Transparentní keramika - požehnání pro společenství laserových vědců

Datum publikace
Kategorie aktualit
Perex

Transparentní keramika se v laserové technice využívá jako matrice aktivních laserových prostředí vysokovýkonových laserů, kde se začala prosazovat od začátku milénia. Díky svým jedinečným vlastnostem je atraktivní alternativou monokrystalů a skel, kdy nachází využití v široké škále oborů a aplikací zahrnujících optiku, vojenství, medicínu, detektory záření a další.

ol.lr { counter-reset: list; } ol.lr > li { list-style: none; position: relative; left: 1em; } ol.lr > li:before { counter-increment: list; content: counter(list, lower-roman) ") "; position: absolute; left: -1.4em; } ol.cit { counter-reset: list; } ol.cit > li { list-style: none; position: relative; } ol.cit > li:before { counter-increment: list; content: "[" counter(list, decimal) "] "; position: absolute; left: -2.5em; } table.materials thead th { font-weight: bold; text-align: center; color: #fff; background-color: #2890c1; } table.materials tbody td { text-align: center; background-color: #d6e7f5; }

Tento článek vyšel v čísle 4/2019 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autory jsou Samuel Paul David, Petr Navrátil, Martin Hanuš, Venkatesan Jambunathan, Martin Divoký, Antonio Lucianetti a Tomáš Mocek z laserového centra HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR.

 

Pevnolátkové lasery hrají důležitou roli na poli vědy i průmyslu, a to zejména díky jejich specifickým aplikačním možnostem. Relativně novým přírůstkem do oblasti pevnolátkových laserů je transparentní keramika, která zaujala „laserovou komunitu“ možností použití ve vysokovýkonových laserech, u nichž byly jako matrice aktivních prostředí až donedávna využívány monokrystaly nebo skla. Přestože se polykrystalickou keramiku podařilo využít jako aktivní prostředí laseru nedlouho po demonstraci prvního laseru, zůstával potenciál keramiky až do předvedení japonskými vědci v roce 1995 skryt. Transparentní keramika si našla užití v široké škále oborů a aplikací zahrnujících optiku, vojenství, medicínu, detektory záření a další, její tržní hodnota se má v roce 2024 podle předpokladů vyšplhat k hodnotě jedné miliardy amerických dolarů [1]. Keramika laserové kvality se svým specifickým potenciálem stává konkurencí monokrystalů při konstrukci vysoce účinných pevnolátkových laserů. Růst důležitosti transparentní keramiky je patrný i díky nedávné demonstraci laseru se středním výkonem 1 kW, realizované českými a britskými vědci s polykrystalickým médiem Yb:YAG [2]. Nepopíratelný přínos transparentní keramiky při vývoji laserů s vysokým výkonem a účinností je dobrým důvodem pro podrobnější představení této laserové matrice a převyprávění příběhu jejího vzniku.

Přehled pevnolátkových laserových médií

Jedním z největších objevů druhé poloviny 20. století je LASER, zařízení zesilující světlo pomocí stimulované emise záření. Ačkoliv Albert Einstein popsal koncept stimulované emise již v roce 1916, k první praktické realizaci zmíněného jevu došlo po více než čtyřiceti letech Thomasem Haroldem Maimanem 16. května 1960 v Hughesových výzkumných laboratořích v Kalifornii. Maiman použil syntetický krystal rubínu v podobě válcové tyče a fotografickou výbojku ve tvaru spirály, která byla obtočena kolem rubínové tyče [3]. Tato sestava byla vsunuta do válcového odražeče koncentrujícího světlo výbojky na rubínovou tyč a první laser byl na světě! Rubín je z hlediska chemického složení krystal Al2O3 dopovaný ionty chromu Cr3+ s elektronovou konfigurací 3d3. Ještě v tomtéž roce Sorokin a Stevenson z newyorské IBM demonstrovali laser založený na krystalu CaF2 s příměsí trojmocného uranu [4]. Později, v roce 1961, byl Alim Javanem a kolegy z Bellových laboratoří v New Jersey spuštěn první plynový He-Ne laser. Pevnolátkové lasery založené na nevodičích byly průběžně vytvářeny pomocí krystalických a skleněných matric. První keramický laser byl vytvořen v roce 1964, kdy se při kryogenních teplotách (77 K) na výstupu keramické matrice CaF2 dopované ionty Dy3+ objevily laserové oscilace. Důležitým příspěvkem materiálového výzkumu byl objev pěstování umělých granátů, díky němuž došlo k podstatnému zvýšení laserové účinnosti. Srovnatelným byl objev pěstování safíru dopovaného titanem, díky čemuž bylo k dispozici laserové prostředí se širokým spektrem zisku v oblasti mezi 660 a 1 180 nm. Porozumění spektrálním charakteristikám laserově aktivních iontů vedlo k vývoji mnoha krystalů a skel určených pro laserové aplikace.

