LEE- Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19275

Gözat

Konu "laser optic system" ile LEE- Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Femtosaniye lazer ile işlenen yapıların katıhal lazerlerde uygulamaları ve üst çevrim pompalı Tm3+:KY3F10 lazerleri
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-05-07) Morova, Yağız ; Esinoğlu Aksoy, Seda ; Sennaroğlu, Alphan ; 509142117 ; Fizik Mühendisliği
    u tez çalışması ile yakın ve orta kızılaltı bölgede çalışan özgün katıhal lazerlerin geliştirilmesi amaçlanmış ve iki farklı deneysel yaklaşım uygulanmıştır. Bunlardan ilkinde femtosaniye lazer ile işlenen yapılar katıhal lazer tasarımlarında kullanılmıştır. Diğer yaklaşımda ise üst çevrim pompalama yöntemi kullanılarak Tm3+:KY3F10 lazeri iki farklı dalgaboyunda çalıştırılmıştır. Tezin ilk bölümünde, deneysel çalışmalarda kullanılan terimlerin ve kavramların tanıtılması hedeflenmiştir. Bu kapsamda lazer konseptine ait temel teorik altyapı ve deneysel karakterizasyon yöntemleri ile ilgili genel bilgiler sunulmuştur. Tezin ikinci bölümünde, grafen doyabilen soğurucunun femtosaniye lazer ile mikro şeritler oluşturacak şekilde yüzeyden kaldırılmasıyla elde edilen zebra desenli grafen doyabilen soğurucunun, üretimi ve bir test lazer kavitesi içerisinde kip kilitleyici olarak kullanılması sunulmuştur. Grafen doyabilen soğurucular, sahip oldukları avantajlı optik özellikler sayesinde lazer sistemlerinde yakın kızılaltı ve orta kızılaltı bölgelerini de kapayan geniş bir optik spektrum aralığında kip kilitleyici olarak kullanılmaktadırlar. Ancak sahip oldukları %2.3 küçük sinyal soğurması, bu kip kilitleyicileri kayba duyarlı düşük optik kazançlı lazer sistemleri için elverişsiz kılmaktadır. Bu kaybın azaltılmasına yönelik kimyasal katkılama, grafen tabanlı kapasitör, süper kapasitör yapıları gibi farklı deneysel yaklaşımlar literatürde gösterilmiştir. Bu yaklaşımlar genel olarak iyi sonuçlar vermesine rağmen, kimyasal katkılama yönteminde sabit Fermi seviyesi kayması, kapasitör yapılarda dielektrik bozulma riski, süper kapasitör yapılarda ise grafen doyabilen soğurucunun spektral operasyon aralığının daralması bu sistemlerin dezavantajları olarak öne çıkmaktadır. Bu nedenle bahsi geçen dezavantajları aşan ve aynı zamanda grafenin özgün özelliklerini taşıyan bir doyabilen soğurucu geliştirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Bu kapsamda tezin ikinci bölümünde sunulan çalışmada infrasil alttaş üzerine kaplanmış tek katmanlı grafen, femtosaniye lazer ile işlenerek zebra desenli grafen doyabilen soğurucu üretilmiştir. Bu üretim süreci seçici aşındırma (ablasyon) yöntemine dayanmaktadır. Bu yöntemde lazer hüzmesinin gücü grafenin aşınma eşiğinden yüksek, alttaş olan infrasilin aşınma eşiğinden düşük tutularak grafenin alttaşa zarar vermeden yüzeyden kaldırılması amaçlanır. Bunun için 120 fs darbe süresine sahip, 1 kHz tekrarlama frekansında ve 800 nm dalgaboyundaki Ti:safir lazeri, 20X büyütmeye sahip bir objektif ile örnek yüzeyine odaklanmış ve tek katmanlı grafen yüzeyden aşındırılarak grafen mikro şeritlerden oluşan altı farklı bölge elde edilmiştir. Her bölgede yüzeyden kaldırılan şeritler arasındaki mesafe değiştirilerek farklı grafen miktarlarına sahip bölgeler