Engineering the nonlinear dynamics of photonic systems: Demonstration of the soliton-similariton fiber laser and nonlinear laser lithography
Fotonik sistemlerin doğrusal olmayan dinamiklerinin yönetimi: Soliton-similariton fiber lazer ve doğrusal olmayan lazer litografisinin gösterilmesi
- Tez No: 336856
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Physics and Physics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Fiber optics ampli?ers and oscillators, mode-locked lasers, ultrafast lasers, laser materials processing
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Genellikle performans sınırlayıcı kaynaklar olarak davranan doğrusal olmayan etkiler, ultrahızlı optikte kendini kolayca ve kaçınılmaz olarak gösterir. Fakat ultrahızlı atımların üretiminden kullanımına kadar birçok etkileyici fenomen de doğrusal olmayan etkilere dayanmaktadır. Doğrusal olmayan etkilerin dinamiklerini ve bunları kontrol edebilecek veya yönetebilecek mekanizmaları etkili bir şekilde anlamak, başka yöntemlerle erişilmesi zor hatta imkansız fenomenlerin gözlemlenmesine ve yeni fonksiyonların elde edilmesine olanak sağlar. Bu tez, ultrakısa atımlar üreten yenilikçi bir kip-kilitli salıngaçtan, bu atımların mikrojul enerji seviyesine yükseltilmesine, ve son olarak metal bir yüzeyle doğrusal olmayan etkileşimine dayanan yenilikçi bir nano-yapılandırma mekanizmasına kadar bir dizi bilimsel çalışma ortaya koymaktadır. Tez kapsamında geliştirilen yenilikçi kip-kilitli lazer kovuğunda atımlar, yükseltgenme varlığında özbenzeş yani similariton olarak, geri kalan kısımda ise soliton olarak ilerlemektedir. Görünüşte birbiriyle uyumsuz olan similariton ve soliton benzeri atımların, lazer salıngacının sınır koşullarını sağlayacak şekilde, birlikte var olabilmesi darbantlı bir spektral filtre gerektirir ve görülmemiş büyüklükte bir spektral nefes alımına sebep olur ki bu da şimdiye kadar üretilen herhangi bir kip-kilitli lazerdeki en kuvvetli doğrusal olmayan etkilerin gözlemlenmesini sağlamıştır. Geliştirilen lazer, filtrenin bant genişliği arttıkça saçılım-kontrollü lazere, anormal-saçılımlı fiberin boyu kısaldıkça ise salt-normal saçılım lazerine indirgenmektedir. Böylelikle dört temel kip-kilitli rejim de kapsanmaktadır. Dolayısıyla, bu rejimin çözümlenmesinin, diğer tüm kip-kilitli rejimlerin daha iyi anlaşılmasına vesile olacağını düşünüyoruz. Daha önemlisi, iki çekici çözümün tek bir lazer kovuğunda var olabilmesi, gelecekte yeni lazer tasarımlarına kapı aralayacaktır. Uygulama yönünden bakıldığında ise lazerin kolayca kip-kilitlenebilmesi ve mükemmel kısa ve uzun vadeli kararlılığı, hassas malzeme işleme uygulamaları için büyük potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Bu çalışmayla, bildiğimiz kadarıyla Dünya'da ilk defa, fiber içerisinde 57 kW tepe gücüne ulaşılmasını sağlayan, yüksek enerjili, fiberde tümleşik, doğrusal olmayan zamanla frekansı değişen atımlı yükseltgenme tekniğini göstermekteyiz. Buna bağlı olarak, pompa ve sinyal ışınlarının dışarı çıkmaksızın fiber içinde ilerlediği, 3 uJ ve 4 uJ enerjiye sahip, 70 ps uzunluğunda, kırınım ağı sıkıştırıcısında sırasıyla 140 fs and 170 fs uzunluğuna sıkıştırılabilen atımlar üreten fiber lazer yükselteci göstermekteyiz. Yükseltecin çıktısı, bir pikosaniye kaynağı olarak direk olarak kullanılabileceği gibi, lazer sistemi dışındaki bir kırınım ağı yardımıyla sıkıştırılarak da kullanılabilir. Bu yaklaşım, 10 MW tepe gücüne ulaşabilen ve hassas ayar gerektirmeyen dayanıklı bir lazer sistemi ortaya konabilmesini sağlamaktadır. Son olarak, doğrusal olmayan dinamiklerin kontrolünden öğrendiklerimizle beraber geliştirdiğimiz bu lazer sistemini, pozitif yerel olmayan geri bildirimlerle kendinden organize metal oksit nano yapıların büyümesini başlatan ve negatif yerel geri bildirimlerle de bu yapıları stabilize eden bir üretim metodunu göstermek için kullanıyoruz. Böylelikle eşsiz bir tekdüzeliği, yüksek hızda ve düşük maliyetle, düz olmayan veya esnek yüzeylerde elde edebiliyoruz. Kesintisiz biçimde nanoyapıları birleştirmek üzere geri bildirimin yerel olmayan doğasından yararlanarak, periyodisitede nm-altı tekdüzeliğe sahip belirli bir sınırı olmayan çok büyük alanları kaplayabiliyoruz. Prensipte çok çeşitli malzemeler üzerinde uygulanabilecek bu yaklaşımı TiO2 ve tungsten oksit nanoyapıların fabrikasyonunda gösteriyoruz. Anahtar Sözcukler: Fiber optik y¨ukselte¸cler ve salınga¸clar, kip-kilitli lazerler,ultrahızlı lazerler, lazerle malzeme i¸sleme.
