Cr:Colquiriite'lerde spektroskopik özelliklerin sıcaklığa bağlı ölçümü ve diyot pompalı Cr:LiCAF, Yb:YLF ve Yb:LLF lazer sistemlerinin geliştirilmesi

Bu tez çalışmasının genel çerçevesi, geçiş metali ve nadir toprak element iyonu katkılı çeşitli katı-hal kazanç ortamlarının kullanıldığı deneylerde, sıcaklığa bağlı spektroskopik özelliklerin karakterizasyonu ve lazer diyotları ile pompalama altında sürekli-dalga, pasif Q-anahtarlı ve mod-kilitli rejimlerin gösterilmesine yönelik çalışmaları içermektedir. Bu kapsam altında gerçeklenmiş çeşitli deneysel çalışmalarda geçiş metali iyonu (Cr+3) katkılı Cr:LiCAF, Cr:LiSAF, Cr:LiSGaF ve nadir toprak element iyonu (Yb+3) katkılı Yb:YLF ve Yb:LLF kazanç ortamları kullanılmıştır. Başarılı lazer/amplifikatör sistemlerinin tasarlanması, pratik kurulumu, verimli operasyonunun sağlanması ve kazanç ortamlarının beklenen çalışma koşulları altında dayanıklılığının tahmin edilmesi için ilgili kazanç ortamının ilgili koşullarda sahip olduğu optik, mekanik ve termal özelliklerin yanında, kesit alanlarının (absorpsiyon ve emisyon), küçük sinyal kazancının ve floresan ömrü gibi spektroskopik özelliklerin parametrik (sıcaklık, katkı iyon miktarı gibi) bağımlılığının detaylı bir şekilde bilinmesi gerekmektedir. Verilen bir kazanç ortamı için bu tür özellikler, yapısına eklenen aktif iyon türlerinin ve konak malzemenin kendine has özelliklerinin birleşimi şeklinde kendini göstermektedir. Bu kapsamda tez çalışması dahilinde hedeflenen özgün değere sahip çıktılardan ilki, üç farklı Cr:Colquiriite (ismini Bolivya'da keşfedildiği Colquiri kalay madeninden alır) kazanç ortamına (Cr:LiCAF, Cr:LiSAF, Cr:LiSGaF) ait floresan ömrü ve emisyon kesitinin sıcaklığa bağlı değişiminin deneysel olarak araştırılmasıdır. Bu hedefin gerçeklenmesinde, verilen Cr:Colquiriite kazanç ortamlarının kriyojenik (sıvı nitrojen soğutması ile 77 K'ye kadar) ve oda sıcaklığının üzerindeki (618 K'ye kadar) sıcaklıklar için kurulan farklı deney düzenekleri ile floresan ömrünün (1 K aralıklarla) ve emisyon kesitinin (5 K aralıklarla) sıcaklığa bağımlı ölçülmüş değişimi detaylı bir biçimde raporlanmıştır. Deneyler kapsamında elde edilen veriler ile floresan ömrü, ışınımlı ömür, quantum verimliliği ve E//c ve E//a eksenlerindeki emisyonun şiddeti, pik dalgaboyu ve genişliğinin ilgili sıcaklık aralığındaki değişiminin analitik tanımları ilgili denklem ve katsayılar ile birlikte verilmektedir. Bu kapsamda rapor edilen sonuçlar, farklı rejimlerde (amplifikasyon, güç ölçekleme, pasif Q-anahtarlama ve düşük zaman titremeli mod-kilitleme gibi) çalışan Cr:Colquiriite lazer sistem modelleri ve pratik kurulumlarına ulaşılmasında ve özellikle de kriyojenik sıcaklıklardaki potansiyellerinin ortaya konulması için sağlam bir temel oluşturmaktadır. Diyot-pompalı Cr:Colquiriite'ler ile farklı rejimlerde lazer operasyonunun gösterilmesi amacı kapsamında ise, düşük maliyetli çok-modlu diyotlar ile pompalı, AlGaAs tabanlı doyabilen soğurucu aynalar (SESAM) ile pasif Q-anahtarlı bir Cr:LiCAF lazeri gerçeklenmiştir. Dört farklı çıkış kuplörü ve farklı modülasyon derinliklerine sahip iki SBR kullanılarak deneysel olarak karakterize edilen sistemde 18-40 kHz arasındaki tekrarlama frekanslarında, 1.5-4 µs aralığında darbe genişlikleri ile 125 mW'a kadar ortalama çıkış güçleri elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen sonuçlar temel Q-anahtarlama teorisi ile karşılaştırılmış ve darbe uzunluğunun kısaltılması ve tepe gücünün ölçeklendirilmesi açısından daha fazla performans iyileştirmesi üzerinde durulmuştur. Tez çalışmasının son bölümünde, tek-modlu ve çoklu-modlu lazer diyotları ile pompalanmış Yb:YLF ve Yb:LLF lazer sistemleri ile (i) sürekli dalga operasyonunda güç ölçekleme, (ii) dalgaboyu ayarlama, (iii) pasif mod-kilitli femtosaniye darbe üretimi, (iv) mod-kilitli operasyonda tekrarlama frekansının GHz mertebesine ölçeklenmesine yönelik çalışmalar gerçeklenmiştir. Bu kapsamda kompakt, tek-modlu diyot pompalı bir Yb:YLF lazerinde ilk defa SESAM mod-kilitleme ile GHz tekrarlama frekansında femtosaniye darbeler elde edilmiştir. Lazer çıkışında 40 mW ortalama güce sahip 1.1 GHz tekrarlama frekanslı, 210 fs uzunluğunda darbeler (36.04 pJ'lük bir darbe enerjisine sahip) TEM00 profili ile elde edilmiştir. Çok-modlu lazer diyotu (960 nm, 10W) ile pompalanmış sürekli-dalga Yb:LLF lazer sisteminde ise %0.5-%60 aralığında dokuz farklı çıkış kuplörünün kullanıldığı deneylerde (i) 3.2W'a kadar ortalama çıkış gücü ve %42.3 eğim verimliliği, (ii) kuvars çift kırılımlı bir filtre (BRF) kulanımı ile 996-1073 nm aralığında dalgaboyu ayarlanabilir sürekli-dalga lazer çıkışı gösterilmiştir. Bu sonuç, daha önce literatürde 1029-1069 nm aralığında rapor edilen dalgaboyu ayarlama aralığı ile kıyaslandığında, Yb:LLF ile gösterilen en geniş dalgaboyu ayarlama ayarlığı olma özelliğine sahiptir. Çok-modlu diyot ile pompalı Yb:LLF sistemlerinde SESAM ile mod-kilitleme deneylerinde ise 200 MHz tekrarlama frekansında 337 fs darbelerin 2.5 W ortalama çıkış gücünde gösterilmiş, lazer operasyonunda kullanılan metodlar ve sonuçların tartışması verilmiştir. Takip eden deneylerde kavite içi dispersiyonun ayarlanması ve farklı uzunluklarda kavite kurulumları ile (i) 257 MHz'de 181 fs darbeler 3W çıkış gücü ile, (ii) 214 MHz'de 110 fs darbeler 780 mW çıkış gücü ile, (iii) 355 MHz'de 110 fs darbeler 220 mW çıkış gücü ile (benzer sonuçlar Yb:YLF ile de tekrarlanmıştır) elde edilmiştir. Son olarak, tek-modlu lazer diyotları (960 nm, 260 mW) ile pompalı Yb:LLF lazer kurulumlarında %52 eğim verimliliği ile 80 mW'a varan (tek pompalı durumda) sürekli-dalga çıkış güçleri gösterilmiştir.