Recenzja II - Instytut Optoelektroniki WAT

Institute of Microelectronics and Optoelectronics
Warsaw University of Technology
Koszykowa 75, 00-662 Warsaw, Poland
phone: +48 22 234 7777, fax: +48 22 234 6063, e-mail: [email protected]
Warszawa, 01.05.2016
Dr hab. inż. Ryszard Piramidowicz, prof. PW
Politechnika Warszawska
Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki
RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
DLA RADY INSTYTUTU OPTOELEKTRONIKI WOJSKOWEJ AKADEMII TECHNICZNEJ
Tytuł rozprawy: Pompowany diodami laser neodymowy z zamkniętym, samo-adaptującym się rezonatorem
Autor rozprawy: mgr inż. Mateusz Kaśków
1. Jakie zagadnienie naukowe jest rozpatrzone w pracy/teza pracy/ i czy zostało ono dostatecznie
jasno sformułowane przez autora? Jaki charakter ma rozprawa (teoretyczny, doświadczalny, inny)?
Głównym celem rozprawy było opracowanie i zbadanie metody zwiększania sprawności generacji we
wzbudzanych poprzecznie (dwuwymiarowymi matrycami diodowymi) laserach ciała stałego z samoadaptującym się rezonatorem.
Autor postawił dwie tezy rozprawy, stwierdzając że:
(1) „samo-adaptujący się rezonator z zamkniętym obiegiem wiązki i wyjściem dyfrakcyjnym zapewnia
generację promieniowania laserowego w modzie bliskim ograniczenia dyfrakcyjnego z dużą
sprawnością”
oraz, że
(2) „samo-adaptujący się rezonator z Q-modulacją, z zamkniętym obiegiem wiązki i wyjściem
dyfrakcyjnym umożliwia generację impulsów nanosekundowych”.
Zarówno cel, jak i tezy rozprawy dobrze określają zagadnienie badawcze, które stawia przed sobą
Autor rozprawy. Sama rozprawa ma wyraźnie charakter eksperymentalny – składa się z szeregu zadań
badawczych, zmierzających konsekwentnie do opracowania i zbadania właściwości układu lasera
Nd:YAG z samo-adaptującym się rezonatorem, o kompaktowej konstrukcji, charakteryzującego się
sprawnością różniczkową większą niż 20 % i wysoką jakością generowanego promieniowania.
Należy podkreślić, że praca wpisuje się w nurt badań i prac rozwojowych poświęconych tematyce
objętościowych laserów ciała stałego pompowanych diodami laserowymi, stosunkowo nielicznie
reprezentowany w polskich jednostkach badawczych.
1
2. Czy w rozprawie przeprowadzono analizę źródeł (w tym literatury światowej, stanu wiedzy i
zastosowań w przemyśle) w sposób właściwy, świadczący o dostatecznej wiedzy autora? Czy
wnioski z przeglądu źródeł sformułowano w sposób jasny i przekonujący?
Wprowadzenie teoretyczne do kluczowych mechanizmów wykorzystywanych w konstrukcjach samoadaptujących się rezonatorów i analizę stanu wiedzy zawarł Autor w rozdziale 2 i rozdziale 3 rozprawy.
Rozdział 2 koncentruje się na opisie zjawiska odwracania frontu falowego, kluczowego dla
dyskutowanego w pracy typu rezonatora. W szczególności, oprócz ogólnych cech zjawiska, Autor
przedstawia opis matematyczny nieliniowego procesu mieszania czterofalowego i formułuje
podstawowe zależności opisujące relacje pomiędzy falami oraz omawia efekty nieliniowe
wykorzystywane do korekcji aberracji frontu falowego generowanego.
W rozdziale 3 omawia Autor efekt wysycania wzmocnienia w ośrodku aktywnym, przedstawiając
również podstawowy formalizm matematyczny opisujący formowanie przestrzennej siatki
wzmocnieniowej. Przedstawia również podstawową klasyfikację rezonatorów samo-adaptujących
oraz analizę stanu wiedzy w tej dziedzinie, omawiając zwięźle najważniejsze rozwiązania,
opublikowane w literaturze światowej.
Analizę źródeł można uznać za przeprowadzoną w sposób zadowalający, świadczący o dostatecznej
wiedzy i kompetencjach Autora. Można wprawdzie sformułować pewne zastrzeżenia odnośnie nieco
powierzchownego potraktowania fizyki opisywanych zjawisk, ale w mojej ocenie nie umniejszają one
w istotny sposób wartości tej części pracy, szczególnie biorąc pod uwagę jej inżynierski charakter i
praktyczny wymiar.
3. Czy autor rozwiązał postawione zagadnienia, czy użył właściwej do tego metody i czy przyjęte
założenia są uzasadnione?
Rozwiązanie postawionego zagadnienia naukowego przedstawione jest w rozdziałach 4 i 5. W
