Geri Dön

Graphene-based fast saturable absorber devices and their application to mode locking of solid-state lasers

Grafen-tabanlı hızlı doyabilen soğurucular ve katıhal lazerlerinin kip-kilitlenmesindeki uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 456332
  2. Yazar: IŞINSU BAYLAM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 168

Özet

Grafen ve karbon-tabanlı doyabilen soğurucular, ayrıcalıklı optik özellikleri ve düşük maliyetli üretim teknikleri nedeniyle, son yıllarda diğer yarı iletken doyabilen soğuruculara alternatif olarak ortaya çıkmışlardır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, grafen doyabilen soğurucuların (GSA), yakın ve orta-kızılaltı dalgaboylarında çalışan lazerlerin kip-kilitlenmesinde (mode locking) etkin doyabilen soğurucular olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bu nedenle, farklı alttaşlar üzerine aktarılmış grafen doyabilen soğurucuların, kip-kilitleme performanslarının yüksek darbe tepe gücüne sahip lazerlerde de incelenmesi oldukça önemlidir. Fakat, tek katmanlı grafenin sahip olduğu %5 optik kayıp, düşük kazanç değerlerine sahip lazerler içerisinde grafenin çalışmasını zorlaştırmaktadır. Bu zorluklar, grafen-tabanlı süperkapasitörler kullanılarak aşılabilmektedir. Grafen-tabanlı süperkapasitörlere voltaj uygulandığı zaman, grafenin Fermi seviyesi değiştirilebilmekte ve optik soğurma miktarı Pauli bloklama prensibi sonucunda kontrol edilebilmektedir. Tezin ilk kısmında, farklı alttaşlar üzerine aktarılmış grafen doyabilen soğurucuların (kuartz ve YAG) optik nitelendirme ölçümleri yapılmıştır. Her iki grafen doyabilen soğurucunun da kip-kilitleme performansı, 1250 nm civarında çalışabilen ve yüksek tepe gücüne sahip darbeler üretebilen çok yansımalı kovuklu (multipass-cavity, MPC) Cr4+:forsterite katıhal lazeri ile test edilmiştir. Cr4+:forsterite lazeri, grafen-kuartz ve grafen-YAG örneği ile kip-kilitli rejimde çalıştırıldığında, 100 fs civarında uzunluğa ve 53 kW tepe gücüne sahip darbeler üretmiştir. Bu çalışma sonucunda, grafen doyabilen soğurucuların yüksek darbe tepe gücüne sahip lazerlerde de etkin doyabilen soğurucular olarak çalışabildiği literatürde ilk kez gösterilmiştir. Tezin geriye kalan bölümlerinde, grafen-tabanlı süperkapasitör yapıların optik karakterizasyonları ve farklı dalgaboylarında çalışan katıhal lazerlerindeki kip-kilitleme performansları incelenmiştir. Bu çalışmalarda kullanılan ilk süperkapasitör yapısı (VCG-SA), iki grafen elektrottan ve bu elektrotların arasında yer alan yüksek dielektrik katsayısına sahip bir elektrolitten oluşmaktadır. Optik karakterizasyon deneyleri sonucunda, süperkapasitörün optik soğurma miktarının, görünür dalgaboylarında (2.4 eV) bile düşük voltajlar (0-3V) uygulanarak kontrol edilebildiği gösterilmiştir. Bu süperkapasitörün kip-kilitmele performansı, bir önceki deneylerde de kullanılmış olan çok yansımalı kovuklu Cr4+:forsterite lazeri içerisinde incelenmiştir. Süperkapasitöre 1V uygulandığında, kip-kilitli lazer rezonatörü, 1250 nm civarında, 84 fs uzunluğa sahip ve zaman-spektral genlik çarpımı 0.32 olan darbeler üretmiştir. Voltaj uygulanmadığı durumdaki optik kayıpları daha da azaltabilmek için, ikinci bir süperkapasitör tasarımı yapılmış ve grafen elektrotlardan biri, üzerinde ışığın geçişini sağlamak için bir delik bulunan altın elektrot ile değiştirilmiştir. Grafen-altın tabanlı süperkapasitörün doyabilen soğurucu olarak çalıştırılması, aynı Cr4+:forsterite lazeri içerisinde araştırılmıştır. Bir önceki tasarımda yer alan grafen elektrotlardan biri altın ile değiştirildiği için, grafen-altın süperkapasitörün (VCG-gold-SA) rezonatör içerisindeki optik kaybı, bir önceki süperkapasitör tasarımına kıyasla daha düşük seviyelerde kalmıştır. 0.8V voltaj uygulanmış grafen-altın süperkapasitör ile kip-kilitli rejimde çalıştırılan Cr4+:forsterite lazeri, 80 fs süreli ve 42 kW tepe gücüne sahip darbeler üretmiştir. Grafen-tabanlı süperkapasitörlerin, daha düşük dalgaboylarında da doyabilen soğurucu olarak çalışabileceğinin gösterilmesi, 800 nm civarında çalışan Ti3+:sapphire lazeri kullanılarak araştırılmıştır. Grafen-altın süperkapasitör ile bu rezonatörden, 795 nm civarında femtosaniye darbeler üretilmiştir. Bu dalgaboyu şimdiye kadar grafen-altın süperkapasitörün doyabilen soğurucu olarak çalışabildiğinin gösterildiği en düşük dalgaboyudur. Bu tez çalışmaları sonucunda, grafen-tabanlı süperkapasitör doyabilen soğurucuların, farklı dalgaboylarında çalışan ve farklı optik kazançlara sahip lazerlerde doyabilen soğurucu olarak kullanılabilme potensiyeline sahip oldukları gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Graphene and other carbon-based nanomaterials have emerged as alternative saturable absorbers to other semiconductor saturable absorbers due to their favorable optical characteristics and relatively simple growth schemes. It has been demonstrated that the graphene saturable absorbers (GSAs), can be used as effective modulators to generate femtosecond pulses from lasers, operating in the near and mid infrared. Therefore, it is of great interest to explore the mode locking performance of the GSAs, grown on different substrates, in power-scaled lasers. However, one possible drawback of a monolayer graphene saturable absorber stems from its small-signal optical insertion loss of 5%, which leads to challenges in operating low gain lasers. Such challenges can be obviated by using graphene-based supercapacitor structures so that when a voltage bias is applied, the Fermi level of graphene can be shifted to reduce the absorption via Pauli blocking. The first part of this thesis focuses on the linear and nonlinear optical characterization of the GSAs grown on different substrates (quartz and YAG) and their application to mode locking of an energy-scaled multipass-cavity (MPC) Cr4+:forsterite laser operating near 1250 nm. The Cr4+:forsterite resonator, mode-locked with the GSA on quartz or the GSA on YAG, produced nearly transform-limited pulses with sub-100 fs durations and 53-kW pulse peak powers. To the best of our knowledge, both results report the highest peak powers obtained from a GSA mode-locked femtosecond solid-state laser. The remaining parts of this thesis investigate the optical characterizations and mode locking applications of the graphene-based supercapacitors as fast saturable absorbers with voltage-controllable optical insertion losses. The first supercapacitor design (voltage-controlled graphene saturable absorber, VCG-SA) consisted of a high dielectric electrolyte, sandwiched between two graphene electrodes. Linear and non-linear optical characterizations of the device were performed to explore its voltage-dependent optical properties and the results indicated that the supercapacitor architecture enabled the modulation of absorption up to the visible region (2.4 eV) even with few volts (0-3V) of applied bias. The VCG-SA was further employed in the MPC Cr4+:forsterite laser to investigate the voltage-dependent mode-locked operation. The MPC Cr4+: forsterite laser produced, 84-fs pulses with a time-bandwidth product of 0.32 at 1V of applied bias. To further reduce the insertion losses at zero bias, a second graphene-based supercapacitor architecture with the same electrolyte sandwiched between a graphene and a notched gold electrode was fabricated. Mode locking performance of the voltage-controlled graphene-gold saturable absorber (VCG-gold-SA) was investigated again in the MPC Cr4+:forsterite laser, operating near 1250 nm. Since one of the graphene electrodes of the previous design was replaced with a notched gold electrode, the optical insertion loss of the VCG-gold-SA was reduced at zero bias with respect to the previous design involving two graphene electrodes. In this case, the resonator generated 80-fs nearly transform-limited pulses with a pulse peak power of 42 kW at 0.8V of applied bias. Finally, to push the mode locking capability of these supercapacitor devices to as low a wavelength as possible, a Ti3+:sapphire laser, operating near 800 nm was used. The Ti3+:sapphire resonator successfully produced femtosecond pulses at wavelengths as short as 795 nm. To our knowledge, this is the shortest wavelength, where a graphene-based supercapacitor was used as a fast saturable absorber to generate femtosecond pulses. The novel graphene supercapacitor devices, first demonstrated as fast saturable absorbers in this thesis, have the potential to be used for femtosecond pulse generation from lasers operating over a broad wavelength range and with different levels of gain.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    367641

