| by Zdzisław Jankiewicz | No comments

Ryszard Wodnicki – Opracowania w zakresie modulatorów elektrooptycznych z komórkami Kerra i Pockelsa

Ppłk dr inż. Ryszard Wodnicki

Ryszard Wodnicki urodził się 5.01.1946 r. w Przemyślu. Liceum Ogólnokształcące ukończył w 1963 r. w Bolesławcu Śląskim. W 1964 r. rozpoczął studia w WAT na Wydziale Elektroradiotechnicznym. Od początku 1965 r. kontynuował studia na wydziale Chemii i Fizyki Technicznej (specjalność Fizyka Techniczna). Studia ukończył w 1970 r. ze specjalizacją Elektronika Kwantowa i Ciała Stałego. Obronił pracę dyplomową nt. „Analiza modulacji nanosekundowej laserów gazowych” ( kierownik pracy płk doc. dr inż. Kazimierz Dzięciołowski). W tym samym roku rozpoczął pracę w Instytucie Elektroniki Kwantowej WAT na stanowisku st. asystenta w Zespole Laserów Dużej Mocy i Energii (Z III a). Zajmował się badaniami w zakresie generacji i modulacji promieniowania laserowego oraz budową lasera dużej mocy do badań plazmowych. Specjalizował się w projektowaniu, budowie i badaniach Komórek Pockels’a. 

Od początku 1976 r. został przeniesiony do Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, utworzonego przy Ministerstwie Nauki Szkolnictwa Wyższego i Techniki oraz MON przez prof. Sylwestra Kaliskiego.
W 1982 r. obronił pracę doktorską pt. „Programowana generacja impulsów podwójnych w laserze na ciele stałym” (promotor płk doc. dr hab. inż. Zdzisław Jankiewicz). W 1985 r. przeszedł do Instytutu Optoelektroniki WAT, gdzie zajmował się badaniami w zakresie techniki laserowej oraz dydaktyką.
W 1990 r. na własną prośbę zakończył czynną służbę wojskową i przeszedł w stan spoczynku. Od 1991 r., jako wiceprezes zarządu, uczestniczył w tworzeniu i rozwoju spółki Solaris Optics S.A.


Wykorzystanie laserów do różnych zastosowań, zależy w dużym stopniu od możliwości modulacji promieniowania laserowego, pozwalającej na odpowiednie sterowanie parametrami tego promieniowania. Istnieje szereg zjawisk fizycznych oraz metod, które mogą być wykorzystane do modulacji strumieni świetlnych. W zastosowaniach, w których nie są wymagane duże prędkości zmian parametrów, stosuje się często modulatory mechaniczne wykorzystujące skanery, wirujące elementy oraz efekt piezoelektryczny. 

Ze względu na możliwości sterowania oraz szybkość działania, najszersze zastosowanie w technice modulacji promieniowania laserowego znalazł efekt elektrooptyczny.

Od początku lat 70-tych podjęte zostały w WAT prace teoretyczne i eksperymentalne w zakresie laserowej mikrosyntezy termojądrowej. Do koncentrycznej laserowej kompresji plazmy potrzebny był układ laserowy o unikalnych wówczas na świecie parametrach. W badaniach tych potrzebne były impulsy laserowe o czasie trwania ok. jednej nanosekundy oraz energii kilkudziesięciu dżuli.

Budowa takiego układu laserowego rozpoczęta została przez Zespół IIIA będący w składzie Instytutu Elektroniki Kwantowej WAT. Wymagało to pokonania ogromnych trudności zarówno natury poznawczej jak i technicznej. Wymagało to również wielu nowych opracowań technologicznych, w tym również w zakresie szybkich modulatorów promieniowania laserowego. 

Znane już wówczas generatory laserowe z przełączaną dobrocią rezonatora generowały impulsy dużej mocy o typowym czasie trwania kilkudziesięciu ns. Należało zatem opracować dostatecznie szybkie układy elektrooptyczne, które pozwolą „wyciąć” impuls nanosekundowy z impulsu o czasie trwania kilkudziesięciu ns.

W Polsce nie były wtedy dostępne komórki Kerr’a lub Pockels’a niezbędna do budowy zarówno elektrooptycznych modulatorów strat rezonatora, a tym bardziej do wykonania bardzo szybkich „migawek” optycznych. 

Opracowano wówczas w Zespole III a IEK WAT technologię oraz konstrukcje komórek Kerra, które z powodzeniem zastosowano do przełączania dobroci rezonatora, a także poza rezonatorem laserowym jako szybkie migawki elektrooptyczne. Skonstruowano także układy wysokonapięciowe sterujące komórkami i pozwalające na uzyskanie czasu przełączania napięcia na komórce w czasie rzędy części nanosekundy [Fot. 1].