obr_1_keramika.jpg
Popis
Obr. 1: Keramická deska Yb:YAG ve tvaru válce s tloušťkou 0,5 cm vyrobená firmou Konoshima Chemicals. Spolu s dalšími třemi podobnými deskami vytváří aktivní laserové prostředí v hlavním zesilovači HZ1 laserového systému Bivoj.

Laserové krystaly jsou obecně pěstovány konvenčními technikami růstu z taveniny. Například krystaly safíru dopované Ti3+ se pěstují Kyropoulosovou metodou za použití molybdenového kelímku. Vzhledem k vysokým teplotám je pro zamezení oxidace uvnitř pěstebního aparátu udržována inertní atmosféra nebo vysoké vakuum [5]. Czochralského metoda je široce rozšířená technika pro pěstování monokrystalů granátů, jako je yttrito-hlinitý granát (YAG). Chemikálie se taví v iridiovém kelímku, přičemž pro růst vysoce kvalitních krystalů se používají zárodečné krystaly. Použitelná část krystalů je omezena nehomogenním rozložením aktivních iontů podél poloměru krystalu. Obecně platí, že ve vnitřní části krystalů je jiná koncentrace dopantů než na jejich povrchu. Pro růst laserových krystalů je možné použít i některé novější techniky, jako například techniku růstu z laserem zahřívané základny (Laser-heated pedestal growth, LHPG), techniku mikrotažení (micro-pulling down, μ-PD), techniku svrchně založeného růstu z roztoku (top seeded solution growth, TSSG) a další. Techniky LHPG a μ-PD se s výhodou používají k rychlému růstu materiálů s vysokým bodem tání, jakými jsou seskvioxidy a granáty při udržení příznivé ceny. Pro materiály s nekongruentní teplotou tání, jakými jsou dvojné wolframáty je vhodná technika TSSG [6]. Kromě zmíněné nehomogenity aktivních iontů snižují praktickou využitelnost všech technik pěstování krystalů potřeba drahého laboratorního vybavení a dlouhá doba růstu krystalů s velkými rozměry. Proto byly u vysokovýkonových pevnolátkových laserů upřednostňovány skleněné matrice, které jsou snadno vyrobitelné i v měřítku metrů. Naneštěstí má sklo malou tepelnou vodivost, díky níž tento materiál nemůže efektivně odvádět deponované teplo, což jej činí nevhodným pro využití v laserech s vysokým středním výkonem nebo velkou opakovací frekvencí. Nastolené dilema přimělo materiálové výzkumníky, aby se poohlédli po dalších možných materiálech, a není překvapením, že vybrali polykrystalickou keramiku.

obr_2_keramika.png
Popis
Obr. 2: Časový vývoj výstupního výkonu laserů používajících keramický YAG.

