Development and characterization of advanced mid-infrared solid state lasers

Bu tez 2 ?m dalga boyu civarında çalışan ileri düzeyli katıhal lazerlerinin deneysel olarakgeliştirilmesi amacı ile yapılan araştırma çalışmalarını içermektedir. Bu lazerlerin önemi,cerrahi, mesafe ölçümleri, atmosferik görüntüleme, ve orta kızılaltı dalgaboylarında çalışanlazer ve optik parametrik osilatörlerin pompalanmasını kapsayan birçok uygulamalarınınbulunmasından ileri gelmektedir. Tez çalışmaları, özellikle, yakın ve orta kızılaltı bölgedeışınım yayan tulyum katkılı kristal ve cam lazerlerinin geliştirilmesi ve incelenmesi, vetulyum katkılı kristal ve camların spektroskopilerinin incelenmesi üzerine yoğunlaşmıştır.Tezin ilk kısmı sürekli-dalga tulyum katkılı YAlO3 (Tm:YAP veya Tm:YAlO)lazerinin geliştirilmesi amaçlı iki deneysel çalışma üzerine odaklanmıştır. İlk çalışmada kristaliçersindeki tulyum iyon yoğunluğunun sürekli-dalga diyod pompalı lazer performasıüzerindeki etkisi tetkik edilmiştir. Bu amaçla %1.5, %3, ve %4 oranında tulyum katkılı üçdeğişik YAP kristali kullanılmış ve en iyi verim %1.5 katkılı örnek ile elde edilmiştir. Buçalışmanın en belirgin sonucu iki-mikron dalgaboyundaki lazer verimini arttıran çaprazsönüm etkisinin %1.5 katkılı örnekte bile etkili olduğunun tespitidir. İkinci çalışmada, düşükpompa eşik gücüyle çalışan ve Ti:safir lazeri ile pompalanan sürekli-dalga Tm:YAP lazerigeliştirilmiştir. Deneylerde, %4 tulyum katkılı YAP kristali ve sıkı odaklama içeren optikkovuk tasarımı ile çift pompalama uygulanarak 10 mW pompa eşik gücü elde edilmiştir.Ayrıca, diyod pompalı sürekli dalga Tm:YAP lazeri, Boğaziçi Üniversitesi biomedikalbölümünden bir grup ile ortak proje kapsamında, lazer doku kaynağı potansiyelini tespitetmek hedefi ile, hareket ettirilebilir bir platform üzerine kurulu ve optik lif çıkışlı bir yapıyadönüştürülmüştür. Bu proje kapsamında lazer ışınımının dokularla etkileşimini inceleyendeneylerin ön sonuçları, test edilen ışınım yoğunluklarının düşük (15 W/cm2 civarındaki)değerlerinin doku kaynağı için, daha yüksek değerlerinin ise doku yakma ve buharlaştırmauygulamaları için uygun olduğunu göstermektedir.Daha sonraki çalışmalarda tulyum katkılı iki farklı malzemenin 2 ?m dalga boyucivarında lazer ışınımı yayma potansiyeli spektroskopik inceleme yöntemi ile araştırılmıştır.Bu malzemeler bilinen bir lazer kristali olan Tm3+:LuAG ve tulyum katkılı telür bazlıTm2O3:(0.85)TeO2-(0.15)WO3 camıdır. Cam örnekleri İstanbul Teknik Üniversitesinde yerelimkanlarla üretilmiş olup bu açıdan özel önem taşımaktadırlar. Yapılan ilk çalışmada,Tm3+:LuAG kristalinde, 1470-nm merkezli (3H4?3F4) ışıma bandının, %5 Tm3+ katkılıörnekte çapraz sönüm mekanizması sonucunda tamamen yok olduğu, halbuki %0.5 katkılıörnekte 1800-nm merkezli (3F4?3H6) ışıma bandının %60'ı büyüklüğünde olduğugözlenmiştir. Bu çalışmada ayrıca Tm3+:LuAG kristalinin serbest lazer çalışma dalgaboyuolan 2023 nm'deki ışınım ara kesiti 1.2±0.2 x 10-21 cm2 olarak belirlenmiştir. İkinci çalışmadaise Tm2O3:(0.85)TeO2-(0.15)WO3 camının, ışınım tayflarına ve hesaplanan ışınım arakesitlerine (1460 nm'de 3.73 ± 0.1 x 10-21 cm2 ve 1808 nm'de 6.57 ± 0.07 x 10-21 cm2)dayanarak, 0.25 mol% Tm2O3 katkı oranı ile 1.5 ?m civarında çalışan fiber-optikyükselticiler, 1.0 mol% Tm2O3 katkı oranı ile ise de 2.0 ?m civarında çalışan lazer sistemleriiçin güçlü bir aday olma potansiyeli taşıdığı sonucuna varılmıştır. Ancak, bugüne değinyapılmış olan denemelerde tulyum katkılı cam örneklerden lazer ışınımı elde edilememiştir.Bunun sebebinin örneklerdeki pasif kayıp seviyesinin yüksek olması muhtemeldir.Tulyum katkılı örnekleri ile lazer denemelerinin başarısız olması üzerine, TeO2-WO3camının lazer ışınım potansiyeli neodymium katkılanarak ölçülmek istenmiş ve neodymiumkatkılı örnekler ile 1065 nm'de lazer ışınımı elde edilmiştir. Böylece özgün bir telür bazlıcamdan (Nd2O3:(0.8)TeO2-(0.2)WO3) lazer ışınımı ilk kez elde edilmiştir. Deneylerde 0.5mol% katkılı bir örnek 114 ?J pompa enerjisi ile uyarılarak %12 verim eğrisi ve 11 ?J çıkışenerjisi elde edilmiştir. Sonuç olarak çalışmalarımız TeO2-WO3 camının kütle ve lif yapısındaverimli cam lazerler geliştirmeye elverişli olduğunu ortaya koymuştur.