Opracowane rozwiązania układów elektrooptycznych z komórkami Kerr’a zastosowano  w pierwszej fazie opracowań generatora laserowego do eksperymentów plazmowych. Układ ten zawierał generator laserowy z przełączaną dobrocią rezonatora oraz zewnętrzny układ elektrooptyczny „wycinający” impuls o czasie trwania 3 ns z impulsu o dłuższym, kilkudziesięcionanosekundowym, czasie trwania [1],[2].Pozwoliło to na budowę w 1973 r. systemu laserowego na szkle neodymowym o mocy szczytowej impulsu ok. 30 GW i uzyskanie generacji neutronów z plazmy wytworzonej takim impulsem laserowym [1].

Fot. 1  Generator nanosekundowego impulsu laserowego wykorzystujący komórki Kerra do badań nad syntezą termojądrową

Komórki Kerr’a wymagają stosowania stosunkowo wysokich napięć przełączających i skomplikowanych układów sterowania . W zakresie światła widzialnego, w układzie półfalowym, napięcia te (zależne od długości fali) są średnio na poziomie kilkunastu kV. Fakt ten ogranicza w istotny sposób możliwości budowy dostatecznie szybkich i prostych przełączników elektrooptycznych.

Równolegle prowadzono zatem prace w zakresie konstrukcji i technologii komórek Pockels’a, w których elementem czynnym są kryształy elektrooptyczne. Wymagają one znacznie niższych napięć sterujących i pozwalają na stosowanie prostszych i szybszych układów sterujących.

Główne kierunki prac prowadzonych wówczas na świecie w zakresie kryształów wykazujących efekt elektrooptyczny, związane były zarówno z poszukiwaniem nowych materiałów jak też poprawą jakości optycznej materiałów już znanych. Badania te doprowadziły do uzyskania wielu kryształów elektrooptycznych, jednak tylko nieliczne z nich znalazły szersze zastosowanie praktyczne. Należą do nich przede wszystkim kryształy klasy 42m typu XDP. Podstawową rolę w tej grupie odgrywają kryształy KDDP, które charakteryzują się dużą wartością współczynników elektrooptycznych, stałej dielektrycznej, a także posiadają najwyższy próg uszkodzenia transmitowanym promieniowaniem. Kryształy KDDP stały się zatem podstawowym materiałem do budowy modulatorów promieniowania laserowego w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Stały się też przedmiotem szerokich prac technologicznych związanych z poprawą jakości optycznej oraz zwiększeniem gabarytów otrzymywanych monokryształów. 

Prace technologiczne podjęte wówczas w kraju w zakresie otrzymywania kryształów KDDP , pozwoliły na otrzymanie monokryształów o długości ok. 70 mm i jakości optycznej pozwalającej na budowę pierwszych laboratoryjnych komórek Pockels’a [3] . Technologia samych kryształów doskonalona była w późniejszych latach w IFPiLM (Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy), CLO (Centralne Laboratorium Optyki) i COBRABiD (Centralny Ośrodek Badawczo – Rozwojowy Aparatury Badawczej i Dydaktycznej). 

Prace podjęte w Z III a IEK WAT w zakresie konstrukcji i technologii komórek Pockels’a wymagały szeregu nowych opracowań. Kryształy KDDP są kryształami miękkimi, o silnych właściwościach higroskopijnych. Wymagało to opracowania specjalnej obróbki powierzchni czynnych tych kryształów. Opracowano także metodę zabezpieczenia higroskopijnych kryształów KDDP przed wpływem wilgoci atmosferycznej poprzez zastosowanie odpowiedniej cieczy imersyjnej. Opracowano także konstrukcje komórek o hermetycznej budowie, zamkniętej okienkami ze szkła optycznego lub topionego kwarcu. Przeprowadzono ponadto analizę rozkładu pola elektrycznego w krysztale w zależności od geometrii kryształu i elektrod, określając konfigurację gwarantującą wysoką jednorodność rozkładu pola [7].

W oparciu o wyniki tych prac wykonano konstrukcje komórek Pockels’a przeznaczonych do modulacji dobroci rezonatorów laserowych [Fot. 2]. Skonstruowano także zwarte przełączniki dobroci rezonatora laserowego, pozwalające na zmianę rodzaju pracy lasera [Fot. 3].

Fot. 2. Opracowane w Z IIIa komórki Pockels’a o różnych aperturach i zastosowaniach

Ze względu na małe pojemności elektryczne opracowanych konstrukcji komórek Pockelsa, pozwoliły one na uzyskiwanie nanosekundowych czasów przełączania i stosowanie znacznie prostszych układów sterujących [2, 5].

Rezultaty prac w zakresie konstrukcji i technologii komórek Pockels’a stały się także przedmiotem Patentu [4].

Wykorzystanie w praktyce efektu Pockels’a pozwoliło na  budowę bardzo szybkich modulatorów służących do kształtowania charakterystyk czasowych i przestrzennych promieniowania laserowego. Pozwalają one generować impulsy dużej mocy w laserach z przełączaną dobrocią rezonatora, sterować czasem trwania tych impulsów oraz wydzielać bardzo krótkie impulsy z impulsów o dłuższym czasie trwania. Modulatory te pozwalają także sterować procesem generacji i otrzymywać zarówno pojedyncze impulsy o zaprogramowanym profilu jak również serie oddzielnych impulsów według zadanego z góry programu [6, 8, 9].

