Ultra-low noise fiber laser systems and their applications

Günümüzde fiber lazer sistemleri, bilimsel, biomedikal ve endüstriyel uygulamalarda yoğun şekilde kullanılmaktadır. Spektroskopi, lazer-malzeme etkileşimi, doğrusal olmayan ve kuvantum optik deneyleri gibi pekçok bilimsel alanda yer bulurken, aynı zamanda, malzeme işleme, lazer markalama ve yüksek hızlı devre testi gibi pekçok endüstriyel uygulamada da yer edinmiştir. Tüm bu uygulamalar için uzun-vade kararlılığı en önemli gerekliliklerin arasında gelir. Bu bakımdan fiber lazerler büyük avantaja sahiptir. Optik fiberler, ışığın izole edilmiş bir yoldan geçmesini sağlayarak hem çevrenin etkisini en aza indirir, hem de mekanik sebepler sonucu ışığın sapmasını engeller. Uzun-vade kararlılığın yanısıra kısa-vade (1 saniye ve altı) kararlılığı ve lazer çıkışındaki dalgalanmalar da uygulamalar için hayati önem taşır. Kısa-vade kararlılığı, ölçümlerin sinyal-gürültü oranını, ölçüm ve işlem çözünürlüğünü belirleyen başlıca parametredir. Öncelikle, kip-kilitli lazerlerin şiddet gürültüsü tüm bilindik kip-kilitleme rejimleri için, geniş bir parametre aralığında, sistematik olarak karakterize edilmiştir. Şiddet gürültüsünün kip-kilitleme rejimine bağlı olmadığı anlaşılmıştır. Kovuk kayıpları atım karakteristiklerinde belirgin bir iz bırakmazken, gürültü performansını şiddetli bir şekilde etkilemektedir. Sürekli-dalga veya çoklu atım oluşumu, gürültü performansını bir dereceye kadar etkilemektedir. Fakat daha yüksek enerji seviyelerinde, gürültü seviyesinin 100 kat mertebesinde artısına sebep olan gürültü patlaması gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar kip-kilitli fiber lazerlerde şiddet gürültüsünü azaltma yöntemleri üzerine önemli değerlendirmeler sunmaktadır. Yüksek güçlü lazer sistemlerinde nihai gürültü seviyesini, yükseltme sırasında pompa diyodundan aktarılan gürültü belirler. Ultra-düşük gürültülü fiber lazer tarafından beslenen yüksek güçlü bir fiber lazer sistemi, gürültü açısından incelenmiştir. Sistem en yu ̈ksek güç kapasitesinde (10 W) çalıştığı sırada %0.2'den daha düşük gürültü (3 Hz'den 250 kHz'e entegre edilmiş) seviyesinde atımlar üretmektedir. Ek olarak, gürültü kaynakları, modülasyon aktarım fonksiyonu yaklaşımıyla sistematik olarak karakterize edilmiştir. Bu fonksiyonlar kullanılarak nihai atımların gürültü seviyelerinin tahmin edilebileceği gösterilmiştir. Düşük gürültülü fiber lazerler konusunda elde edilmiş bilgi birikimi, tezin ikinci bölümünde bilimsel bir problemin çözümünde kullanılmıştır. Ruhr Üniversitesi araştırmacıları ile sürdürülen ortak çalışmanın bir ürünü olarak, mikro-plazma deşarjı spektroskopisinde kullanılmak üzere, düşük-gürültülü fiber lazer sistemi geliştirilmiştir. Soğrulma spektroskopisi, bir maddenin varlığını ve miktarını tespit etmek için plazma deşarjı üzerinde kullanılan en temel yöntemlerden birisidir. Lazer ışığının soğrulması çoğu zaman çok düşük miktarlarda olduğundan (binde bir veya daha az), bunu algılayabilmek için ultra-düşük gürültülü sistemler gerekmektedir. Bu bağlamda mikro-plazma üzerinde soğrulma spektroskopisi çalışmalarında kullanılmak üzere geniş spektrumlu düşük gürültülü atımlar üreten bir fiber lazer düzeneği geliştirilmiştir. Düzenek aynı zamanda plazma oluşumunu başlatabilecek enerji seviyesinde atımlar da üretebilmektedir. Her iki türdeki atımlar aynı fiber lazerin beslemesiyle üretildiğinden, aralarındaki zamanlama çok yüksek seviyededir. Bu sistemle birlikte, mikro-plazma jetlerinde pompalama-ölçme (pump-probe) deneyleri yapabilme imkanı doğmuştur. Tezin üçüncü bölümünde lazer gürültüsü konusundaki bilgi birikimi, düşük gürültülü LADAR uygulamalarında kullanılacak fiber lazer geliştirmesi için kullanılmıştır. Evre-uyumlu ve doğrudan algılama ladar sistemleri için kullanılmak üzere iki adet fiber lazer sistemi geliştirilmiş ve gerçekçi senaryolar ile denenmiştir. Her iki sistem de 1 km mesafeden 1 cm çapındaki enerji nakil hattını 100 mikrosaniyeden daha kısa ölçüm süresinde algılayabilme yeteneğini göstermiştir. Bu performans satılan en üstün ticari ürünler ile karşılaştırılabilir düzeydedir.