    Development of mid-infrared coherent sources based on novel nonlinear devices

    Doğrusal olmayan yöntemler kullanılarak kızılaltı bölgesinde çalışan laser kaynaklarının geliştirilmesi

    MELİSA NATALİ ÇİZMECİYAN SÖZÜDOĞRU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

  2. Tez No

    520297

    Graphene Mode-locked and Kerr-lens Mode-locked Operations of Cr3+:LiSAF Lasers Near 850 nm and Tm3+:YLF Lasers Near 2300 nm

    Grafen ile kip-kilitleme ve Kerr-odaklı kip-kilitleme yöntemleri kullanılarak darbe üretilen 850 nm civarinda çalişan Cr3+:LiSAF ve 2300 nm civarinda çalişan Tm3+:YLF laserleri

    FERDA CANBAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve TeknolojiKoç Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

  3. Tez No

    774426

    Lityum kükürt piller için polisülfür adsorbanı esnek kalıpların geliştirilmesi

    Development of flexible molds as polysulfide adsorbent for lithium sulfur batteries

    CEM ADALI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    EnerjiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLAL GÜNSEL

  4. Tez No

    444582

    Graphene-based electrically tunable terahertz optoelectronics

    Grafen-tabanlı elektrik ayarlı terahertz optoelektroniği

    NURBEK KAKENOV

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. COŞKUN KOCABAŞ

  5. Tez No

    338077

    Grafen temelli polianilin gümüş nanotanecik nanokompozitlerinin sentez ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of graphene based polyaniline, silver nanoparticle nanocomposites

    ZAFER ÇIPLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimya MühendisliğiAnkara Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURAY YILDIZ

Geri Dön