Transparentní keramika pro lasery – historický přehled

Prvním známým keramickým předmětem je soška „Věstonické venuše“ objevené v archeologickém nalezišti poblíž Dolních Věstonic, jejíž stáří se odhaduje přibližně na 29 000 let. Keramika má polykrystalickou strukturu tvořenou krystalickými zrny oddělenými tenkým ohraničením. Kvůli přítomnosti center rozptylujících světlo, kterými bývají póry, hranice krystalických zrn, nečisté fáze, hrubé povrchy a další, taková keramika rozptyluje světlo a je tudíž neprůhledná. V půli 20. století se firmě General Electric za použití práškového oxidu hlinitého podařilo vyvinout průsvitnou keramiku, která od té doby nese jméno Lucalox. Díky odolnosti vůči tepelnému šoku a chemické stabilitě je Lucalox používán jako ochranný obal vysokotlakých sodíkových výbojek. První laser s aktivním prostředím tvořeným polykrystalickou keramikou Dy3+:CaF2 pracující při teplotě kapalného dusíku byl demonstrován jen několik let po Maimanově prvním laseru. V roce 1972 byla procesem spékání za přítomnosti sloučenin oxidů zirkonu, hafnia a thoria vyrobena polykrystalická keramika Nd3+:Y2O3 v transparentní podobě a za dalších pár let se ji podařilo využít v laseru stejně jako předtím neodymem dopované sklo, avšak s horším laserovým výstupem. V materiálovém výzkumu vedlo toto zjištění k úpadku zájmu o keramiku pro lasery, takže během následujících deseti let byl zaznamenán pouze mírný pokrok. V roce 1984 byl v podobě transparentní keramiky vyroben Nd:YAG, a to spékáním za přítomnosti směsi SiO2 a MgO. Nicméně kvalita vyrobené keramiky nebyla dostatečná pro efektivní laserovou činnost, prahová hodnota čerpání byla 25krát vyšší než stejná hodnota pro krystalický Nd:YAG [7].

obr_3.png
Popis
Obr. 3: Hlavní kroky výrobního postupu transparentní keramiky Yb3+:Y2O3 technikou reakce v pevné fázi. a) vysoce čisté prášky oxidů yttria a ytterbia, b) mísení prášků, c) nízkotlaké jednosměrné lisování v hydraulickém lisu, d) tvarování izostatickým lisováním při vysokém tlaku za studena, e) nevypálená keramika, f) vysokoteplotní spékání v peci, g) hotová transparentní keramika.

První vysoce transparentní keramický laser Nd3+:YAG byl vyroben v roce 1995 skupinou japonských vědců vedených A. Ikesuem. Keramika připravená technikou „reakce pevné látky“ měla laserovou kvalitu a vykazovala kvalitativně srovnatelné vlastnosti s monokrystalickým Nd3+:YAG při laserové účinnosti 28 % [8]. Jiná skupina vědců z japonské firmy Konoshima Chemicals upravila techniku mísení různých prášků pro použití nanokrystalických materiálů a pomocí vakuového spékání vyrobila transparentní keramický Nd3+:YAG. První laser využívající tuto keramiku společnost představila v roce 1999, při dosažení laserové účinnosti 53 % se téměř smazal rozdíl mezi keramickými a monokrystalickými aktivními prostředími. Po dvou letech od první demonstrace Konoshimou byl na výstupu laseru s 20 cm dlouhou tyčí keramického Nd:YAG (o průměru 8 mm) naměřen výstupní výkon 1,46 kW. Tento úspěch zvýšil zájem o transparentní keramiku pro lasery, což v Japonsku vedlo v konečném důsledku k úspěšnému spuštění výroby keramiky granátů a seskvioxidů. Laser s keramickým aktivním prostředím Yb:YAG sestavený společností Grumman Corporation dosáhl rekordního výkonu 105 kW. Popisovaný vývoj je na obrázku 2 dokreslen prudkým růstem laserového výkonu při použití transparentní keramiky YAG, zobrazen je časový rozsah předešlých 25 let, po rekordním úspěchu z roku 2009 docházelo již jen k mírnému zvyšování výkonu. Zájem však nebyl pouze o transparentní oxidovou keramiku, v laserové kvalitě byla úspěšně připravena fluoridová keramika s matricí CaF2 a SrF2 dopovaná prvky vzácných zemin.

obr_4.png
Popis
Obr. 4: Podoby komerčně dosupné transparentní keramiky. a) gradientní dopování, b), c) odlišné složení pláště oproti jádru.

