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 mevcut değil.
- Tez No: 648618
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Bu tez elektromanyetik spektrumun yakın kızılötesi ve orta kızılötesi bölgelerinde yeni lazer mimarileri geliştirmeyi amaçlamaktadır. İlk bölüm yakın zamanda geliştirilmiş olan 520-nm lazer diyotları kullanılarak bir Ti3+:safir lazerinin direk olarak bir yeşil diyot ile pompalanmasına odaklanmaktadır. Tezin ikinci kısmı Tm3+ iyonu katkılanmış yeni florür konaklarda 2.3 µm lazer operasyonunu araştırmaktadır. Dalgaboyu ayarlanabilir 2.3 µm lazer operasyonu, üç değerlikli Tm iyonu katkılanmış florür konaklar KY3F10 ve BaY2F8'te ilk kez gösterilmiştir. Ayrıca, Tm katkılı KY3F10 lazerinde, grafen doyabilen soğurucu ile kip kilitlenmesi, 2.3 µm dalgaboyunda pikosaniye altı darbeler üretilerek gösterilmiştir. Tezin son kısmı çeşitli nanoparçacıkların fototermal ve fotodinamik tedavi potansiyellerinin değerlendirilmesi için 808 nm ve/veya 640 nm lazerlerini kullanan ev yapımı bir deneysel düzeneğin kuruluşunu anlatmaktadır. Tezin ilk kısmında, 800 nm civarında çalışan, direk yeşil diyot pompalı bir Ti3+:safir lazeri, bir kısa x şeklindeki kovuk ve bir genişletilmiş çoklu yansıma kovuğu yapısı kullanılarak incelenmiştir. İlk olarak kısa kovuk ve çoklu yansıma kovuğunun sürekli dalga güç performansı eniyileştirilmiştir. 520 nm diyotu ile Ti3+: safir lazeri arasında en iyi kip örtüşmesini elde etmek için, ABCD matrisi tabanlı bir paraksiyal ışın yayılımı algoritması kullanılmıştır. Eniyileştirilmiş kısa kovuk 880 mW pompa gücü ve %3 çıkış aynası geçirgenliği ile 780 nm dalgaboyunda 90 mW güç üretmiştir. Kısa x şeklindeki kovuk daha sonra Kerr lens kip kilitli operasyon sırasındaki darbe tekrar frekansını 5.8 MHz'e düşürmek için bir çoklu yansıma kovuğu ile genişletilmiştir. Kip kilitli çoklu yansıma kovuklu Ti3+:safir lazeri 860 mW pompa gücü ile 5.1 nJ darbe enerjisine sahip 95 fs uzunluğunda darbeler üretmiştir. Bu sonuçlar bugüne kadar tek diyotla pompalanmış bir Ti3+:safir lazerinden elde edilmiş en yüksek darbe enerjisini göstermektedir. Tezin ikinci kısmında, Tm katkılı florür kazanç ortamı KY3F10'te 2.3 µm lazer ışınımı ilk kez gösterilmiştir. Deneylerde %8 katkılı bir Tm3+:KY3F10 kristali ev yapımı ve dalgaboyu ayarlanabilir bir Ti3+:safir lazeri ile pompalanmıştır. Tm3+:KY3F10 lazerinin uyarılma spektrumu, dalgaboyu ayarlanması ve lazer güç performansı sürekli dalga rejiminde incelenmiştir. Tm3+:KY3F10 lazeri %1 geçirgenliğe sahip bir çıkış aynası ile tek ve çift pompalı durumlarda sırasıyla 31 ve 122 mW güç üretmiştir. Ek olarak, lazer çıkış dalgaboyu 2260 nm ile 2385 nm arasında 125 nm'lik bir aralıkta sürekli şekilde ayarlanmıştır. Ayrıca, üst lazer seviyesinin (3H4) yaşam süresi 16 µs olarak ölçülmüştür. Lazer eşik pompa değerleri kullanılarak emisyon arakesiti (1.62±0.09) × 10−24 m2 olarak belirlenmiştir. Sürekli dalga lazer karakterizasyonundan sonra, kovuk boyunun arttırılması ve bir grafen doyabilen soğurucunun eklenmesiyle kip kilitli operasyon elde edilmiştir. Grafen kip kilitli Tm3+:KY3F10 lazeri 54 MHz darbe tekrar frekansında 2340 nm'de 739 fs uzunluğunda darbeler üretmiştir. Bu sonuçlar, Tm3+:KY3F10 kazanç ortamında 2.3 µm dalgaboyunda sürekli dalga ve grafen kip kilitli operasyonu ilk kez deneysel olarak göstermektedir. Tezin üçüncü kısmı Tm3+ katkılı BaY2F8 kristalinde 2.3 µm lazer ışınımının ilk kez gösterilmesi deneylerine odaklanmaktadır. BaY2F8 kristali anizotropik olması sebebiyle iki pompa polarizasyonu (E//x ve E//y) incelenmiş ve iki durumda da 2290 nm'de laser ışınımı elde edilmiştir. Daha sonra iki durum için de güç verimi ve uyarılma spektrumu ölçümleri yapılmıştır. E//x durumunda tek pompalı (çift pompalı) durumda 42 mW (100 mW) çıkış gücü elde edilmiştir. E//y durumunda çift pompalı durumda 43 mW çıkış gücü elde edilmiştir. Takip eden güç karakterizasyonları E//x durumu için yapılmıştır. Dalgaboyu ayarlanabilirliği 2233 nm ile 2385 nm arasındaki 152 nm'lik bir aralıkta elde edilmiştir. Ek olarak kazanç ortamının doygunluk yoğunluğu ve emilim arakesitinin belirlenebilmesi için emilim doygunluğu ölçümleri yapılmıştır. Üst lazer seviyesinin yaşam süresi 292 µs olarak ölçülmüştür. Tm3+:BaY2F8 kazanç ortamı için elde edilen emisyon arakesiti ((0.66±0.06) × 10-24 m2) Tm3+:KY3F10 ortamından ((1.62±0.09) × 10−24 m2) daha küçük bulunmuştur. Tezin son kısmında, yakın kızılötesi bölgesindeki lazerlerin fototermal tedavi (PTT) ve fotodinamik tedavide (PDT) yeni ortaya çıkan uygulamalarını anlatmaktadır. Deneylerde, 640 nm ve/veya 808 nm ile ışınlanmış nanoparçacıkların PTT ve PDT potansiyellerinin değerlendirilmesi için bir ev yapımı düzenek inşa edilmiştir. 