Fot. 3. Komórka Pockels’a z wielopłytkowym, zapewniającym osiowe położenie wiązki laserowej, polaryzatorem

Możliwości te pozwoliły na szereg zastosowań praktycznych. Między innymi programowana generacja impulsów podwójnych pozwoliła na budowę holokamer, które dzięki podwójnej ekspozycji holograficznej umożliwiają wykrywanie i lokalizację defektów w materiałach poddawanych zmiennym w czasie obciążeniom [10].

Badania w zakresie poszukiwania nowych ośrodków wykazujących efekt elektrooptyczny zwróciły uwagę na kryształy LiNbO3. Są to kryształy twarde i niehigroskopijne, charakteryzujące się dużymi wartościami współczynników elektrooptycznych. Pozwalają na budowę komórek Pockels’a o małych gabarytach, prostszej konstrukcji i znacznie niższych napięciach sterujących [11]. Wadą kryształów LiNbO3 są wprawdzie dość silne własności piezoelektryczne, ale pozostałe właściwości są na tyle atrakcyjne, że komórki Pockels’a z tymi kryształami znajdują szerokie zastosowanie w modulatorach promieniowania laserowego [12, 13]. 

W kraju technologię otrzymywania monokryształów LiNbO3 opracowano w ITME (Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych). Kryształy te pozwoliły w latach 80-tych na wykonanie komórek Pockels’a dla potrzeb techniki laserowej [13].

W latach 90-tych w SOLARIS OPTICS SA. opracowane zostały wersje produkcyjne komórek Pockels’a zarówno z kryształami KDDP jak również kryształami LiNbO3 [13], które znalazły zastosowanie u producentów urządzeń laserowych.

LITERATURA

[1] S. Denus, Z. Jankiewicz, S. Kaliski, S. Kowalski, S. Nagraba, W. Nowakowski, P. Parys, E. Stefaniuk, J. Szydlak, W. Szypuła, R. Wodnicki, J. Wolski, J. Wołowski: „Generacja neutronów syntezy termojądrowej w plazmie wytworzonej silnym impulsem laserowym”, Biul. WAT, XXII, 8(252), 3, 1973.

[2] T. Andrzejewska, Z. Jankiewicz, E. Stefaniuk, J. Szydlak, R. Wodnicki, „ Przełączniki elektrooptyczne cz. I, II, III”, w: Materiały VI Konferencji EKON-74, Poznań, 1974.

[3] T. Andrzejewska, W. Fortuńska, K. Kulicki, W. Maleńczyk, W. Muniak, M. Otowski, E. Pałka, R. Suchańska, H. Włodarczyk, R. Wodnicki, U. Wrońska, „Badania krystalizacji D- KDP”,  Biul. WAT, XXVIII, nr 9 (325), 09, 1979 r. 

[4] Z. Jankiewicz, R. Wodnicki: PATENT PRL Nr.107552.

[5] Z. Jankiewicz, W. Bobak, L. Borowicz, W. Nowakowski, J. Szydlak, R. Wodnicki, „Badanie procesów dynamicznychza pomocą promieniowania spójnego”,  Proc. Conf. EKON-76, 97,  Poznań 1976.

[6] Z. Jankiewicz, W. Nowakowski, R. Wodnicki, „Generacja impulsów podwójnych w laserach na ciele stałym”, Biul. WAT, XXVI, nr 7(299), 33, 07, 1977.

Z. Jankiewicz, W. Nowakowski, R. Wodnicki:  „Generation of duble laser pulses by the method of gradual cutting off the resonator losses”  J. Techn. Phys., vol. XX, Nr 3, 1979, p.p. 299-313

[7] Z. Jankiewicz, E. Pelzner:  „Modulator światła z wykorzystaniem wzdłużnego efektu elektrooptycznego Pockels’a”Biuletyn WAT, vol. XXIX, Nr 1 (329), 1980, str. 21-32

[8] J. Badziak, A. Dubicki, W. Niedzielski, R. Wodnicki, „Laser pulse shaping by elektroopical method”, Proc. Conf. EKON-80, 53, Poznań 1980.

[9] Z. Jankiewicz „Generacja serii impulsów laserowych metodą stopniowego wyłączania strat rezonatora”, Dodatek do Biul. WAT, Nr 8 /336/, Warszawa 1980.

[10] A. Felske, A. Happe, “Double pulse laser holography as a diagnostic method in the automotive industry”

[11] Z. Jankiewicz, J. Szydlak, R. Wodnicki, „Kryształy wykorzystywane w technice laserowej”, AND, nr. 5(45), 7, 1985. 

[12] H. Wodnicka, R. Wodnicki, „Modulatory elektrooptyczne z kryształami LiNbO3” 

AND, nr. 1(71), 12, 1990.

[13] R. Wodnicki: “Pockels cells for the visible and near infrared spectral range”, 

Laser Magazin, 1/91, 22, 1991.