Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 520297
  2. Yazar: FERDA CANBAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 120

Özet

Yakın kızılaltı ve orta kızılaltı bölgelerinde çalışan femtosaniye laserler, daha uzun dalgaboylarına ulaşmak için optik parametrik osilatorlerin pompalanması, elektronik/titreşim spektroskopisi ve biyomedikal görüntüleme gibi birçok bilimsel ve teknolojik uygulamada kullanılabilir. Bu tez çalışması, özellikle 850 nm ve 2.3 µm civarında geniş bir aralıkta ayarlanabilir eş evreli ışıma sağlayan, Cr3+:LiSAF ve Tm3+:YLF laserlerine odaklanmaktadır. Bu laserlerin çıkış dalgaboyunun geniş bir aralıkta ayarlanabilmesi, bu aralıkta femtosaniye darbe üretimini mümkün kılar. Ayrıca, her iki kazanç ortamı da düşük güce sahip ve yaygın bulunabilen diyot laserleri ile pompalanabilmeleri nedeniyle, düşük maliyetli laserlerin kurulumunda kullanılabilir. Son yıllarda, geniş bir aralıkta ve hızlı doyabilen soğurma özelliği nedeniyle, grafen pasif kip-kilitleyici olarak büyük ilgi görmüştür. Aşağıda tarif edilen deneylerde, sırasıyla 850 nm ve 2300 nm civarında çalışan Cr3+:LiSAF ve Tm3+:YLF laserlerinden, hem grafen ile kip-kilitleme hem de Kerr-odaklı kip-kilitleme deneylerinden rekor çalışma performansı ile ultra kısa darbeler elde edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, Cr3+:LiSAF laserinden ilk defa grafen doyabilen soğurucu ile kip-kilitli rejimde çalıştırılması ve bu laserden femtosaniye darbeler üretilmesi anlatılmıştır. Kazanç ortamında iyi odaklanma sağlayan rezonatör tasarımı sayesinde, Cr3+:LiSAF laserinin yalnızca iki adet 135 mW çıkış gücüne sahip ve 660 nm merkez dalgaboyunda çalışan tek-kipli diyotlarla uyarılabilmesi sağlamıştır. 270 mW pompa gücünde, 11.5 mW ortalama çıkış gücüne ve 132 MHz darbe tekrar frekansına sahip dönüşüm limitli 68 fs uzunluğunda darbeler, 850 nm merkez dalgaboyunda üretilmiştir. Rezonatörün içindeki grup gecikme dispersiyonu dikkatli bir şekilde ayarlanarak, grafen doyabilen soğurucu ile bir katıhal laserinden şimdiye kadar elde edilmiş en kısa darbe uzunluğu gösterilmiştir. Bu deneylerde, iki diyotla elde edilen 275 mW giriş gücünde, dönüşüm limitine yakın, 8.5 mW ortalama güce ve 107 MHz darbe tekrar frekansına sahip, 19 fs uzunluğunda darbeler üretilmiştir. Grafen doyabilen soğurucu ile kip-kilitli çalışma başlatıldığında istikrarlı ve kesintisiz femtosaniye darbe üretimi sağlanabilmiştir. Ek olarak, laser femtosaniye darbe üretirken, merkez dalgaboyunun 836 nm'den 897 nm'ye bir prizma yardımıyla sürekli olarak ayarlanabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, laserin kararlılık aralığı boyunca yapılan bir test ile, kip-kilitleme rejiminin Kerr-odaklı kip-kilitleme degil grafenden kaynaklandığı deneysel olarak gösterilmiştir. Bir sonraki deneylerde, merkez dalgaboyu 2303 nm olan ve Kerr-odaklamalı kip-kilitli rejimde (KLM) çalışan bir Tm3+:YLF laseri, yeni bir femtosaniye darbe kaynağı olarak gösterilmiştir. Tm3+:YLF laserinden ultrakısa darbe üretiminde Kerr-odaklı kip-kilitleme ve grafen ile kip-kilitleme olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. İlk deneylerde, katkısız ZnSe alttaşı rezonatöre eklenmiş ve KLM çalışma sırasında doğrusal olmayan faz modülasyonu artırılmıştır. Tm3+:YLF laseri, 780 nm merkez dalgaboyunda sürekli dalga rejiminde çalışan bir Ti3+:safir laseri ile uyarılmıştır. 880 mW giriş gücünde, 14.4 mW ortalama çıkış gücüne ve 41.5 MHz darbe tekrar frekansına sahip, 514 fs uzunluğunda darbeler üretilmiştir. İkinci deneylerde, ilk defa grafen doyabilen soğurucu kullanılarak kip-kilitli rejimde çalıştırılan, merkez dalgaboyu 2.3 µm civarında olan bir Tm3+:YLF laseri geliştirilmiştir. Grafen doyabilen soğurucu bir geçişte %2.3 oranında kayba neden olduğundan, yeterli rezonatör içi darbe enerjisine ulaşmak için, rezonatör boyu uzatılmış ve bir geri yansıtıcı ayna yardımı ile kristal iki tarafindan pompalanmıştır. Grafen ile kip-kilitleme rejiminde çalıştırılan ve 42 mW ortalama güce sahip Tm3+:YLF laseri, 1 pikosaniye uzunluğunda darbeleri 17.2 MHz darbe tekrar frekansında üretmistir. Bu tez çalışmalarının en önemli katkıları şöyle sıralanabilir. 850 nm civarında çalışan bir Cr3+:LiSAF laserinin ilk defa grafen ile kip-kilitli çalıştırılabilecegi gösterilmistir. Ayrıca, bir katıhal laserinden grafen doyabilen soğurucu kullanılarak şimdiye dek üretilmiş en kısa darbeler (19 fs) üretildi. Kip-kilitli rejimi başlatan mekanizmanın ne olduğunu gösteren sistematik bir yöntem önerildi ve deneysel olarak bu mekanizmanın açık bir şekilde grafen olduğu gösterildi. Son olarak, ilk defa Kerr-odaklı kip-kilitleme ve grafen ile kip-kilitleme yöntemleri kullanılarak, 2.3 µm merkez dalgaboyunda çalışan Tm3+:YLF laserinden ultrakısa darbeler üretildi. Bu tezde anlatılan deneylerin, yakın ve orta kızılaltı bölgelerinde yeni femtosaniye kaynaklar üretilmesinde faydalı bilgiler sağlayacağını öngörmekteyiz.