Převážně se transparentní keramika vyrábí z materiálů s kubickou krystalovou mřížkou – toto omezení plyne z dvojlomnosti nekubických materiálů, i když se pomocí pokročilé techniky výroby podařilo vyrobit také několik nekubických keramik, z nichž je zářným příkladem fluoroapatit (FAP), u něhož byla úspěšně otestována laserová činnost [9]. Laserová aktivní média se obecně vyrábějí v podobě desek nebo tyčí s uniformním složením, což není nutné díky výjimečným možnostem keramiky. Rozvoj technologie výroby přinesl kompozitní keramiku, která vzniká spojením materiálů s různým složením do jednoho kompaktního celku. Výroba kompozitních krystalů je také možná, proces spojování má ovšem extrémní požadavky na přesnost opracování krystalů, což je současně drahé a časově náročné. Výroba kompozitní transparentní keramiky je časově úspornější a následné opracování minimální. Tato výhoda přinesla možnost produkovat kompozitní keramiku s komplikovaným prostorovým rozložením dopantů, jako je to kupříkladu u gradientně dopované keramiky, u níž je gradientně měněna hustota příměsí, u keramiky s podélnou změnou materiálového složení, jako je to u kompozitu YAG/Nd:YAG/YAG, nebo u keramiky s odlišným složením pláště oproti jádru (viz ilustraci na obrázku 4). Takto vyrobená keramika přispěla k vývoji laserů s vysokou účinností a s požadovanými vlastnostmi výstupního svazku. Kupříkladu kompozitní keramika s gaussovským rozložením dopantů na průřezu aktivního prostředí napomáhá dosáhnout laserového svazku s gaussovským profilem. Keramika se změnou složení v čelové oblasti aktivního prostředí umožňuje potlačit tvorbu tepla podél čerpané části prostředí, čímž se sníží efekt tepelné čočky a zvýší se kvalita výstupního laserového svazku. Kompozitní keramika složená z laserově aktivního prostředí a saturovatelného absorbéru, konkrétně třeba Yb:YAG/Cr:YAG, slouží ke generaci Q-spínaných nanosekundových pulzů.

Výroba transparentní keramiky

Při výrobě transparentní keramiky laserové kvality se postupuje podle stejných kroků (viz ilustraci na obrázku 3), jakými se vytváří například žáruvzdorná keramika [10] – jsou jimi příprava prášku, tvarování a vysokoteplotní spékání, nicméně v případě transparentní keramiky je třeba bedlivě hlídat výrobní parametry od čistoty prášku po konečné vyleštění povrchu keramiky. Kvalita použitých prášků je nesmírně důležitá pro vytvoření výrobku s požadovanými vlastnostmi. Existuje několik technik pro jejich zpracování do požadované velikosti, tvaru a prostorového rozložení. Kaž­dá nese jméno výzkumníka, který ji vyvinul a osvojil si ji, dvě nejběžnější jsou dopodrobna popsány v následujícím textu. Ikesue a kol. ze společnosti World-Lab Co. si osvojili techniku reakce v pevné fázi, zatímco Yagi a Yanagitani z Konoshima Chemicals používají techniku srážení mokrou cestou k výrobě nanoprášků následované vakuovým spékáním. Na příkladu výroby keramického Yb:Y2O3 jsou tyto dvě techniky popsány pomocí vývojových diagramů na obrázku 5.

obr_5.png
Popis
Obr. 5: Vývojový diagram dvou nejběžnějších technik používaných k přípravě transparentní keramiky Yb3+:Y2O3, vlevo technika reakce v pevné fázi, vpravo srážení mokrou cestou.

