Graphene Mode-locked and Kerr-lens Mode-locked Operations of Cr3+:LiSAF Lasers Near 850 nm and Tm3+:YLF Lasers Near 2300 nm

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.