Femtosaniye lazer ile işlenen yapıların katıhal lazerlerde uygulamaları ve üst çevrim pompalı Tm3+:KY3F10 lazerleri

Abstract

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.

Femtosecond lasers have been utilized in various applications including industrial and medical applications, scientific researches, imaging, and material processing, thanks to their intense short pulses. Micromachining of materials is another important application of femtosecond lasers for development of optical and electronic devices. Femtosecond laser micromachining method is based on micro structuring of materials with tightly focused femtosecond laser pulses that can modify the structure locally at the focal point in micro scale. This application has been widely used in the field of surface modification to develop new electro-optical devices such as plasmonic sensors, solar cells, opto-fluidic chips etc. This method has also been utilized in 3D processing to produce micro-structured optical devices inside bulk dielectric materials including waveguides, beam splitters, volume diffraction gratings. This thesis includes novel devices and results which were produced with femtosecond laser micro structured devices. Another practical application of the femtosecond laser ablation is nanoparticle generation in liquid. In this thesis, the first study has been performed with a graphene saturable absorber. By using femtosecond laser micromachining, graphene saturable absorber was selectively ablated from infrasil substrate in the form of micro arrays and utilized as loss adjustable zebra patterned graphene saturable absorber (ZeGSA) mode locker to generate femtosecond laser pulses at the wavelength of 1250 nm. As a second application, depressed cladding waveguides were written inside a highly doped Tm3+:BaY2F8 laser active medium and waveguide laser operation at the wavelength of 1.9 µm was reported for the first time. In addition to these femtosecond laser micromachining studies, nanoparticle generation of CeO2 was also reported. The rest of the thesis focuses on nonlinear absorption features and the first lasing operation of upconversion pumped Tm3+:KY3F10 crystal at 1.9 µm and 2.3 µm with 1064 nm Yb:fiber laser. In the first chapter, general concept of theoretical laser background and experimental approaches for laser characterization were given. Especially, generalized terms of interaction between light and materials that have quantized energy levels including absorption, spontaneous emission, and stimulated emission were discussed by using rate equations. Afterwards, energy level diagrams of two level and three level lasers were given with their rate equations. Requirements of lasing were explained in terms of pump threshold and positive feedback. After the general definition of lasing, solid state lasers have been introduced which was related the major part of the experimental studies performed in this thesis study. Optical components and basic laser resonator design were also given in this chapter for continuous and pulsed lasers. Since the experimental studies include femtosecond laser micromachining of materials and ultra-short pulse generation with zebra patterned graphene saturable absorber, operation of saturable absorbers, mode-locking of lasers and mode-locked laser parameters were introduced in this chapter. After stating the theoretical backround behind the concept of lasers, experimental characterisation methods implemented during the experiments were thoroughly introduced. These experimental methods present the ways of collecting data including determination of laser slope efficiency, optical spectrum, tuning data, intracavity loss analysis continuous wave and pulsed laser characterization. Further experimental measurements were also introduced including, pulse train, radio frequency spectrum and autocorrelation measurements for characterization of the mode locked lasers. Finally, this introduction chapter presents the novel aspects of the thesis and gives information about the motivation behind these experimental studies and results. In the second chapter, a novel device was reported based on micro-structured graphene, referred to as zebra-patterned graphene saturable absorber (ZeGSA), which can be used as a saturable absorber with adjustable loss to initiate femtosecond pulse generation. Laser micromachining, a monolayer graphene saturable absorber in the form of zebra stripes with varying duty cycle were employed in order to adjust the absorption and hence its insertion loss when it is placed inside a laser cavity. Graphene saturable absorbers have been utilized for mode-locking and ultrashort pulse generation thanks to their favorable optical properties. However, the small signal roundtrip loss of graphene is close to 5%, causing degradation in power performance especially in low gain lasers. To overcome this issue, previous studies have been performed to control the loss level of graphene