Jak můžete z diagramu pozorovat, technika reakce v pevné fázi používá jako prekurzory vysoce čisté oxidy, které jsou v kulovém mlýnu semlety s malým množstvím spékací látky a tmelem v etanolu. Suspenze je rozprášena, čímž jsou získána kulová zrna. Vysušený prášek je při nízkém tlaku jednosměrně lisován v hydraulickém lisu, poté následuje studené izostatické lisování při vysokém tlaku, na jehož konci získáme keramický polotovar či preformu neboli nevypálenou keramiku, v angličtině „green body“ podle analogie s nezralými plody ovoce. Transparentní keramika je pak výsledkem vakuového spékání preformy při vysokých teplotách. Barevná centra vznikající vakancí kyslíku mohou být dodatečně odstraněna žíháním. Úspěšnost této techniky závisí na schopnosti dosáhnout jednotné velikosti zrn a na rovnoměrnosti rozmíchání prekurzorů při mletí v kulovém mlýnu. V případě techniky srážení mokrou cestou používané Konoshimou tyto technologicky problematické části odpadají, neboť prekurzory jsou míseny v podobě iontových roztoků, u kterých je nesrovnatelně jednodušší dosáhnout rovnoměrného rozmísení, a dále to napomáhá dosáhnout velmi jemných prášků se zrnitostí několika stovek nanometrů. Aby se připravené prášky dobře mísily se spékací příměsí, jsou míseny v kulovém mlýně. Preforma s vysokou hustotou se vytvoří odléváním suspenze, po vytvarování putuje do vysokoteplotní vakuové pece. Transparentní keramikou se stane po několika hodinách spékání.

Že vlastnosti výchozích prášků významně ovlivňují kvalitu transparentní keramiky, si uvědomili i materiáloví výzkumnici. Testovali proto několik výrobních technik, mezi nimiž byly proces sol-gel, spalovací syntéza, pyrolýza tepelným sprejováním (flame-spray pyrolysis) nebo hydrotermální syntéza a další. Těmito technikami lze vyrábět velmi jemné prášky bez větších shluků a s celkem jednotnou velikostí zrn. Tvoření a tvarování preforem probíhá buď lisováním za studena, jakým je jednosměrné lisování, nebo technikami lití, a to v podobě suspenzního lití, gelového lití nebo lití fólií [10]. Vzhledem k možnostem vyrábět keramiku velkých rozměrů a uniformitě gradientu uvnitř keramických preforem jsou posledně zmíněné techniky upřednostňovány. K odstranění tzv. otevřené pórovitosti a zahuštění keramiky slouží proces spékání, který v tomto případě probíhá ve vakuu (10−4 Pa). Přidání spékací příměsi může zefektivnit proces zahušťování keramiky před růstem a zhrubováním zrn – čím menší jsou zrna, tím lepší mechanické vlastnosti má výsledná transparentní keramika. Kromě vakuového spékání se k zahušťování keramiky používá i technika horkého lisování, při níž je aplikováno jednosměrné lisování spolu s vysokou teplotou. Tato technika umožňuje dosáhnout zhuštění při nižších teplotách, důsledkem čehož má vypálená keramika jemnější zrnitost. Posledním nezbytným krokem je odstranění tzv. reziduální pórovitosti. Provádí se žárovým izostatickým lisováním, při němž je na vypalovanou keramiku za stále vysoké teploty aplikován plyn s vysokým tlakem.

Překonávání problémů při výrobě transparentní keramiky laserové kvality

Výroba transparentní keramiky požaduje pečlivé sledování a udržování podmínek v každém výrobním kroku. Prášky by měly být dobře spékatelné kulové částice oproštěné od jakýchkoli nečistot a přítomnosti několika fází s odlišnými vlastnostmi. I malá odchylka od stechiometrie má za následek tvorbu jiné fáze, která u vypálené keramiky způsobuje rozptylové ztráty (viz ilustraci na obrázku 6). Kromě těchto fází způsobuje snížení transmisivity i přítomnost uzavřených pórů s velikostí odpovídající vlnové délce procházejícího záření. Abnormální růst zrn má za následek vznik reziduálních pórů, které je následně složitější odstranit. Keramika laserové kvality může obsahovat nejvýše pět pórů na milion zrn. Společnost Konoshima Chemicals úspěšně vyrábí vzorky s pórovitostí dvou pórů na milion zrn s absorpčním koeficientem nižším než 0,1 cm−1. Prášky vyráběné chemickou cestou vykazují vyšší čistotu, stejnorodost chemického složení, užší křivku rozdělení velikosti zrn, nižší seskupování a nanovelikost částic, což jsou žádoucí vlastnosti pro tvorbu keramiky s kontrolovatelnou pórovitostí.

obr_6.png
Popis
Obr. 6: Světelné ztráty vznikají v transparentní keramice v důsledku a) rozptylu na nečistotách a pórech, b) rozptylu na hranicích zrn, c) rozptylu na jiné fázi, d) odrazem a dvojlomem na hranici zrn, e) difúzním rozptylem na nerovnostech povrchu.