640 nm ve 808 nm lazer hüzmeleri, hem tek başlarına hem de beraber uygulanabilmeleri için bir dikroik ayna kullanılarak birleştirilmiştir. PTT ölçümleri sırasında, nanoparçacık çözeltilerinin sıcaklık artışları PTT verimlerinin belirlenebilmesi için zamana bağlı olarak kayıt edilmiştir. Ek olarak, PTT veriminin dalgaboyuna olan bağlılığını inceleyebilmek için bir dalgaboyu ayarlanabilir Ti3+:safir lazeri kullanılmıştır. PTT ölçümleri, 96 kuyucuklu kutulara koyulmuş ve nanoparçacık enjekte edilmiş kanser hücresi kültürleri, bakteri kültürleri ve bakteri biyofilmlerinin ışınlanması ile devam etmiştir. Örnekler sıcaklığı 37°C'de tutulan bir kutuya koyulmuştur. Deneyler göstermiştir ki 3W/cm2 mertebesindeki ışık akıları verimli PTT ve PDT etkileri sağlayarak, PTT ve PDT'nin gelecek nesil tıbbi tedavi potansiyellerini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis aims at the development of new femtosecond laser architectures in the near infrared and mid infrared regions of the electromagnetic spectrum. The first part focuses on direct green diode pumping of a Ti3+:sapphire laser by using recently developed 520-nm laser diodes. The second part of the thesis explores 2.3 µm laser operation of new fluoride hosts doped with Tm3+ ion. Tunable laser operation near 2.3 µm was demonstrated for the first time in the fluoride hosts KY3F10 and BaY2F8 doped with trivalent Tm ion. In the particular case of Tm3+ doped KY3F10 laser, graphene saturable absorber mode locking was further demonstrated yielding sub-picosecond pulses at 2.3 µm. The final part of the thesis describes the construction of a homemade experimental setup which employs 808 nm and 640 nm lasers for the evaluation of photothermal therapy and photodynamic therapy potential of various nanoparticles. In the first part of the thesis, direct green diode pumping of a Ti3+:sapphire laser was investigated near 800 nm by using a short x-cavity and an extended multipass cavity (MPC) configuration. The continuous wave (cw) power performance of the short cavity and MPC was first optimized. A paraxial beam propagation algorithm based on the ABCD method was used to obtain the best mode matching between the 520-nm diode and Ti3+:sapphire cavity. The optimized short cavity produced 90 mW of output power at 780 nm with 880 mW of diode pump power with the 3% output coupler. The short x-cavity was then extended with an MPC to lower the pulse repetition rate of the composite laser to 5.8 MHz during Kerr lens mode-locked operation. With 860 mW of diode pump power, the mode-locked MPC Ti3+:sapphire laser generated 95-fs pulses with a pulse energy of 5.1 nJ. These results represent the highest pulse energy obtained to date with a single diode pumped Ti3+:sapphire laser. In the second part of the thesis, laser action at 2.3 µm was demonstrated for the first time in the fluoride host KY3F10 doped with Tm3+ ion. In the experiments 8 at.% Tm3+:KY3F10 crystal was pumped with a homemade, tunable Ti3+:sapphire laser. Excitation spectrum, tunability and laser power performance of the Tm3+.KY3F10 laser was investigated in the cw regime. With a 1% output coupler, the Tm3+:KY3F10 laser produced 31 and 122 mW of output power in single-end and double-end pumping configurations, respectively. In addition, the output wavelength of the laser was continuously tuned over a range of 125 nm between 2260 and 2385 nm. Furthermore, the lifetime of the upper laser level (3H4) was measured to be 16 µs. By using the lasing threshold data the stimulated emission cross section of the 2.3 µm laser transition was determined to be (1.62±0.09) × 10−24 m2. After the continuous wave laser