutput beam size 51mm*51mm(SG order > 8)RMS modulation < 1%Wavefront quality lambda/10E-o efficiency > 12 %8-pass 10 J pre-amplifier4-pass 100 J power amplifier(courtesy of STFC)
  75. 75. Heat deposition in HiLASE slab amplifiers76Flow chart of the 3D modelOutput of the model:√ Stored energy√ Amplified Spontaneous Emission√ Heat depositionM. Sawicka et al. , JOSA B 29, no. 6,1270-1276 (2012).
  76. 76. Thermal analysis of HiLASE slab amplifiers77Temperature [K]Stress-strain [MPa]Depolarization loss(after 64 passes)- Sprinx Workstation- Intel Xeon processors- 128 GB RAM
  77. 77. Modeling results: Yb:YAG+Cr:YAG+He gasHe gas T Slab THe gas coolingInitial temperature: 160 KInlet velocity: 30 m/sPressure: 5 bar
  78. 78. Wavefront correction simulator- Laser diode is deforming square-shapedglass slab (test area)- Generated heat will reproduce thewavefront distortions of the 10 J laser- Closed-loop AO system with two DMsfrom Adaptica has been tested in the labElectro-static DM Photo-controlled DM
  79. 79. Laser-diode stacks for [100J- kJ] class lasersParameters QCWCentral wavelength 939 nmCentral wavelength tolerance ± 2nmSpectral width (FWHM) < 5-6 nmRepetition rate (f) 10 HzPulse duration (t) 0.8-1.2 msOutput power per stack > 2500 WFast axis collimation requiredPower conversion efficiency > 50 %Emitting area < 12 x 16 mm2DILASQuantelNorthropGrummanJenoptik
  80. 80. HiLASE team has built a computer controlled laser diodetest and characterization setup- Output power- Spectrum- Near field/far fieldLaser-diode stack test bench
  81. 81. Spectroscopic meas. at cryo temp.HORIBA (Yobin Yvon) spectrophotometer:- Scanning spectrograph- PMT image sensor- Resolution: 6 pm@1100 nmMonochromatorPhotomultiplierHe cooling down to < 10 K will allow todetermine the energy level splitting of Yb3+
  82. 82. Research Programme 3Development of high-tech industrialand scientific applications
  83. 83. HiLASE infrastructure layout
  84. 84. Experimental halls for applications
  85. 85. • 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 bezpoškození při dané vlnové délce a trvání• Statistická veličina• Různé metody hodnocení poškození:LIDT – měření prahu poškozenímateriálu způsobeného laserem• Destruktivní / nedestruktivní (projev poškození)• Povrchové / vnitřní (interakce s materiálem)• Tepelné / ablační (mechanismus)
  86. 86. Laser Induced Damage Threshold station• DPSSL• 0.75 J, 1 kHz (1 kW)• 100 J, 10 Hz (1 kW)• HiLASE L1-A & L2According to ISO 21254-1
  87. 87. Semiconductor Lithographyusing EUV (13.5nm) LightIntel requires a kilowatt EUV light sourceDriving Lasers• 100-kW pulsed CO2 laser with ns DPSSL• 40-kW pulsed CO2 laser with ps DPSSL
  88. 88. EUV lithography setup
  89. 89. • Solid-state laser• 3.3 mJ• 150 kHz• (500 W)• <10 psPre pulse laserCO2 lasersPre-pulse Laser for High Volume MachineEUV Lithography
  90. 90. 6.X nm Beyond EUV SourceSn plasma & Mo/Si@ 13.5 nmArF laser@ 193 nm? & ?@ ? nmFor laboratory use:• Solid-state laser• 100-200 mJ• 1 kHz• 1-100 ps
  91. 91. MID-IR Light Source Based onPicosecond Thin Disk Laser• Pump Laser– Yb:YAG thin-disk laser• 100-W, 100-kHz• 1-ps• MID-IR light source using OPA and OPGYb:YAG laserCrystalOPGCrystalOPA10-W MID-IR source(cf. commercial product: <1-W)
  92. 92. Laser Processing StationDrillingCuttingWeldingM.M.A. Khan et. all, J. of Mat. Proc. 212 (2012 )856AISI 304L and AISI 430stainless steels• DPSSL• 0.5 J, 1 kHz• 100 J, 10 Hz• 5mJ, 100 kHz• HiLASE L1-B,C & L2
  93. 93. www.hilase.czFyzikální ústav AV ČR, v. v. i.Na Slovance 2182 21 Praha 8hilase@fzu.czwww.hilase.czhilase@fzu.czNavštivte nás také:HiLASE: Nové lasery pro průmysl a výzkumHiLASE (@hilaselasers)

×