Graphene-based fast saturable absorber devices and their application to mode locking of solid-state lasers

Grafen ve karbon-tabanlı doyabilen soğurucular, ayrıcalıklı optik özellikleri ve düşük maliyetli üretim teknikleri nedeniyle, son yıllarda diğer yarı iletken doyabilen soğuruculara alternatif olarak ortaya çıkmışlardır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, grafen doyabilen soğurucuların (GSA), yakın ve orta-kızılaltı dalgaboylarında çalışan lazerlerin kip-kilitlenmesinde (mode locking) etkin doyabilen soğurucular olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bu nedenle, farklı alttaşlar üzerine aktarılmış grafen doyabilen soğurucuların, kip-kilitleme performanslarının yüksek darbe tepe gücüne sahip lazerlerde de incelenmesi oldukça önemlidir. Fakat, tek katmanlı grafenin sahip olduğu %5 optik kayıp, düşük kazanç değerlerine sahip lazerler içerisinde grafenin çalışmasını zorlaştırmaktadır. Bu zorluklar, grafen-tabanlı süperkapasitörler kullanılarak aşılabilmektedir. Grafen-tabanlı süperkapasitörlere voltaj uygulandığı zaman, grafenin Fermi seviyesi değiştirilebilmekte ve optik soğurma miktarı Pauli bloklama prensibi sonucunda kontrol edilebilmektedir. Tezin ilk kısmında, farklı alttaşlar üzerine aktarılmış grafen doyabilen soğurucuların (kuartz ve YAG) optik nitelendirme ölçümleri yapılmıştır. Her iki grafen doyabilen soğurucunun da kip-kilitleme performansı, 1250 nm civarında çalışabilen ve yüksek tepe gücüne sahip darbeler üretebilen çok yansımalı kovuklu (multipass-cavity, MPC) Cr4+:forsterite katıhal lazeri ile test edilmiştir. Cr4+:forsterite lazeri, grafen-kuartz ve grafen-YAG örneği ile kip-kilitli rejimde çalıştırıldığında, 100 fs civarında uzunluğa ve 53 kW tepe gücüne sahip darbeler üretmiştir. Bu çalışma sonucunda, grafen doyabilen soğurucuların yüksek darbe tepe gücüne sahip lazerlerde de etkin doyabilen soğurucular olarak çalışabildiği literatürde ilk kez gösterilmiştir. Tezin geriye kalan bölümlerinde, grafen-tabanlı süperkapasitör yapıların optik karakterizasyonları ve farklı dalgaboylarında çalışan katıhal lazerlerindeki kip-kilitleme performansları incelenmiştir. Bu çalışmalarda kullanılan ilk süperkapasitör yapısı (VCG-SA), iki grafen elektrottan ve bu elektrotların arasında yer alan yüksek dielektrik katsayısına sahip bir elektrolitten oluşmaktadır. Optik karakterizasyon deneyleri sonucunda, süperkapasitörün optik soğurma miktarının, görünür dalgaboylarında (2.4 eV) bile düşük voltajlar (0-3V) uygulanarak kontrol edilebildiği gösterilmiştir. Bu süperkapasitörün kip-kilitmele performansı, bir önceki deneylerde de kullanılmış olan çok yansımalı kovuklu Cr4+:forsterite lazeri içerisinde incelenmiştir. Süperkapasitöre 1V uygulandığında, kip-kilitli lazer rezonatörü, 1250 nm civarında, 84 fs uzunluğa sahip ve zaman-spektral genlik çarpımı 0.32 olan darbeler üretmiştir. Voltaj uygulanmadığı durumdaki optik kayıpları daha da azaltabilmek için, ikinci bir süperkapasitör tasarımı yapılmış ve grafen elektrotlardan biri, üzerinde ışığın geçişini sağlamak için bir delik bulunan altın elektrot ile değiştirilmiştir. Grafen-altın tabanlı süperkapasitörün doyabilen soğurucu olarak çalıştırılması, aynı Cr4+:forsterite lazeri içerisinde araştırılmıştır. Bir önceki tasarımda yer alan grafen elektrotlardan biri altın ile değiştirildiği için, grafen-altın süperkapasitörün (VCG-gold-SA) rezonatör içerisindeki optik kaybı, bir önceki süperkapasitör tasarımına kıyasla daha düşük seviyelerde kalmıştır. 0.8V voltaj uygulanmış grafen-altın süperkapasitör ile kip-kilitli rejimde çalıştırılan Cr4+:forsterite lazeri, 80 fs süreli ve 42 kW tepe gücüne sahip darbeler üretmiştir. Grafen-tabanlı süperkapasitörlerin, daha düşük dalgaboylarında da doyabilen soğurucu olarak çalışabileceğinin gösterilmesi, 800 nm civarında çalışan Ti3+:sapphire lazeri kullanılarak araştırılmıştır. Grafen-altın süperkapasitör ile bu rezonatörden, 795 nm civarında femtosaniye darbeler üretilmiştir. Bu dalgaboyu şimdiye kadar grafen-altın süperkapasitörün doyabilen soğurucu olarak çalışabildiğinin gösterildiği en düşük dalgaboyudur. Bu tez çalışmaları sonucunda, grafen-tabanlı süperkapasitör doyabilen soğurucuların, farklı dalgaboylarında çalışan ve farklı optik kazançlara sahip lazerlerde doyabilen soğurucu olarak kullanılabilme potensiyeline sahip oldukları gösterilmiştir.