Özet (Çeviri)

Femtosecond lasers operating in the near-infrared and mid-infrared regions can be used in many scientific and technological applications such as pumping of optical parametric oscillators to reach longer wavelengths, electronic/vibrational spectroscopy, and biomedical imaging. This thesis work particularly focuses on Cr3+:LiSAF and Tm3+:YLF lasers, which provide broadly tunable coherent emission near 850 nm and 2.3 µm. The broad tuning range of these lasers further makes it possible to generate femtosecond pulses. In addition, both gain media can be used to construct low-cost lasers by using low-power, widely available diode pump lasers. In recent years, graphene has attracted a great deal of attention as a passive mode locker for the generation of femtosecond pulses, due to its fast and broadband saturable absorption. In the experiments described below, both graphene as well as Kerr-lens mode locking were employed to produce ultrashort pulses with record performance from Cr3+:LiSAF and Tm3+:YLF lasers operating at 850 nm and 2.3 µm. In the first part of the thesis, we report a femtosecond Cr3+:LiSAF laser, mode locked by using a monolayer graphene saturable absorber (GSA) for the first time. The tight-focusing resonator architecture made it possible to operate the Cr3+:LiSAF laser with only two 135-mW, 660-nm low-cost single-mode diode lasers. At a pump power of 270 mW, the laser produced nearly transform-limited 68-fs pulses at 850 nm with a pulse repetition rate of 135 MHz and an average output power of 11.5 mW. By carefully optimizing the resonator group delay dispersion, we further demonstrated the shortest pulses directly generated to date from a GSA mode-locked laser. In particular, with a pump power of 275 mW, the Cr3+:LiSAF laser produced as short as 19-fs, nearly transform-limited pulses with a repetition rate of 107 MHz and average output power of 8.5 mW. Once mode locking was initiated with the GSA, stable femtosecond pulses could be obtained. In addition, the femtosecond output of the laser could be tuned from 836 nm to 897 nm with pulse durations in the range of 80-190 fs. We further performed detailed mode locking initiation tests across the full cavity stability range of the laser to verify that pulse generation was indeed initiated by the GSA and not by Kerr lens mode locking. In the next series of experiments, we developed a new source of mid-infrared femtosecond pulses, based on a Tm3+:YLF laser at 2303 nm. Two different techniques were employed to generate femtosecond pulses with the Tm3+:YLF laser. In the first experiment, an undoped ZnSe substrate was included in the resonator to provide enhanced nonlinear phase modulation during KLM operation. The Tm3+:YLF laser was end-pumped with a continuous-wave Ti3+:sapphire laser at 780 nm. With 880 mW of pump power, the KLM Tm3+:YLF laser generated 514-fs pulses at a pulse repetition rate of 41.5 MHz with an average power of 14.4 mW. In the second experiment, we developed, for the first time to our knowledge, a GSA mode-locked Tm3+:YLF laser operating near 2.3 µm. Since graphene introduces a constant loss of 2.3% per transit, the resonator was extended and double pumped to obtain sufficient intracavity pulse energy. GSA mode-locked Tm3+:YLF laser produced 1-ps pulses at a repetition rate of 17.2 MHz with 42 mW of average output power at 2303 nm. The major contributions of this thesis work may be summarized as follows. We demonstrated, for the first time to our knowledge, graphene mode-locked operation in a Cr3+:LiSAF laser at 850 nm. We further generated the shortest pulses (19 fs) from a GSA mode-locked solid-state laser. A systematic method was proposed and demonstrated to clearly identify the initiation mechanism of mode locking. Finally, Kerr-lens mode locked and GSA mode locked operations of a mid-infrared Tm3+:YLF laser were demonstrated for the first time. We foresee that the experiments described in this thesis can lead to the development of novel femtosecond laser sources in the near- and mid-infrared regions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    528940

    Near-infrared femtosecond laser sources based on alexandrite and Cr:LİSAF gain media

    Alexandrite ve Cr:LiSAF kazanç ortamı tabanlı yakın-kızılaltı femtosaniye lazer kaynakları

    CAN CİHAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

  2. Tez No

    648618

    Green diode pumping of femtosecond Ti3+:sapphire lasers and the first demonstration of 2.3-µm laser operation in trivalent thulium-doped KY3F10 and BaY2F8 fluoride crystals

    Başlık çevirisi yok

    ABDULLAH MUTİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

  3. 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

  4. Tez No

    313564

    Energy scaling of a multi-pass cavity femtosecond bulk laser mode-locked with graphene and carbon nanotube saturable absorbers

    Grafen ve karbon nanotüp doyabilen soğurucular ile çok yansımalı kovuklu femtosaniye kip-kilitli katı-hal lazerinin enerjisinin ölçeklendirilmesi

    IŞINSU BAYLAM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Biyokimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

  5. Tez No

    675588

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

    Solid-state laser applications of femtosecond laser written structures and upconversion pumped Tm3+:KY3F10 lasers

    YAĞIZ MOROVA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEDA AKSOY ESİNOĞLU

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

Geri Dön