Dalším omezením pro vývoj transparentní keramiky je dvojlom nekubických materiálů, který způsobuje rozptyl záření. To je také hlavním důvodem, proč má většina transparentní keramiky kubické uspořádání. Anizotropní materiály mohou být převedeny do podoby kubických, a to buď zmenšením velikosti zrn do nanorozměrů, nebo orientováním částic vybraným směrem. Nekubická keramika laserové kvality již byla úspěšně vyrobena, byl jím fluorapatit s vysokou krystalickou texturou, dále též keramiky orientované pomocí magnetického pole s vysokou intenzitou. Rozptylové ztráty vznikající dvojlomem je díky těmto výrobním procesům možné podstatně snížit. Nicméně zvětšení rozměrů nekubické keramiky stále zůstává oříškem, což u vysokovýkonových pevnolátkových laserů předurčuje použití kubické keramiky.

obr_7.png
Popis
Obr. 7: Zobrazení povrchu lomové plochy transparentní keramiky Yb:LuAG pomocí skenovací elektronové mikroskopie (a) a pomocí zvětšovacího optického mikroskopu (b); zobrazení vyleštěného a tepelně leptaného povrchu pomocí elektronové mikroskopie (c) a zvětšovacím optickým mikroskopem (d) [11].

Ukázka vysokovýkonového pevnolátkového laseru s aktivním prostředím z keramického YAG

Pevnolátkové lasery dodávající pulzy s vysokou energií a velmi vysokým středním výkonem jsou velice žádané vědeckou komunitou, armádou, průmyslem a medicínou. Vývoj laserů s vysokou výstupní energií požaduje aktivní laserová prostředí s výbornou tepelnou vodivostí, aby při laserové činnosti docházelo k účinnému odvodu vytvářeného tepla, a s dobrými mechanickými vlastnostmi schopnými odolávat namáhání a tepelným šokům [11]. Transparentní keramika s kubickým uspořádáním vyráběná z oxidů splňuje všechny tyto požadavky, a byla proto první volbou pro lasery s vysokou výstupní energií. Aktivním prostředím laserů s vysokým výstupním výkonem se stal yttrito-hlinitý granát (YAG) dopovaný nejčastěji ionty Nd3+ nebo Yb3+. V roce 2009 společnost Northrop Grumman dosáhla při použití keramického Nd:YAG výkonu přesahujícího 100 kW. Iont Yb3+ má jednoduchou strukturu elektronových hladin oproti iontu Nd3+ a netrpí tak tepelnou zátěží, jež je důsledkem upkonverzních optických procesů, zejména absorpcí z vybuzeného stavu (ESA) – proto upoutal pozornost jako aktivní iont pro YAG matrice používané pro lasery s vysokou výstupní energií. S dostupností vysokovýkonových laserových InGaAs diod, jejichž emisní pásy dobře zapadají do absorpčních pásů ytterbia, se mohl vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů zaměřit na testování různých uspořádání čerpání a laserově aktivního prostředí, kterým byl Yb:YAG. Například na výstupu diodově čerpané kompozitní keramické tyče Yb:YAG s dopovaným jádrem a nedopovaným pláštěm byl výstupní výkon 520 W, zatímco s keramickými deskami bylo dosaženo výkonu vyššího než 1 kW.

obr_8.png
Popis
Obr. 8: Laserový systém Bivoj: YDFO – ytterbiový vláknový oscilátor, YDFA – ytterbiový vláknový zesilovač, PZ1, PZ2 – předzesilovače pracující při pokojové teplotě, HZ1, HZ2 – kryogenně chlazené hlavní zesilovače.

