Green diode pumping of femtosecond Ti3+:sapphire lasers and the first demonstration of 2.3-µm laser operation in trivalent thulium-doped KY3F10 and BaY2F8 fluoride crystals

Bu tez elektromanyetik spektrumun yakın kızılötesi ve orta kızılötesi bölgelerinde yeni lazer mimarileri geliştirmeyi amaçlamaktadır. İlk bölüm yakın zamanda geliştirilmiş olan 520-nm lazer diyotları kullanılarak bir Ti3+:safir lazerinin direk olarak bir yeşil diyot ile pompalanmasına odaklanmaktadır. Tezin ikinci kısmı Tm3+ iyonu katkılanmış yeni florür konaklarda 2.3 µm lazer operasyonunu araştırmaktadır. Dalgaboyu ayarlanabilir 2.3 µm lazer operasyonu, üç değerlikli Tm iyonu katkılanmış florür konaklar KY3F10 ve BaY2F8'te ilk kez gösterilmiştir. Ayrıca, Tm katkılı KY3F10 lazerinde, grafen doyabilen soğurucu ile kip kilitlenmesi, 2.3 µm dalgaboyunda pikosaniye altı darbeler üretilerek gösterilmiştir. Tezin son kısmı çeşitli nanoparçacıkların fototermal ve fotodinamik tedavi potansiyellerinin değerlendirilmesi için 808 nm ve/veya 640 nm lazerlerini kullanan ev yapımı bir deneysel düzeneğin kuruluşunu anlatmaktadır. Tezin ilk kısmında, 800 nm civarında çalışan, direk yeşil diyot pompalı bir Ti3+:safir lazeri, bir kısa x şeklindeki kovuk ve bir genişletilmiş çoklu yansıma kovuğu yapısı kullanılarak incelenmiştir. İlk olarak kısa kovuk ve çoklu yansıma kovuğunun sürekli dalga güç performansı eniyileştirilmiştir. 520 nm diyotu ile Ti3+: safir lazeri arasında en iyi kip örtüşmesini elde etmek için, ABCD matrisi tabanlı bir paraksiyal ışın yayılımı algoritması kullanılmıştır. Eniyileştirilmiş kısa kovuk 880 mW pompa gücü ve %3 çıkış aynası geçirgenliği ile 780 nm dalgaboyunda 90 mW güç üretmiştir. Kısa x şeklindeki kovuk daha sonra Kerr lens kip kilitli operasyon sırasındaki darbe tekrar frekansını 5.8 MHz'e düşürmek için bir çoklu yansıma kovuğu ile genişletilmiştir. Kip kilitli çoklu yansıma kovuklu Ti3+:safir lazeri 860 mW pompa gücü ile 5.1 nJ darbe enerjisine sahip 95 fs uzunluğunda darbeler üretmiştir. Bu sonuçlar bugüne kadar tek diyotla pompalanmış bir Ti3+:safir lazerinden elde edilmiş en yüksek darbe enerjisini göstermektedir. Tezin ikinci kısmında, Tm katkılı florür kazanç ortamı KY3F10'te 2.3 µm lazer ışınımı ilk kez gösterilmiştir. Deneylerde %8 katkılı bir Tm3+:KY3F10 kristali ev yapımı ve dalgaboyu ayarlanabilir bir Ti3+:safir lazeri ile pompalanmıştır. Tm3+:KY3F10 lazerinin uyarılma spektrumu, dalgaboyu ayarlanması ve lazer güç performansı sürekli dalga rejiminde incelenmiştir. Tm3+:KY3F10 lazeri %1 geçirgenliğe sahip bir çıkış aynası ile tek ve çift pompalı durumlarda sırasıyla 31 ve 122 mW güç üretmiştir. Ek olarak, lazer çıkış dalgaboyu 2260 nm ile 2385 nm arasında 125 nm'lik bir aralıkta sürekli şekilde ayarlanmıştır. Ayrıca, üst lazer seviyesinin (3H4) yaşam süresi 16 µs olarak ölçülmüştür. Lazer eşik pompa değerleri kullanılarak emisyon arakesiti (1.62±0.09) × 10−24 m2 olarak belirlenmiştir. Sürekli dalga lazer karakterizasyonundan sonra, kovuk boyunun arttırılması ve bir grafen doyabilen soğurucunun eklenmesiyle kip kilitli operasyon elde edilmiştir. Grafen kip kilitli Tm3+:KY3F10 lazeri 54 MHz darbe tekrar frekansında 2340 nm'de 739 fs uzunluğunda darbeler üretmiştir. Bu sonuçlar, Tm3+:KY3F10 kazanç ortamında 2.3 µm dalgaboyunda sürekli dalga ve grafen kip kilitli operasyonu ilk kez deneysel olarak göstermektedir. Tezin üçüncü kısmı Tm3+ katkılı BaY2F8 kristalinde 2.3 µm lazer ışınımının ilk kez gösterilmesi deneylerine odaklanmaktadır. BaY2F8 kristali anizotropik olması sebebiyle iki pompa polarizasyonu (E//x ve E//y) incelenmiş ve iki durumda da 2290 nm'de laser ışınımı elde edilmiştir. Daha sonra iki durum için de güç verimi ve uyarılma spektrumu ölçümleri yapılmıştır. E//x durumunda tek pompalı (çift pompalı) durumda 42 mW (100 mW) çıkış gücü elde edilmiştir. E//y durumunda çift pompalı durumda 43 mW çıkış gücü elde edilmiştir. Takip eden güç karakterizasyonları E//x durumu için yapılmıştır. Dalgaboyu ayarlanabilirliği 2233 nm ile 2385 nm arasındaki 152 nm'lik bir aralıkta elde edilmiştir. Ek olarak kazanç ortamının doygunluk yoğunluğu ve emilim arakesitinin belirlenebilmesi için emilim doygunluğu ölçümleri yapılmıştır. Üst lazer seviyesinin yaşam süresi 292 µs olarak ölçülmüştür. Tm3+:BaY2F8 kazanç ortamı için elde edilen emisyon arakesiti ((0.66±0.06) × 10-24 m2) Tm3+:KY3F10 ortamından ((1.62±0.09) × 10−24 m2) daha küçük bulunmuştur. Tezin son kısmında, yakın kızılötesi bölgesindeki lazerlerin fototermal tedavi (PTT) ve fotodinamik tedavide (PDT) yeni ortaya çıkan uygulamalarını anlatmaktadır. Deneylerde, 640 nm ve/veya 808 nm ile ışınlanmış nanoparçacıkların PTT ve PDT potansiyellerinin değerlendirilmesi için bir ev yapımı düzenek inşa edilmiştir. 640 nm ve 808 nm lazer hüzmeleri, hem tek başlarına hem de beraber uygulanabilmeleri için bir dikroik ayna kullanılarak birleştirilmiştir. PTT ölçümleri sırasında, nanoparçacık çözeltilerinin sıcaklık artışları PTT verimlerinin belirlenebilmesi için zamana bağlı olarak kayıt edilmiştir. Ek olarak, PTT veriminin dalgaboyuna olan bağlılığını inceleyebilmek için bir dalgaboyu ayarlanabilir Ti3+:safir lazeri kullanılmıştır. PTT ölçümleri, 96 kuyucuklu kutulara koyulmuş ve nanoparçacık enjekte edilmiş kanser hücresi kültürleri, bakteri kültürleri ve bakteri biyofilmlerinin ışınlanması ile devam etmiştir. Örnekler sıcaklığı 37°C'de tutulan bir kutuya koyulmuştur. Deneyler göstermiştir ki 3W/cm2 mertebesindeki ışık akıları verimli PTT ve PDT etkileri sağlayarak, PTT ve PDT'nin gelecek nesil tıbbi tedavi potansiyellerini göstermektedir.