Geri Dön

Ultra-low noise fiber laser systems and their applications

Ultra-düşük gürültülü fiber lazer sistemleri ve uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 350318
  2. Yazar: İBRAHİM LEVENT BUDUNOĞLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Bölümü
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 108

Özet

Günümüzde fiber lazer sistemleri, bilimsel, biomedikal ve endüstriyel uygulamalarda yoğun şekilde kullanılmaktadır. Spektroskopi, lazer-malzeme etkileşimi, doğrusal olmayan ve kuvantum optik deneyleri gibi pekçok bilimsel alanda yer bulurken, aynı zamanda, malzeme işleme, lazer markalama ve yüksek hızlı devre testi gibi pekçok endüstriyel uygulamada da yer edinmiştir. Tüm bu uygulamalar için uzun-vade kararlılığı en önemli gerekliliklerin arasında gelir. Bu bakımdan fiber lazerler büyük avantaja sahiptir. Optik fiberler, ışığın izole edilmiş bir yoldan geçmesini sağlayarak hem çevrenin etkisini en aza indirir, hem de mekanik sebepler sonucu ışığın sapmasını engeller. Uzun-vade kararlılığın yanısıra kısa-vade (1 saniye ve altı) kararlılığı ve lazer çıkışındaki dalgalanmalar da uygulamalar için hayati önem taşır. Kısa-vade kararlılığı, ölçümlerin sinyal-gürültü oranını, ölçüm ve işlem çözünürlüğünü belirleyen başlıca parametredir. Öncelikle, kip-kilitli lazerlerin şiddet gürültüsü tüm bilindik kip-kilitleme rejimleri için, geniş bir parametre aralığında, sistematik olarak karakterize edilmiştir. Şiddet gürültüsünün kip-kilitleme rejimine bağlı olmadığı anlaşılmıştır. Kovuk kayıpları atım karakteristiklerinde belirgin bir iz bırakmazken, gürültü performansını şiddetli bir şekilde etkilemektedir. Sürekli-dalga veya çoklu atım oluşumu, gürültü performansını bir dereceye kadar etkilemektedir. Fakat daha yüksek enerji seviyelerinde, gürültü seviyesinin 100 kat mertebesinde artısına sebep olan gürültü patlaması gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar kip-kilitli fiber lazerlerde şiddet gürültüsünü azaltma yöntemleri üzerine önemli değerlendirmeler sunmaktadır. Yüksek güçlü lazer sistemlerinde nihai gürültü seviyesini, yükseltme sırasında pompa diyodundan aktarılan gürültü belirler. Ultra-düşük gürültülü fiber lazer tarafından beslenen yüksek güçlü bir fiber lazer sistemi, gürültü açısından incelenmiştir. Sistem en yu ̈ksek güç kapasitesinde (10 W) çalıştığı sırada %0.2'den daha düşük gürültü (3 Hz'den 250 kHz'e entegre edilmiş) seviyesinde atımlar üretmektedir. Ek olarak, gürültü kaynakları, modülasyon aktarım fonksiyonu yaklaşımıyla sistematik olarak karakterize edilmiştir. Bu fonksiyonlar kullanılarak nihai atımların gürültü seviyelerinin tahmin edilebileceği gösterilmiştir. Düşük gürültülü fiber lazerler konusunda elde edilmiş bilgi birikimi, tezin ikinci bölümünde bilimsel bir problemin çözümünde kullanılmıştır. Ruhr Üniversitesi araştırmacıları ile sürdürülen ortak çalışmanın bir ürünü olarak, mikro-plazma deşarjı spektroskopisinde kullanılmak üzere, düşük-gürültülü fiber lazer sistemi geliştirilmiştir. Soğrulma spektroskopisi, bir maddenin varlığını ve miktarını tespit etmek için plazma deşarjı üzerinde kullanılan en temel yöntemlerden birisidir. Lazer ışığının soğrulması çoğu zaman çok düşük miktarlarda olduğundan (binde bir veya daha az), bunu algılayabilmek için ultra-düşük gürültülü sistemler gerekmektedir. Bu bağlamda mikro-plazma üzerinde soğrulma spektroskopisi çalışmalarında kullanılmak üzere geniş spektrumlu düşük gürültülü atımlar üreten bir fiber lazer düzeneği geliştirilmiştir. Düzenek aynı zamanda plazma oluşumunu başlatabilecek enerji seviyesinde atımlar da üretebilmektedir. Her iki türdeki atımlar aynı fiber lazerin beslemesiyle üretildiğinden, aralarındaki zamanlama çok yüksek seviyededir. Bu sistemle birlikte, mikro-plazma jetlerinde pompalama-ölçme (pump-probe) deneyleri yapabilme imkanı doğmuştur. Tezin üçüncü bölümünde lazer gürültüsü konusundaki bilgi birikimi, düşük gürültülü LADAR uygulamalarında kullanılacak fiber lazer geliştirmesi için kullanılmıştır. Evre-uyumlu ve doğrudan algılama ladar sistemleri için kullanılmak üzere iki adet fiber lazer sistemi geliştirilmiş ve gerçekçi senaryolar ile denenmiştir. Her iki sistem de 1 km mesafeden 1 cm çapındaki enerji nakil hattını 100 mikrosaniyeden daha kısa ölçüm süresinde algılayabilme yeteneğini göstermiştir. Bu performans satılan en üstün ticari ürünler ile karşılaştırılabilir düzeydedir.