Zprovozněny byly vysokovýkonové laserové zesilovače mnoha různých konstrukcí, s jednou tyčí (single rod), s cikcak průchodem svazku skrz desku (zigzag slab), s jednou deskou v pozici krajního zrcadla rezonátoru nazývanou aktivním zrcadlem (active mirror slab) a s několika deskami (multi-slab) s chlazenými čelními stěnami. Diodově čerpané systémy se zesilovačem s aktivním zrcadlem (AMA) a s vícedeskovým zesilovačem často úspěšně generují laserové pulzy s vysokou energií při vysoké opakovací frekvenci. Například francouzský systém Lucia se zesilovači s aktivním zrcadlem úspěšně produkoval pulzy s energií 14 J s 20% účinností při použití Cr4+/Yb3+:YAG kompozitní keramiky. Vícedeskový zesilovač je další oblíbenou konstrukcí, která umožňuje efektivní chlazení obou čel aktivního prostředí, díky čemuž je ideální pro lasery s vysokým středním výkonem. „Bivoj“ (viz obrázek 9) ve výzkumném centru HiLASE je právě takovým laserovým systémem, který využívá Yb dopované desky transparentního keramického YAG a dosahuje středního výkonu 1 kW, čímž pokořil laserový systém Mercury podobné konstrukce postavený v Lawrencově národní laboratoři (LLNL) v americkém Livermoru – ten používá čtrnáct chlazených desek krystalického stronciového fluorapatitu (S-FAP) dopovaného ytterbiem.

obr_9.jpg
Popis
Obr. 9: Laserový systém Bivoj. V popředí předzesilovače PZ1 a PZ2, v pozadí hlavní zesilovač HZ1.

Laserový systém Bivoj [2, 12] sestává ze dvou hlavních, kryogenně chlazených zesilovačů, na obrázku 8 označených HZ1 a HZ2. První zesilovací stupeň je tvořen čtyřmi keramickými deskami ve tvaru válce, každá s tloušťkou 0,5 cm a průměrem 4,5 cm (viz obrázek 1). K omezení nechtěných parazitních oscilací a k redukci zesílené spontánní emise (ASE) jsou desky opatřeny 5 mm tlustým pláštěm Cr4+:YAG s vysokou absorpci pro laserovou vlnovou délku 1 030 nm. Jednotlivé desky mají rozdílnou koncentraci Yb3+ iontů, která je navržena tak, aby se podél šíření svazku zachovávalo konstantní zesílení a tepelná zátěž. Při čerpací energii 33,6 J první stupeň zesiluje vstupní svazek s energií 62 mJ na výstupní energii přibližně 6 J a to zvládne desetkrát za vteřinu. Druhý stupeň zesilovače je složen ze šesti čtvercových desek Yb:YAG o straně 12 cm a tlustých 0,85 cm s vrstvou pláště z Cr:YAG (viz obr. 10) silnou jeden centimetr. Zesilovač druhého stupně při čerpání 465 J dokáže zesílit vstupní pulzy s energií 6 J na výstupní energii převyšující 100 J. Desky v obou hlavních zesilovačích jsou chlazeny prouděním plynného helia na teplotu 150 K. Při opakovací frekvenci 10 Hz a délce pulzů 10 ns přesahuje střední výkon výstupního záření 1 kW, čímž si systém Bivoj připsal světové prvenství v oblasti diodově čerpaných laserů. Dostupnost rozměrných keramických aktivních prostředí spolu s možností účinného chlazení umožnily podstatné zvýšení výstupní energie a pracovní frekvence pevnolátkových laserů, což otevřelo dveře novým aplikacím v mnoha oborech průmyslu, vědy a medicíny.

obr_10.jpg
Popis
Obr. 10: Šest keramických desek hlavního zesilovače HZ2 laserového systému Bivoj uchycené v rámu. Silně absorbující tmavý okraj dopovaný ionty Cr4+ slouží k omezení nechtěných parazitních oscilací a k redukci zesílené spontánní emise.

