MOČNOSTNI POD-NANOSEKUNDNI SVETLOBNI VIRŠAJN, MARKO (Avtor) Vidmar, Matjaž (Mentor) Petkovšek, Rok (Komentor) gkNamen doktorskega dela je bilo zasnovati, izdelati in analizirati močnostni podnanosekundni svetlobni vir, ki lahko generira močne optične impulze z dolžinami krajšimi od 100 ps na eni strani in take z dolžino do 2 ns na drugi strani območja. Njihove vršne moči pa so morale znašati med 500 mW in 1 W. Poleg tega je moral imeti svetlobni vir možnost programskega nastavljanja dolžine impulzov, njihove amplitude in ponavljalne frekvence v območju od 100 kHz do 50 MHz. Razvita naprava predstavlja bolj praktično in cenejšo rešitev vzbujevalnega vira za impulzne vlakenske laserske sisteme, ki so grajeni za aplikacije kjer se uporabljajo omenjene dolžine impulzov. Ozadje in motivacija za razvoj takega svetlobnega vira sta opisani v začetku uvodnega poglavja. Razložena je razlika med odstranjevanjem materiala s taljenjem (izparevanjem) in hladno ablacijo, kjer material odstranimo, ne da bi pri tem prišlo do termične deformacije obdelovanca. Izkaže se, da je to povezano s trajanjem in močjo optičnega impulza. Proces hladne ablacije je aplikativno zanimiv za izvajanje mikroobdelav na materialih, kjer se za ta namen uporabljajo vlakenski laserski sistemi tipa oscilator-ojačevalnik (angl. master oscillator power amplifier - MOPA). Gre za sistem, ki ima dva glavna gradnika, in sicer vzbujevalni svetlobni vir (oscilator) ter optični ojačevalnik. Kakšen je tipičen vlakenski ojačevalnik oziroma ojačevalna veriga pri teh sistemih ter opis tipičnih vzbujevalnih virov kot so rodovno vklenjen laser, mikročip laser in laserska dioda je predstavljeno v drugem delu uvodnega poglavja. Ker rodovno vklenjen laser in mikročip laser sama po sebi ne omogočata enostavnega nastavljanja dolžine impulza in ponavljalne frekvence, smo se odločili, da poskusimo to doseči z direktno modulacijo laserske diode. Da pa lahko iz odziva laserske diode, ki je posledica pojava preklopa ojačenja, izločimo začetno kratko oscilacijo in po potrebi generiramo tudi daljše impulze potrebujemo ustrezno impulzno električno krmiljenje. Zaradi zahtev, da potrebujemo električne impulze z amplitudo toka okrog 1 A in dolžino od 500 ps do 2 ns pri ponavljalnih frekvencah od 100 kHz do 50 MHz, so se kot edini primerni kandidati za pridobitev takih impulzov pokazali fotoprevodno polprevodniško stikalo, plazovni tranzistor, dioda s stopničastim prehodom v zaporno stanje (angl. step recovery diode - SRD) in tranzistor z visoko gibljivostjo elektronov (angl. high electron mobility transistor - HEMT) iz galijevega nitrida (GaN). Delovanje vsakega od omenjenih elementov in z njimi zgrajeni impulzni generatorji so predstavljeni v drugem poglavju, pri čemer je analiza fotoprevodnega polprevodniškega stikala narejena analitično, ostali tri elementi pa so bili preizkušeni empirično. Pri analizi plazovnega tranzistorja smo poleg osnovnega delovanja preverili še dve vezavi za povečevanje napetosti. To sta bili serijska in marxova vezava tranzistorjev. SRD diode smo v našem primeru uporabili za oblikovanje že generiranega daljšega impulza, kateremu smo izboljšali dvižni in upadni čas, obenem pa smo mu lahko s nastavljanjem prevodnih tokov skozi diodi spreminjali dolžino. GaN HEMT je bil uporabljen v ojačevalni verigi koncepta ojačevanja v osnovnem pasu, kjer smo zgradili verigo generatorja impulzov in njemu sledečih ojačevalnikov. Pri preizkusih se je pokazalo, da lahko vsem postavljenim pogojem za električne impulze zadostimo le z uporabo GaN HEMT tranzistorja. Ta je bil kot ključni element glavne ojačevalne stopnje uporabljen v konceptu ojačenja impulzov v osnovnem pasu. Del tega koncepta sta še dva segmenta in sicer je pred glavno stopnjo še predojačevalna stopnja, sestavljena iz dveh širokopasovnih (DC - 6 GHz) ojačevalnikov izvedenih v obliki monolitnih mikrovalovnih integriranih vezji (angl. monolithic microwave integrated circuit - MMIC) in generator šibkejših impulzov, katere pri tem konceptu ojačujemo. Generator je zgrajen iz komponent emitorsko sklopljene logike (angl. emitter coupled logic - ECL) in vsebuje tudi zakasnilno linijo za nastavljanje dolžin impulzov. Kako je omenjena ojačevalna veriga zgrajena in kakšen je njen odziv je opisano v tretjem poglavju. V našem primeru je svetlobni vir sestavljen iz dveh delov. Iz impulznega generatorja in laserske diode. Kakšne optične impulze bomo na koncu dobili je namreč odvisno od kombinacije obeh gradnikov. V četrtem poglavju je opisano kako smo z namenom iskanja najbolj optimalne kombinacije obeh, na našem impulznem krmilniku preizkusili tri hitre močne vzbujevalne laserske diode. Preizkušene so bile dve laserske diode s porazdeljeno povratno vezavo (angl. distributed feedback - DFB) in ena tipa Fabry-Perot (FP). Najprej smo preizkušali kako izločiti osnovno oscilacijo pojava preklopa ojačenja oziroma pridobiti najkrajši možni optični impulz z največjo močjo na način, da ima ta čim manj sekundarnih oscilacij ali repa, ki takemu impulzu običajno sledijo. Dalje smo preverili kakšni so optični odzivi, če laserske diode krmilimo z električnimi impulzi, ki jim spreminjamo dolžino do 2 ns. Končno smo izmerili tudi optične spektre izbranih laserskih diod in preverili, kako na stabilnost impulzov vpliva njihova temperatura. Na koncu smo svetlobni vir uporabili za vzbujanje vlakenske ojačevalne verige. Naloga vira je bila generacija osnovnega toka optičnih impulzov s ponavljalno frekvenco 40 MHz, dolžino 60 ps in vršno močjo 500 mW. Tok impulzov je bil v nadaljevanju razdeljen na vlake s po 20 impulzi s katerimi smo z nizkimi ponavljalnimi frekvencami med 1 kHz in 20 kHz vzbujali ojačevalno verigo. Zaradi velike povprečne moči impulzov iz vira smo poleg medstopenjskega filtriranja in impulznega črpanja zadnje ojačevalne stopnje v verigi, dosegli zmanjšanje ojačene spontane emisije in izboljšanje razmerja signal/šum glede na kontinuirano črpanje. Opis tega poskusa je narejen v petem poglavju.20172017-12-21 10:20:02Doktorsko delo/naloga99025sl