Engineering the nonlinear dynamics of photonic systems: Demonstration of the soliton-similariton fiber laser and nonlinear laser lithography

Genellikle performans sınırlayıcı kaynaklar olarak davranan doğrusal olmayan etkiler, ultrahızlı optikte kendini kolayca ve kaçınılmaz olarak gösterir. Fakat ultrahızlı atımların üretiminden kullanımına kadar birçok etkileyici fenomen de doğrusal olmayan etkilere dayanmaktadır. Doğrusal olmayan etkilerin dinamiklerini ve bunları kontrol edebilecek veya yönetebilecek mekanizmaları etkili bir şekilde anlamak, başka yöntemlerle erişilmesi zor hatta imkansız fenomenlerin gözlemlenmesine ve yeni fonksiyonların elde edilmesine olanak sağlar. Bu tez, ultrakısa atımlar üreten yenilikçi bir kip-kilitli salıngaçtan, bu atımların mikrojul enerji seviyesine yükseltilmesine, ve son olarak metal bir yüzeyle doğrusal olmayan etkileşimine dayanan yenilikçi bir nano-yapılandırma mekanizmasına kadar bir dizi bilimsel çalışma ortaya koymaktadır. Tez kapsamında geliştirilen yenilikçi kip-kilitli lazer kovuğunda atımlar, yükseltgenme varlığında özbenzeş yani similariton olarak, geri kalan kısımda ise soliton olarak ilerlemektedir. Görünüşte birbiriyle uyumsuz olan similariton ve soliton benzeri atımların, lazer salıngacının sınır koşullarını sağlayacak şekilde, birlikte var olabilmesi darbantlı bir spektral filtre gerektirir ve görülmemiş büyüklükte bir spektral nefes alımına sebep olur ki bu da şimdiye kadar üretilen herhangi bir kip-kilitli lazerdeki en kuvvetli doğrusal olmayan etkilerin gözlemlenmesini sağlamıştır. Geliştirilen lazer, filtrenin bant genişliği arttıkça saçılım-kontrollü lazere, anormal-saçılımlı fiberin boyu kısaldıkça ise salt-normal saçılım lazerine indirgenmektedir. Böylelikle dört temel kip-kilitli rejim de kapsanmaktadır. Dolayısıyla, bu rejimin çözümlenmesinin, diğer tüm kip-kilitli rejimlerin daha iyi anlaşılmasına vesile olacağını düşünüyoruz. Daha önemlisi, iki çekici çözümün tek bir lazer kovuğunda var olabilmesi, gelecekte yeni lazer tasarımlarına kapı aralayacaktır. Uygulama yönünden bakıldığında ise lazerin kolayca kip-kilitlenebilmesi ve mükemmel kısa ve uzun vadeli kararlılığı, hassas malzeme işleme uygulamaları için büyük potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Bu çalışmayla, bildiğimiz kadarıyla Dünya'da ilk defa, fiber içerisinde 57 kW tepe gücüne ulaşılmasını sağlayan, yüksek enerjili, fiberde tümleşik, doğrusal olmayan zamanla frekansı değişen atımlı yükseltgenme tekniğini göstermekteyiz. Buna bağlı olarak, pompa ve sinyal ışınlarının dışarı çıkmaksızın fiber içinde ilerlediği, 3 uJ ve 4 uJ enerjiye sahip, 70 ps uzunluğunda, kırınım ağı sıkıştırıcısında sırasıyla 140 fs and 170 fs uzunluğuna sıkıştırılabilen atımlar üreten fiber lazer yükselteci göstermekteyiz. Yükseltecin çıktısı, bir pikosaniye kaynağı olarak direk olarak kullanılabileceği gibi, lazer sistemi dışındaki bir kırınım ağı yardımıyla sıkıştırılarak da kullanılabilir. Bu yaklaşım, 10 MW tepe gücüne ulaşabilen ve hassas ayar gerektirmeyen dayanıklı bir lazer sistemi ortaya konabilmesini sağlamaktadır. Son olarak, doğrusal olmayan dinamiklerin kontrolünden öğrendiklerimizle beraber geliştirdiğimiz bu lazer sistemini, pozitif yerel olmayan geri bildirimlerle kendinden organize metal oksit nano yapıların büyümesini başlatan ve negatif yerel geri bildirimlerle de bu yapıları stabilize eden bir üretim metodunu göstermek için kullanıyoruz. Böylelikle eşsiz bir tekdüzeliği, yüksek hızda ve düşük maliyetle, düz olmayan veya esnek yüzeylerde elde edebiliyoruz. Kesintisiz biçimde nanoyapıları birleştirmek üzere geri bildirimin yerel olmayan doğasından yararlanarak, periyodisitede nm-altı tekdüzeliğe sahip belirli bir sınırı olmayan çok büyük alanları kaplayabiliyoruz. Prensipte çok çeşitli malzemeler üzerinde uygulanabilecek bu yaklaşımı TiO2 ve tungsten oksit nanoyapıların fabrikasyonunda gösteriyoruz. Anahtar Sözc ukler: Fiber optik y¨ukselte¸cler ve salınga¸clar, kip-kilitli lazerler,ultrahızlı lazerler, lazerle malzeme i¸sleme.