Özet (Çeviri)

Fiber laser systems are intensely studied for and already utilized in a wide range of scientific, biomedical and industrial applications. Scientifically, fiber lasers are widely used for spectroscopy, laser-matter interactions, nonlinear and quantum optics experiments, among others. The industrial applications range from the well-established, such as laser-material processing, laser marking, and various forms of optical sensing to niche or upcoming applications such as high- speed circuit testing, inspection of packaged foods, additive manufacturing. In all applications outside the research laboratory, long-term stability of the lasers operation is of paramount importance. Fiber lasers are clearly advantageous in this respect, as the optical fibers provide isolated paths for light propagation, minimizing the impact of environmental effects, and generally render the laser system nearly or completely free from mechanical misalignment. In addition to long-term stability of the laser operation, short-term (typically less than 1 second) stability, or fluctuations of the laser output is of crucial importance as in many situations, it effectively determines the signal-to-noise ratio, sets the resolution or otherwise limits the quality of the measurement. Fluctuations or noise impact both the intensity and phase of the laser output. As part of this thesis, first, the intensity noise of mode-locked fiber lasers is characterized systematically for the major mode-locking regimes over a wide range of parameters. It is found that equally low-noise performance can be obtained in all regimes. Losses in the cavity influence noise strongly without a clear trace in the pulse characteristics. Noise level is found to be virtually independent of pulse energy below a threshold for the onset of nonlinearly induced instabilities. Instabilities that occur at high pulse energies are characterized. It is found that continuous-wave peak formation and multiple pulsing influence noise performance moderately. However, at high pulse energies, an abrupt increase of the intensity noise is encountered, corresponding to up to 2 orders of magnitude increase in noise. These results effectively constitute guidelines for minimization of the laser noise in mode-locked fiber lasers. For the high-power laser systems that utilize external amplification in fiber amplifiers, the added noise due to amplification is usually predominantly determined by the pump source, assuming that the amplifier design is correctly made and amplified spontaneous emission (ASE) is minimized. Many high-power amplifiers utilized multi-mode pump diodes, which have much higher noise levels. A high-power fiber laser system where the amplifiers are seeded by low intensity noise pulses is analyzed in detail. When operating at its maximum power level (10 W), the amplified output exhibits an integrated (from 3 Hz to 250 kHz) intensity noise of 0.2%, whereas the seed signals intensity noise is less than 0.03%. The origins of the added noise is analyzed systematically using modulation transfer functions to ascertain contributions of the pump source. The transfer of the noise in the seed signal is also analyzed, as well as contributions of ASE, which can be significant. Prediction of intensity noise by modulation transfer functions supplies a lower limit for the intensity noise of fiber lasers and amplifiers. The second part of the thesis applies the know-how on low-noise fiber lasers that was developed in the first part to a scientific problem. As part of a col- laboration with researchers from Ruhr-University at Bochum, Germany, we have developed a custom, low-noise laser system for spectroscopy of micro-plasma dis- charges. Absorption spectroscopy is a commonly used technique to determine the presence of a particular substance or to quantify the amount of substance present in the plasma discharge. However, the absorbance is usually small, at the level of one part in a thousand or less. Therefore, low-noise laser signals are required to detect such low differences. We developed a low-noise fiber laser system for the absorption spectroscopy studies of reactive species in a micro-plasma discharge. The laser setup also produces high-energy picosecond pulses, which are powerful enough to trigger the plasma ignition and transition into other transient states of plasma. Since both pulses are generated from the same mode-locked oscilla- tor, they have excellent mutual synchronization. We demonstrate the possibility for pump-probe experiments by initiating breakdown on a picosecond time scale (pump) with a high-power beam and measuring the broadband absorption with the simultaneously provided supercontinuum (probe). The third part of this thesis the laser-noise know-how to address a technolog- ical problem, namely the development custom, low-noise fiber lasers for LADAR applications. Two different fiber laser systems are constructed as transmitter sources of direct detection and coherent detection LADAR systems and tested for realistic scenarios. Both LADAR systems succeeded to detect 1 cm-diameter wire from a distance of 1 km in a measurement time shorter than 100 s, which is comparable to the best performing commercial LADAR systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    470057

    Nonlinear and far-from-equilibrium dynamics of optical pulses in fiber oscillators

    Fiber salıngaçlarda optik darbelerin doğrusal olmayan ve dengeden uzak dinamikleri

    TESFAY GEBREMEDHIN TEAMIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY

  2. Tez No

    387370

    Design of a self-aligned, high resolution, low temperature (30 mK - 300 K) magnetic force microscope

    Kendiliğinden hizalamalı, yüksek çözünürlüklü, düşük sıcaklık (30 mK - 300 K) manyetik kuvvet mikroskobu tasarımı

    ÖZGÜR KARCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN

    PROF. DR. AHMET ORAL

  3. Tez No

    886462

    Vibra-drum ile ultra ince talk öğütme: Parametrelerin etkileri ve döner bilyalı değirmen ile karşılaştırma

    Ultrafine talc grinding: Effects of parameters using vibra-drum and comparison with rotary ball mill

    OGÜN BAŞARAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Cevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDULLAH EKREM YÜCE

  4. Tez No

    731083

    Numerical modeling, design, and time-frequency metrology applications of low-noise optical frequency combs

    Düşük gürültülü optik frekans taraklarının sayısal modellenmesi, tasarımı, ve zaman-frekans metrolojisi uygulamaları

    ÇAĞRI ŞENEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BURÇİN ÜNLÜ

  5. Tez No

    581445

    Ultra-high-resolution low-temperature magnetic force microscope

    Ultra-yüksek-çözünürlük düşük sıcaklıklı manyetik kuvvet mikroskopisi

    ARASH BADAMI BEHJAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ORAL

Geri Dön