rozdziale 4 przestawia Autor ogólną koncepcję lasera Nd:YAG z samo-adaptującym rezonatorem z
zamkniętym obiegiem wiązki, wzbudzanego poprzecznie za pomocą matryc diod laserowych.
Dyskutuje również właściwości siatki wzmocnieniowej indukowanej w ośrodku aktywnym, uzasadnia
wybór ośrodka aktywnego oraz przedstawia wyniki projektowania układów pompujących (dla głowicy
pompowanej dwiema matrycami i jedną matrycą LD).
Rozdział 5, stanowiący, jak się wydaje, zasadniczą część pracy, skoncentrowany jest na badaniach
podstawowych parametrów opracowanego lasera Nd:YAG dla różnych trybów pracy – generacji
swobodnej oraz generacji z modulacją dobroci (aktywną i pasywną). W szczególności, Autor dyskutuje
i porównuje charakterystyki energetyczne, przestrzenne rozkłady wiązki generowanego
promieniowania oraz charakterystyki czasowe impulsów laserowych.
Wyniki badań przedstawione w rozdziałach 4 i 5 jednoznacznie potwierdzają postawione w rozprawie
tezy o możliwości uzyskania w badanym układzie generacji promieniowania w modzie bliskim
ograniczenia dyfrakcyjnego z dużą sprawnością oraz możliwości uzyskania impulsów
nanosekundowych. Uzyskane wartości parametru M2 sięgają 1.4, a najkrótsze impulsy laserowe
charakteryzują się czasem trwania poniżej 10 ns (w układzie z aktywną modulacją dobroci).
Nie mam zastrzeżeń co do poprawności przyjętych założeń oraz metod zastosowanych do rozwiązania
problemu naukowego, szczególnie, że pozwoliły one na uzyskanie znakomitych wyników,
opublikowanych w czasopismach najważniejszych dla reprezentowanej przez Autora dziedziny
naukowej.
4. Na czym polega oryginalność rozprawy, co stanowi samodzielny i oryginalny dorobek autora, jaka
jest pozycja rozprawy w stosunku do stanu wiedzy czy poziomu techniki reprezentowanych przez
literaturę światową?
Oryginalnym wynikiem rozprawy jest przede wszystkim opracowanie, zbudowanie i przetestowanie
lasera Nd:YAG w układzie samoadaptującego rezonatora nowego typu o znakomitych parametrach
wyjściowych – porównywalnych z najlepszymi konstrukcjami raportowanymi w literaturze światowej.
Autorowi udało się opracować rozwiązanie charakteryzujące się wysoką wartością sprawności
różniczkowej generacji (ponad 30%) oraz znakomitymi parametrami jakości wiązki M2 (w zależności
od typu lasera przyjmujące wartości od 1.6 do 1.4), pozwalające na uzyskanie monoimpulsów o czasie
trwania poniżej 10 ns.
Opracowane rozwiązanie wymagało zarówno szerokiej wiedzy teoretycznej i praktycznej z zakresu
techniki laserów ciała stałego, jak też rozwiązania szeregu problemów natury ściśle inżynierskiej, które,
choć nie są wyczerpująco opisane w rozprawie, z całą pewnością stanowiły poważne wyzwanie
podczas prac konstruktorskich i badawczych, przeprowadzonych w ramach niniejszej rozprawy.
Autor wywiązał się z tych zadań bez zarzutu, co potwierdza jego wysokie kompetencje naukowe i
konstrukcyjne, wystawiając jednocześnie znakomite świadectwo zespołowi, w którym realizował
swoją pracę doktorską.
Dodatkowym potwierdzeniem oryginalności wyników przedstawionych w rozprawie są liczne
publikacje naukowe Autora, na którego imponujący dorobek publikacyjny składają się w sumie 43
prace, w postaci artykułów (12) i referatów konferencyjnych (31), spośród których 11 jest
bezpośrednio związanych z tematyką rozprawy (w tym 4 artykuły w czasopismach indeksowanych w
JCR).
5. Czy autor wykazał umiejętność poprawnego i przekonującego przedstawienia uzyskanych przez
siebie wyników (zwięzłość, jasność, poprawność redakcyjna rozprawy)?
Rozprawa została zredagowana w sposób przejrzysty i staranny, z dobrze zaplanowaną sekwencją
wywodów. Tym niemniej, w trakcie lektury dokuczliwe dla czytelnika mogą być elementy wyrażeń
żargonowych oraz pewna dezynwoltura w odniesieniu do konwencji gramatycznych i językowych,
będąca, jak sądzę skutkiem pośpiechu przy redakcji rozprawy. Poniżej wskazuję na kilka
przykładowych niedoskonałości tekstu, utrudniających nieco jego percepcję, choć nie umniejszających
w istotny sposób wartości samej rozprawy, którą oceniam bardzo wysoko.