elde edilmiştir. Femtosaniye lazer ile mikro işlemenin ardından geliştirilen grafen yapısı, test lazeri olarak seçilen Cr+4:forsterite lazeri içerisine eklenmiş ve kip kilitleme performansı incelenmiştir. Yapılan deney sonucunda mikro işlemeye tabi tutulmamış bölgedeki grafen kaynaklı kayıp %4.14 olarak ölçülürken en düşük grafen kaybına sahip bölgenin kaybı ise %0.21 olarak hesaplanmıştır. Bu sayede grafen kaynaklı kayıplarda belirgin bir azalma tespit edilmiştir. Ayrıca aşındırılmamış bölgede elde edilen kip kilitleme performansı incelendiğinde, 6.3 W sabit giriş gücünde 68 mW çıkış gücü elde edilirken, %0.21 grafen kaybı olan bölgede aynı giriş gücünde elde edilen çıkış gücü 114 mW olarak ölçülmüştür. Darbe süreleri karşılaştırıldığında ise 62 fs'den 48 fs'ye düşüş gözlenmiştir. Bu sonuçlar, kaybı azaltılmış zebra desenli grafen doyabilen soğurucunun geleneksel grafen doyabilen soğurucuya göre lazer performansındaki belirgin iyileşmeyi göstermektedir. Tezin üçüncü bölümünde, femtosaniye lazer ile mikro işleme yöntemi kullanılarak dalga kılavuzu lazer geliştirilmesi ve karakterizasyonu sunulmuştur. Yapılan çalışmada, Tm3+:BaY2F8 kristaline ilk defa femtosaniye lazer ile dalga kılavuzu yazılmış ve bu kristalin lazer olarak çalıştırılması gösterilmiştir. Dalga kılavuzları, 800 nm merkez dalgaboyunda 120 fs darbe süresinde ve 1 kHz tekrarlama frekansındaki lazer hüzmesi 40X objektif kullanılarak %8 (atomik) Tm+3 iyonu katkılanmış baryum yitriyum florür (BaY2F8) kristaline, yüzeyin 100 µm altında sıkıştırılmış kılıf (depressed cladding) biçiminde yazılmıştır. 7 mm uzunluğunda 28 çizgi çizilerek yaklaşık 30 µm çapında silindirik formda sıkıştırılmış kılıf dalga kılavuzu oluşturulmuştur. Dalga kılavuzu yazımını takiben ışık eşleme deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerde dalga kılavuzuna, sürekli dalga formunda akort edilebilir Ti:safir lazeri, 3 cm odak uzaklığına sahip bir mercek ile eşlenmiştir. Eşlenen lazerin ilerleme kayıpları hesap edilirken soğurma etkisini minimize etmek amacıyla Ti:safir lazerinin dalgaboyu, Tm3+:BaY2F8 kristalinin soğurma bandı dışına alınarak 731 nm'ye ayarlanmıştır. Yapılan ölçümlerde üretilen dalga kılavuzunun ilerleme kaybının 0.32 dB/cm olduğu tespit edilmiştir. Optik eşleme deneylerini takiben pompa lazeri, 781 nm olan rezonant soğurma dalgaboyuna ayarlanmıştır ve elde edilen dalga kılavuzu, lazer rezonatörü içerisine eklenerek 1858 nm merkez dalgaboyuna sahip sürekli dalga lazer operasyonu gösterilmiştir. Geliştirilen dalga kılavuzu lazerinin, %2 çıkış aynası ile %3.3, %6 çıkış aynası ile %6.5 güç performansı veriminde çalıştığı tespit edilmiştir. Elde edilen en yüksek güç ise 553 mW giriş gücüne karşılık 34 mW olarak ölçülmüştür. En düşük eşik pompa gücü ise %2 çıkış aynası ile 23 mW olarak ölçülmüştür. Tezin dördüncü bölümünde, CeO2 nanoparçacıkların femtosaniye lazer ile işleme yöntemi ve kimyasal çökeltme yöntemi kullanılarak üretilmesi ve karakterizasyonu sunulmuştur. Lazer ile işleme yönteminde CeO2 pelet bir petri kabının içine yerleştirilerek yüzeyi yaklaşık 5 mm geçecek şekilde izopropil alkol ile doldurulmuştur. Hazırlanan örneğin yüzeyine 800 nm dalgaboyunda 1 kHz tekrarlama frekansında 120 fs darbeler üreten Ti:safir lazer hüzmesi, 50 mm odak uzaklığına sahip bir mercek ile odaklanmıştır. 