Özet (Çeviri)
Nonlinear effects easily and unavoidably arise in ultrafast optics, often acting as sources of limitation to performance. However, many fascinating phenomena, from generation to utilization of ultrashort laser pulses rely on the very same nonlinear effects. Deep understanding of the governing dynamics, coupled with mechanisms through which they can be controlled or manipulated holds potential for observing new phenomena, as well as achieving new functionalities, which can be difficult or even impossible to achieve otherwise. This thesis presents a series of work, starting from a novel mode-locked oscillator for generating ultrashort pulses, followed by amplification of ultrashort pulses to microjoule-level energies, finally a novel nanostructuring mechanism relying on the nonlinear interaction of such pulses with the surface of a metal. The novel mode-locked laser developed in this thesis is one in which pulses propagate self-similarly in the presence of amplification, as similaritons, in one part of the cavity and as soliton-like pulses in the rest of the cavity. The co-existence of the seemingly incompatible similariton and soliton-like waves subject to the boundary conditions of a laser oscillator requires in the presence of a narrow bandpass filter and result in spectral breathing of the waves by unprecedented one order of magnitude, constituting the observation of the strongest nonlinear effects in any mode-locked laser to date. The laser reduces to the dispersion-managed laser in limit of large filter bandwidth and to the all-normal-dispersion laser in the limit of vanishing anomalous-dispersion fiber. Thus, all the four basic mode-locking regimes are covered. As such, we believe the unraveling of this regime can be instrumental in deeper understanding of all the mode-locking regimes. Importantly, by showing that two attractor solutions can co-exist in a single laser cavity opens the door to new future designs. From an applications point of view, the laser is easy to mode-lock and exhibits excellent short-term and long-term stability, indicating high potential for high precision materials processing applications. We also illustrate, to our knowledge, the first high-energy, all-fiber implementation of the nonlinear chirp pulse amplification technique, which allows us to achieve in-fiber peak powers of 57 kW. We demonstrate a fiber amplifier with no free space beam pump or signal beam propagation, producing 70-ps chirped pulses with 3 uJ and 4 uJ pulse energies, which are compressible to 140 fs and 170 fs, respectively, via a grating compressor. The amplified output can be used directly, as a picosecond source, or compressed externally in a grating compressor. This approach results in a completely robust, misalignment-free system, with peak powers approaching 10 MW. This was, at the time of publication, the highest peak power obtained from an integrated fiber amplifier. Finally, we apply the laser systems we developed, together with the lessons learned from our implicit control of the nonlinear dynamics to demonstrate a method that utilizes positive nonlocal feedback to initiate, and negative local feedback to stabilize growth of self-organized metal oxide nanostructures, initiated and controlled by ultrafast pulses. We achieve unprecedented uniformity at high speed, low cost, and on non-flat or flexible surfaces. By exploiting the nonlocal nature of the feedback to stitch the nanostructures seamlessly, we are able to cover indefinitely large areas with sub-nm uniformity in periodicity. We demonstrate our approach through fabrication of TiO2 and tungsten oxide nanostructures, which can be extended in principle to a large variety of materials.
Benzer Tezler
- Transition dynamics of single- and double Josephson junctions formed by spatially coupled soliton and surface plasmons
Uzamsal etkileşim içinde bulunan soliton ve yüzey plazmonlarının oluşturduğu tek ve çift Josephson eklemlerinin geçiş dinamiği
GÜNEŞ AYDINDOĞAN
Doktora
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KAAN GÜVEN
- 33 femtosecond Yb-doped optical frequency comb for frequency metrology applications
Frekans metrolojisi uygulamaları için 33 femtosaniye Yb-katkılı optik frekans tarağı
ÇAĞRI ŞENEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. FATİH ÖMER İLDAY
- Sentezlenen tek kristal Cu(II) kompleksinin yapı-özellik ilişkilerinin incelenmesi
Investigation of structure-property relations of synthesized single crystal Cu(II) complex
HATİCE ESRA CÖMERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVUT AVCI
- Thermal management of atomic and photonic systems
Atomik ve fotonik sistemlerde ısı yönetimi
MUHAMMAD TAHIR NASEEM
Doktora
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. ÖZGÜR ESAT MÜSTECAPLIOĞLU
- Dynamics of optical soliton and surface plasmon in dielectric-metal and dielectric-metal-dielectric interfaces
Dielektrik-metal and dielektrik-metal-dielektrik arayüzlerde optik soliton ve yüzey plazmonlarının dinamiği
GÜNEŞ AYDINDOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KAAN GÜVEN