(str. 8 i inne) „napompowanie całego ośrodka” – wydaje się, że lepiej brzmiałoby np.
„wzbudzenie optyczne całego ośrodka”;

(str. 9) „strojenie długości fali generacji” – wydaje się, że lepiej brzmiałoby np. „przestrajanie”;

(str. 9 i inne) „… które aberrują front falowy” – bardziej fortunne wydaje się być raczej pisanie
o „zniekształcaniu”;

(str. 12 i inne) „po krótce” – używane nagminnie zamiast „pokrótce”;

(str. 18 i inne) „…fala (…) dyfraguje…” – wydaje się, że lepiej brzmiałoby np. „ulega ugięciu”,
„ugina się” lub „podlega dyfrakcji”;

(str. 62) „Kąt rozbieżności każdego baru…”;

(str. 64) „Przednia ściana sztabki (…) była wypolerowana optycznie…”;

(str. 72) „…laser może pracować około 11-krotnie nad progiem”;

(str. 76) „…mieszanie czterech fal (…) nie posiada progu efektu”;

(str. 92) „Dynamika siatki (…) jest bardzo szybka”.
6. Jakie są słabe strony rozprawy i jej główne wady?
Praca nie ma wyraźnie słabych stron, jednak pomimo wysokiej wartości naukowej i uzyskanych
znakomitych wyników, jej lektura nasuwa pewne uwagi, przedstawione poniżej.
We wprowadzeniu do rozprawy Autor wspomina o „autorskiej koncepcji samo-adaptującego się
rezonatora”. Niestety, prezentując szczegóły rozwiązania (zawarte w rozdziałach 4 i 5), zapomina
Autor o podkreśleniu aspektów nowości i unikatowości, czy choćby o skomentowaniu różnic w
stosunku do rozwiązań przedstawionych w analizie stanu wiedzy. Analiza zaproponowanego w
rozprawie układu rezonatora i porównanie go z raportowanymi w literaturze przedmiotu, pozwala
oczywiście na wskazanie elementów nowatorskich, ale znacznie wygodniej byłoby znaleźć je
bezpośrednio w tekście rozprawy, z odniesieniem do innych rozwiązań. Zwraca uwagę również brak
dokładniejszego opisu szczegółów konstrukcyjnych – szkoda, że Autor opracowując i badając szereg
rozwiązań (o walorach demonstratorów laboratoryjnych) nie pokusił się o dokładniejszy ich opis, ani
choćby o zdjęcia dokumentujące zestawione na stole laboratoryjnym układy.
W rozdziałach 2 i 3, stanowiących wprowadzenie teoretyczne do zagadnień poruszanych w rozprawie,
Autor posłużył się nadmiernymi uproszczeniami i skrótami myślowymi, mogącymi sprawiać wrażenie
braku należytej orientacji w mechanizmach odpowiedzialnych za opisywane efekty. Po dyskusji
merytorycznej z Autorem, wiem, że jest to wrażenie mylne, ale dla porządku przytaczam poniższe
zastrzeżenia. W obu rozdziałach Autor wspomina o interferencji fal w objętości ośrodka aktywnego,
która skutkuje wyindukowaniem siatki dyfrakcyjnej, ale nie dyskutuje szerzej mechanizmów fizycznych
odpowiedzialnych za modulację współczynnika wzmocnienia (oraz współczynnika załamania)
- w szczególności przestrzennego wypalania dziur (SHB) - najwyraźniej zakładając, że wiedza o tych
efektach jest dla czytelnika oczywista. Nawiasem mówiąc, Autor wspomina również niefortunnie, że
fale interferują ze sobą w wyniku emisji spontanicznej, co stanowi nadmierny skrót myślowy.
Podobnie w rozdziale 4, Autor posługuje się pewnym uproszczeniem, utożsamiając rozkład gęstości
zaabsorbowanej mocy z profilem inwersji obsadzeń w ośrodku aktywnym (zarówno w tekście, jak i na