5 mm uzunluğundaki çizigilerin 20 µm aralıklarla yan yana çizilmesi ile 5 mm x 5 mm alanındaki bir bölge lazer ile taranmıştır. Lazer taraması sırasında yüzeyden kopan CeO2 nanoparçacıklar izopropanol içerisinde toplanmıştır. Elde edilen parçacıklar taramalı elektron mikroskobu ile incelenerek 20 nm - 1 µm aralığında üretildiği görülmüştür. Ayrıca dinamik ışık saçılması ölçümü ile üretilen parçacıkların ortalama 333 nm çapına sahip oldukları görülmüştür. 30 dk süren bir işlem sonucunda mikro gram mertebesinde nanoparçacık üretilmiştir. Özellikle dielektrik özellikleri inceleyebilmek için parçacık üretim miktarı kimyasal çökeltme yöntemi kullanılarak artırılmıştır. Bu yöntem ile elde edilen parçacıkların boyutları 100 nm'nin altında olup CeO2 nanoparçacıklarının dielektrik sabiti oda sıcaklığında 25 olarak bulunmuştur. Üretilen ve ticari olarak satın alınan iki CeO2'nin dielektrik ölçümleri karşılaştırılmış ve CeO2 nanoparçacıkların dielektrik katsayısı daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca Fe katkılı CeO2 nanoparçacıkları üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Tezin beşinci bölümünde, literatürde ilk defa, 1064 nm dalgaboyunda üst çevrim pompalama yöntemi ile pompalanmış Tm3+:KY3F10 lazerinin 1.9 µm ve 2.3 µm dalgaboylarında çalıştırılması sunulmuştur. Florür tabanlı lazer kristallerinin kızılaltı bölgedeki lazer operasyonları, düşük fonon enerjileri, geniş spektral bölgedeki yüksek geçirgenlikleri gibi özellikleri nedeni ile birçok araştırma grubu tarafından incelenmiştir. Bu çalışmalarda genel olarak florür tabanlı lazer kristali grubunun bir üyesi olan Tm3+:KY3F10 kristali, konvensiyonel pompalama yöntemi olan 800 nm civarında doğrudan pompalanarak lazer olarak çalıştırılmıştır. Ancak bu kristalin 1064 nm dalgaboyuna sahip Yb:fiber lazeri ile üstçevrim pompalama yöntemi kullanılarak 1.9 µm ve 2.3 µm dalgaboyunda çalıştırılması ilk kez tez kapsamında yapılan çalışmalar ile gösterilmiştir. Bu çalışma kapsamında öncelikle %8 (atomik) Tm+3 iyonu katkılanmış KY3F10 kristalinin 1064 nm'de doğrusal olmayan soğurma özellikleri incelenmiştir. 2.8 mm uzunluğundaki Tm3+:KY3F10 kristalinin 1064 nm'deki temel seviye soğurmasının %2 olmasına rağmen pompa lazer şiddetinin artmasını takiben uyarılı seviye soğurmasının devreye girmesiyle %38 değerine ulaştığı görülmüştür. Ardından sırası ile x-kavite ve z-kavite mimarileri ile çalıştırılan 1.9 µm ve 2.3 µm lazerlerinin güç performansları incelenmiştir. 1.9 µm operasyonunda %2.3 çıkış aynası ile 1.9 W giriş gücünde en yüksek 142 mW çıkış gücü elde edilmiştir. Ayrıca kavite içerisine eklenen CaF2 ve suprasil prizmalar ile lazer dalgaboyunun 1849 nm - 1994 nm aralığında ayarlanabildiği gösterilmiştir. Bu konfigürasyon için en yüksek güç performans verimi, %5.5 çıkış aynası ile, soğurulan giriş gücüne göre %29 olarak elde edilmiştir. 2.3 µm deneylerinde ise z-kavite kullanılarak 1.6 W giriş gücünde %3 çıkış aynası kullanılarak, soğurulan pompa gücüne göre %36 verimle en yüksek 130 mW çıkış gücü elde edilmiştir. Tezin son bölümü olan sonuçlar bölümünde tez dahilinde yapılan deneysel çalışmaların sonuçları özetlenerek ileriye dönük potansiyel uygulamalarından bahsedilmiştir.