http://spinup.upce.cz

1. Tomáš Mocek - Vědecký koordinátor / Projektový manažer
Radka Kozáková - Manažerka vzdělávacích aktivit
Klub SpinUp, Univerzita Pardubice
23.4. 2013

2. 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

3. Přenos know-how z oblasti laserových
technologií

4. 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

5. Informace naleznete…
www.hilase.cz

6. 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

7. 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

8. 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%

9. Lokalita – Dolní Břežany
Dolní Břežany
HiLASE

10. Stavba laserového centra
• 10/2012
Poklepání základního kamene
• 4/2013
Základní deska

11. Stavba laserového centra
• 05/2013
• 05/2013

12. HiLASE a ELI Beamlines

14. 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

15. Mezinárodní tým
• 30% žen
• více než 50% týmu tvoří zahraniční výzkumníci
• po zahájení plného provozu 60 členů

16. Znalostní trojúhelník spojený s HiLASE
15%
vědecké
výsledky
potřeby
průmyslu
školení
experimentální
zařízení
vědecké
výsledky
další
vzdělávání
PODNIKY
UNIVERZITY
LABORATOŘE
výzkum
inovace
vzdělání

17. 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. 18
SOFIA
Kde má HiLASE svou laboratoř v současnosti?

19. 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

20. High monochromaticity &
Narrow spectral width
20
Example:
Δλ21 (nm)
0.0027THz kHz:

21. Highly collimated beam
21
Diffraction limited collimation

22. Very small focused spot
22
Diffraction limited focusing

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. Laser setup
27

28. 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

29. 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

30. 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

31. Aplikace laserů
• Lasery okolo nás
• Průmysl
• Lékařství
• Výzkum
31

32. Lasery okolo nás
• Čtečky čárových kódů
• Laserová ukazovátka
32
• Záznamová média CD, DVD, Blu-ray

33. Lasery okolo nás
• Optické komunikace
– Aktuální světový rekord
339 Gb/s
33

34. 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
Intenzita[W/cm2
]
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

35. 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

36. 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

37. Řezání speciálních materiálů - příklady
• CNB, PKD destičky, utvářeče třísek,
• kompozitní materiály, polovodiče, kondenzátory –Si, GaAs,
• korozivzdorné oceli, NiTi stenty.
Typy zpracovatelných materiálů II
37

38. Laser při opracování materiálu
• Při použití pulsního laseru s krátkými pulsy lze výrazně zvýšit kvalitu
zpracování
Nanosekundové pulsy Femtosekundové pulsy
38

39. 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

40. 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

41. Vytvrzování povrchu rázovou vlnou
41

42. Different sizes of lasers
200 m x 100 m x 30 m

43. 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

44. Yb:YAG
Laser pumping: diodes
Spectrum
Heat
Useful radiation
Diodes
• use whole spectrum
• low heating
• small radiant area
• expensive

45. 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

46. HiLASE project:
High average power pulsed lasers
CZ.1.05/2.1.00/01.0027

47. Goals

48. 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

49. 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

50. 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

51. • 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

52. Research Programme 1
Development of multi-J, kW class
thin-disk laser system (L1)
04/2013: 45 mJ @ 1 kHz

53. Principle of thin-disk laser
diamond
substrate
HR
coating
AR
coating
solder
Yb:YAG
thin disk
Cooling water
Laser beam

54. 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 emissionbandwidth (~6 nm) – short pulses possible

55. Concept of kW-class thin-disk DPSSL
Beamline-CBeamline-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

56. 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

57. 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

58. 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
969nm
(ex.)VBG (Volume Bragg Grating) installed
narrowband laser diode

59. 59
High Energy Regenerative Amplifier- Prototype

60. 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

61. 5mJ / 50 W @ 10 kHz (235 W cw pump)
o-o efficiency 21 %
126 roundtrips
Over 100 W in CW

62. August 2012August 2012September 2012September 2012October 2012November-December 2012January 2013January 2013

63. High Energy Regenerative Amplifier
with pulsed zero-phonon-line pumping
30 mJ @ 1 kHz (31.01.2013)

64. In-situ Thin Disk Deformation
Measurement
Optical Table
Thin disk
Wavefront sensor
Probe source
(852-nm)
Shortwave pass filer

65. 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.

66. Temperature Measurement of Thin
Disk Surface And Thermal Simulation
Thermally induced OPD
Comparison with
experimental results

67. 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

68. Research Programme 2
Development of 100 J / 10 Hz
cryogenically cooled
multi-slab DPSSL system
scalable to kJ level (L2)

69. 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)

70. Advantages of cryo cooling YAG

71. Cooling options for [100 J- kJ] class lasers
Multi-slab amplifier Active mirror amplifier

72. Optical layout for 100J-class laser
8-pass 10 J pre-amplifier
4-pass 100 J power amplifier

73. 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

74. Progress in gain media
fabrication
• Pure YAG crystal grown with
diameter up to 150 mm
• Doping YAG with Ce or Yb is also
possible

75. 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)

76. Heat deposition in HiLASE slab amplifiers
76
Flow chart of the 3D model
Output of the model:
√ Stored energy
√ Amplified Spontaneous Emission
√ Heat depositionM. Sawicka et al. , JOSA B 29, no. 6,
1270-1276 (2012).

77. 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

78. 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

79. 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

80. 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

81. 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

82. 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+

83. Research Programme 3
Development of high-tech industrial
and scientific applications

84. HiLASE infrastructure layout

85. Experimental halls for applications

86. • 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)

87. 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

88. 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

89. EUV lithography setup

90. • 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

91. 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

92. 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)

93. 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

94. 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)