characterization, mode-locked operation was obtained by extending the cavity length and by adding a graphene saturable absorber. The graphene mode-locked Tm3+:KY3F10 laser produced 739-fs pulses at 2340 nm at a pulse repetition frequency of 54 MHz. These results represent the first experimental demonstration of continuous wave laser operation and graphene mode-locked operation of the Tm3+:KY3F10 gain medium around 2.3 µm. The third part of the thesis focuses on experiments where 2.3 µm lasing was demonstrated for the first time in Tm3+ doped BaY2F8 crystal. Since the BaY2F8 crystal was anisotropic, two different pumping polarizations (E//x and E//y) were investigated and lasing was obtained at 2290 nm for both cases. Power efficiency and excitation spectrum measurements were then performed each pumping configuration. For E//x pumping configuration, 42 mW (100 mW) of output power was obtained in single-end (double-end) pumping scheme. For E//y pumping, 43 mW of output power was obtained in double-end pumping scheme. The remaining power characterization was performed for E//x pumping. Tunable operation was obtained over a range of 152 nm between 2233 and 2385 nm. Absorption saturation measurements were further carried out to determine the saturation intensity and the absorption cross section of the gain medium. The lifetime of the upper laser level was measured to be 292 µs. The emission cross section for the Tm3+:BaY2F8 gain medium was found to be smaller ((0.66±0.06)⨯10-24 m2) than that of the Tm3+:KY3F10 medium ((1.62±0.09) × 10−24 m2). The final part of the thesis describes an emerging application of near infrared lasers in photothermal therapy (PTT) and photodynamic therapy (PDT). In the experiments, a homemade setup was constructed for the evaluation of the PTT and PDT potential of different nanoparticles irradiated with 640 nm and/or 808 nm lasers. A dichroic mirror was used to combine the 640 and 808 nm beams so that they can be applied simultaneously or individually. During the PTT measurements, the temperature increase of the nanoparticle solutions was recorded as a function of time to determine the PTT efficiency. A tunable Ti3+:sapphire laser was also used to explore the wavelength dependence of the PTT efficiency. PTT measurements were further carried out by irradiating nanoparticles injected into cancer cell cultures, bacteria cultures and bacteria biofilms in 96-well plates. The samples were placed inside a container whose temperature was maintained at 37°C. Experiments showed that incident fluence levels of 3 W/cm2 provided effective PTT and PDT effect, demonstrating their potential in next generation medical therapy systems.
Benzer Tezler
- Nd: YAG lazer modülünün lazer diyotla pompalanarak 532 nm dalga boyunda lazer ışığının elde edilmesi
Obtaining laser light at 532 nm wavelength by using laser diode as pumping source for Nd: YAG laser cavity
ÖZGÜR KELEKÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. NECATİ ECEVİT
- Nd:YVO4 lazer kristali ve MgO:PPLN SHG kristali ile yeşil lazer tasarımı, karakterizasyonu ve uygulama alanları
Design, characterization and application of Nd:YVO4 laser crystal green laser with MgO:PPLN SHG crystal
MEMDUHA BURÇİN DEVELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilim ve TeknolojiGazi Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF ORHAN
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Radyo frekansı (RF) sıçratma yöntemi ile çinko selenayt (ZnSe) ince filmlerin üretimi
Zinc selenite (ZnSe) of thin films production with radio frequency (RF) sputtering method
TUĞÇE SELEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET ÖZKAN
- Işkın bitkisinden karbon nokta yapıların yeşil sentezi ve Schottky diyot fabrikasyonu
Green synthesis of carbon dot structures from Rheum ribes plant and Schottky diode fabrication
MUHAMMED TAHA DURMUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EBRU BOZKURT
- Microcontroller based high power 809-nm diode laser design for biophotonics applications
Biyofotonik uygulamalara yönelik mikrodenetleyici tabanlı yüksek güçlü 809-nm diyot laser tasarımı
CEM GELDİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT GÜLSOY