Závěr

Rychlejší výroba, nižší procesní teplota, levnější výrobní náklady, rozměrová škálovatelnost a možnost vyrábět složitá prostorová uspořádání dělá technologii výroby transparentní keramiky atraktivní pro pevnolátkové lasery. Tento článek by měl čtenáři poskytnout historický přehled vývoje transparentní keramiky pro laserové aplikace, stručně seznámit se dvěma hlavními výrobními technikami a diskutovat zdolané problémy a požadavky kladené při výrobě transparentní keramiky laserové kvality. S rostoucím zájmem o vysokovýkonové diodově čerpané lasery je transparentní keramika nejatraktivnějším aktivním prostředím a zůstane tak „požehnáním pro společenství laserových vědců“.

Poděkování

Práce na tomto článku byla finančně podpořena Evropským fondem pro regionální rozvoj a státním rozpočtem České republiky (projekt HiLASE CoE, čís. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_006/0000674; program NPU I, projekt čís. LO1602).

Literatura

  1. Transparent Ceramics Market Worth $1.1 Billion By 2024. Online: https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-transparent-ceramics-market
  2. P. Mason, M. Divoký, K. Ertel, J. Pilař, T. Butcher, M. Hanuš, S. Banerjee, J. Phillips, J. Smith, M. De Vido, A. Lucianetti, C. Hernandez-Gomez, Ch. Edwards, T. Mocek, J. Collier: „Kilowatt average power 100  J-level diode pumped solid state laser“, Optica 4, 438 (2017).
  3. T. H. Maiman: „Stimulated optical radiation in ruby“, Nature 187, 493 (1960).
  4. P. P. Sorokin, M. J. Stevenson: „Stimulated Infrared Emission from Trivalent Uranium“, Phys. Rev. Lett. 5, 557 (1960).
  5. A. Nehari, A. Brenier, G. Panzer, K. Lebbou, J. Godfroy, S. Labor, H. Legal, G. Chériaux, J. P. Chambaret, T. Duffar, R. Moncorgé: „Ti-Doped Sapphire (Al2O3) Single Crystals Grown by the Kyropoulos Technique and Optical Characterizations“, Cryst. Growth Des. 11, 445 (2011).
  6. G. Boulon: „Fifty years of advances in solid-state laser materials“, Opt. Materials 34, 499 (2012).
  7. G. With, H. J. A. van Dijk: „Translucent Y3Al5O12 Ceramics“, Material Research Bulletin 19, 1669 (1984).
  8. A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Kamata, K. Yoshida: „Fabrica­tion and Optical Properties of High‐Performance Polycrystalline Nd:YAG Ceramics for Solid‐State Lasers“, J. Am. Ceramic Soc. 78, 1033 (2005).
  9. J. Li, Y. Pan, Y. Zeng, W. Liu, B. Jiang, J. Guo: „The history, development, and future prospects for laser ceramics: A review“, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials 39, 44 (2013).
  10. H. Ovčačíková, J. Vlček: Speciální keramické materiály. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Ostrava 2013. Online: https://www.fmmi.vsb.cz/export/sites/fmmi/modin/cs/studijni-opory/resitelsky-tym-2-metalurgie/specialni-keramicke-materialy/Ovcacikova_Specialni-keramicke-materialy.pdf
  11. D. Zhou, Y. Shi, J. Xie, D. Chen, J. Dong, K. Ueda a J. Xu: „Laser grade Yb:LuAG transparent ceramic prepared by nanocrystalline pressure-less sintering in reducing H2,“ Opt. Mater. Express 7, 1274-1280 (2017).
  12. J. Pilař, M. De Vido, M. Divoký, P. Mason, M. Hanuš, K. Ertel, P. Navrátil, T. Butcher, O. Slezák, S. Banerjee, J. Phillips, J. Smith, A. Lucianetti, C. Hernandez-Gomez, Ch. Edwards, J. Collier, T. Mocek: „Characterization of Bivoj/DiPOLE 100: HiLASE 100-J/10-Hz diode pumped solid state laser“, Proc. SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 15. 2. 2018, s. 105110X.