rysunkach 4.13 i 4.17). O ile w przypadku dyskutowanego układu Nd:YAG (generującego w układzie 4poziomowym, bez szczególnego udziału procesów pasożytniczych) jest to założenie uprawnione, to
wydaje się, że wymienne posługiwanie się określeniami „rozkład inwersji obsadzeń” oraz „rozkład
natężenia promieniowania pompującego” może być nieco mylące.
Ostatnia uwaga ma charakter terminologiczny. W całym tekście pracy Autor posługuje się
anglojęzycznymi określeniami układów badanych rezonatorów – reciprocal i non-reciprocal, co jest
zasadniczo zrozumiałe wobec braku polskiego nazewnictwa. Szkoda jednak, że Autor, będący przecież
członkiem jednego z najlepszych krajowych zespołów laserowych, nie pokusił się o próbę
zaproponowania polskich terminów opisujących ww. układy.
7. Jaka jest przydatność rozprawy dla nauk technicznych?
Prace nad nowymi rozwiązaniami laserów ciała stałego, optymalizacją układów pracy i poprawą
parametrów generacyjnych stanowią bez wątpienia jeden z najbardziej intensywnie eksplorowanych
obszarów techniki laserowej. Praca Pana mgr. inż. Mateusza Kaśków, poświęcona zagadnieniom
generacji promieniowania w objętościowych laserach ciała stałego z samo-adaptującymi się
rezonatorami, wpisuje się znakomicie w ten nurt badań, stosunkowo nielicznie reprezentowany w
polskich jednostkach badawczych.
Opracowane i przebadane rozwiązania, zaprojektowane i wykonane demonstratory układów oraz
uzyskane wyniki (już cytowane w literaturze światowej) stanowią z całą pewnością istotny wkład w
rozwój techniki impulsowych laserów ciała stałego, poszerzając stan wiedzy w tym obszarze i
potwierdzając przydatność niniejszej rozprawy dla nauk technicznych.
8. Do której z następujących kategorii Recenzent zalicza rozprawę:
a) Nie spełniająca wymagań stawianych rozprawom doktorskim przez obowiązujące przepisy
b) Wymagająca wprowadzenia poprawek i ponownego recenzowania
c) Spełniająca wymagania
d) Spełniająca wymagania z wyraźnym nadmiarem
e) Wybitnie dobra, zasługująca na wyróżnienie
9. Wnioski końcowe
Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska Pana mgr inż. Mateusza Kaśków spełnia kryteria
oryginalności rozwiązania problemu naukowego i umiejętności samodzielnego prowadzenia pracy
naukowej sformułowane w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach
i tytule w zakresie sztuki. Autor wykazał się odpowiednio wysokim poziomem wiedzy teoretycznej,
sprawnością projektowo-konstrukcyjną oraz kompetencjami badawczymi. Warto podkreślić, że
wynikiem prowadzonych przez Autora prac są konkretne rozwiązania techniczne, przetestowane
w zestawionych układach laboratoryjnych demonstratorów, co nadaje pracy dodatkowego wymiaru
konstrukcyjnego. Mając powyższe na uwadze wnoszę o dopuszczenie pracy doktorskiej
mgr inż. Mateusza Kaśków do publicznej obrony.
Dodatkowo, biorąc pod uwagę osiągnięcia konstrukcyjne, uzyskane wyniki (na bardzo dobrym,
światowym poziomie) oraz imponujący dorobek publikacyjny Autora, wnioskuję o wyróżnienie tej
rozprawy.
Dr hab. inż. Ryszard Piramidowicz, prof. PW