by using chemical doping, capacitor structures and, super capacitor structures. These approaches work successfully. However, they also have drawbacks including irreversible fixed fermi level shift, in the case of chemical doping. And the risk of dielectric breakdown, in the case of solid-state graphene capacitors, since tens of volts are needed to bias the device. Also, the decrease of the saturable absorption bandwidth in the case of super capacitor structures due to Pauli blocking. The approach described in this thesis provides a method to adjust the loss level of graphene while maintaining its full spectral operating range. The second chapter of this thesis focuses on the details of the micromachining to form zebra stripes in graphene and application of the device to laser mode-locking near the wavelength of 1250 nm. In order to obtain zebra patterned graphene, selective femtosecond ablation method was employed by using an amplified 1 kHz Ti:Sapphire laser with a pulse duration of 120 fs . Thus, graphene stripes were ablated successfully without damaging the infrasil substrate. Six different regions with different duty cycle were inscribed by using this method. We have also used the unpatterned portion of the graphene to compare the performance of conventional monolayer graphene and the zebra patterned graphene. A Cr4+:forsterite laser was used to test the performance of the ZeGSA. By using stripes with a different duty cycle, the loss of the graphene structure could be varied in the range of 0.21 to 3.1%, providing improvement in the power performance during cw operation. As well as a notable improvement in pulse duration and pulse energy during mode locked operation. In particular, at the pump power of 6.3 W, the duration of the femtosecond pulses could be reduced from 62 fs to 48 fs with a corresponding improvement in the average output power from 68 mW to 114 mW. These studies provide a proof-of-principle demonstration of the great potential of the ZeGSA as an efficient laser mode locker with adjustable loss, and it could play a crucial role in the improvement of power and pulse width performance of passively mode-locked lasers over a wide spectral range. In the third chapter, the development of the femtosecond laser written waveguide Tm3+:BaY2F8 laser was reported for the first time. Recently, waveguide lasers have attracted great attention, since they can be operated at low threshold pump powers in comparison with solid-state bulk lasers, they possess compact resonator designs, and they are compatible with fiber-optic systems. Depressed cladding waveguide was written inside the bulk Tm3+:BaY2F8 crystal using an amplified Ti:Sappire laser which generates 120 fs pulses with the repetition rate of 1 kHz. The direct writing laser was focused 200 µm below the surface with 40X objective having the numerical aperture value of 0.65. At the end of the writing process, femtosecond laser written depressed cladding waveguide was obtained with 28 straight lines located in the form of circle having the diameter of 30 µm and length of 7 mm. To investigate the coupling properties of the waveguide, a continuous wave Ti:Sapphire laser was coupled to waveguide with a converging lens having a focal length of 30 mm. To analyse the propagation loss of the waveguide, Ti:Sapphire laser was tuned to non-resonant wavelength to (731 nm) avoid the absorption. Thus, from the analysis of the incident and transmitted powers, propagation loss of the femtosecond laser written waveguide was estimated as 0.32 dB/cm. After the determination of the propagation loss input laser tuned to resonant wavelength (781 nm) for lasing experiments. Laser setup was constructed by placing a high reflector and output coupler. Lasing operation was observed with two output coupler having transmission of 2% and 6% at the laser wavelength. From the optical spectrum measurements, the free running wavelength of the laser was obtained as 1858 nm. With 6% output coupler, as high as 34 mW output power was obtained at incident pump power of 553 mW. For 2% output coupler, the threshold pump power was measured as 23 mW. These results show that femtosecond laser written Tm3+:BaY2F8 waveguide laser can be employed in infrared laser applications due to their favorable features such as compact design, low laser threshold. In the fourth chapter of the thesis, nanoparticle generation of CeO2 material with femtosecond laser ablation is presented. CeO2 nanoparticles have various applications in the fields of electronics, automotive, construction and renewable energy. Because of its diverse applications, synthesis of CeO2 nanoparticles attracts a great deal of attention. Numerous techniques such as hydrothermal, solvothermal, aqueous precipitation, reversed micelles, thermal decomposition and flame spray methods have been reported to synthesize CeO2 nanoparticles. One of the alternative and effortless way compared to these methods of producing nanoparticles is femtosecond laser nanoparticle generation. With this motivation, CeO2 nanoparticles were generated using femtosecond laser ablation and investigated in detail within this thesis. In the experiments, a CeO2 pellet was placed inside a petri dish and immersed in isopropanol up to approximately 5 mm above the surface. Incident Ti:Sapphire laser pulses having 120 fs duration with the repetition rate of 1 kHz at the wavelength of 800 nm, was focused to the pellet surface with a converging lens of 50 mm focal length. The surface of the target material was scanned with tightly focused laser beam by 5-mm-long lines separated with 20 µm. 250 lines were inscribed to scan the 5 mm x 5 mm area on the surface. Thus, CeO2 nanoparticles were generated in isopropanol. To determine the feature size of the generated nanoparticles, two sets of measurement were performed. The nanoparticles were investigated under a scanning electron microscope (SEM), revealing the size of the particles are varying between 20 nm and 1 µm. For further investigation, the dynamic light scattering (DLS) measurement were performed and the size distribution was obtained with the average nanoparticle diameter of 333 nm. In this method, nanoparticles were produced in micro-gram scale after 30 minutes process. To enhance the amount of the produced nanoparticles, chemical precipitation method was employed. In this case, the sizes of the CeO2 nanoparticles were below 100 nm and the dielectric constant of the nanoparticles was obtained as 25. The measured dielectric constant of CeO2 nanoparticles was compared with commercially available CeO2 samples and the results revealed that the dielectric constant of nanoparticles are greater than the commercial samples. In addition, Fe doped CeO2 nanoparticles were generated and characterized in the context of this thesis. In the fifth chapter, 1.9 µm and 2.3 µm lasing operations of upconversion pumped Tm3+:KY3F10 laser with an Yb:fiber laser at 1064 nm were reported. Development of novel thulium ion doped 1.9 µm and 2.3 µm lasers has drawn a great deal of attention, due to several potential applications such as vibrational spectroscopy, high harmonic generation, biomedical optics and, gas sensing. In particular, various studies have been performed by several research groups to explore continuous wave and pulsed operations of 1.9 µm and 2.3 µm thulium lasers in novel host materials and with different pumping mechanisms. In this thesis these interesting absorption features of 8 at.% Tm3+:KY3F10 crystals at 1064 nm, and lasing characteristics of upconversion pumped infrared Tm3+:KY3F10 lasers at the wavelength of 1.9 µm and 2.3 µm were investigated. Upconversion pumping of the highly doped Tm3+:KY3F10 crystal involves a cascade of absorptions from the Tm3+ ion energy levels of 3H6 to 3H5 fallowed by 3F4 to 3F2,3 levels. Then, 2.3 µm lasing occurs between 3H4 and 3H5 levels and 1.9 µm lasing occurs between 3F4-3H6 levels. To experimentally determine this nonlinear absorption behavior of the Tm3+:KY3F10 crystal at 1064 nm, power transmission and z-scan measurements were performed. These measurements show that the absorption of the Tm3+:KY3F10 crystal increases with incident pump power intensity at 1064 nm and in the case of 2 mm long crystal, beyond the incident pump power of 500 mW corresponding to absorbed pump intensity of 49 kW/cm2, the crystal absorption reached 25%. Similar behavior was also obtained with 2.8 mm long crystal. The z-scan data show that the absorption of the crystal increased from 2% to 38% when the pump focus point position reaches the center of the crystal due to the excited state absorption. After the absorption characterization measurements, the lasing performance were investigated. Two different sets of cavity optics were used to investigate lasing at 1.9 μm and 2.3 μm, corresponding to the laser transitions 3F4-3H6 and 3H4-3H5, respectively. In the case of the 3F4-3H6 laser transition, an x cavity laser oscillator was constructed with a 2.3% output coupler and as high as 142 mW of output power was obtained at an incident pump power of 1.9 W at 1064 nm. Tunable laser operation could be obtained between 1849 and 1994 nm by using CaF2 and suprasil prisms. The highest slope efficiency of 29% with respect to average absorbed pump power was obtained with a 5.5% output coupler. For the case of 1.9 μm lasing, it was further demonstrated that the nonlinear absorption of the crystal at 1064 nm depends on the intracavity laser intensity as well as the pump intensity. The 3H4-3H5 laser transition was also investigated with the same crystal in a z-cavity configuration under upconversion pumping, giving as high as 130 mW of output power at the central wavelength of 2344 nm with 1.6 W of incident pump power. In the last chapter, the results of the experimental studies conducted in this thesis were summarized and possible future applications were discussed in detail.