Seydi Yavaş, Sarper Salman,Önder Akçaalan, Koray Eken

Kızılötesi nanosaniye lazerler uzun yıllardır kullanımdadır ve hem bilimsel çalışmalarda hem de sanayide geniş  bir  alanda  yeni  kullanım  alanları  kazanmaktadır.  Bunun  başlıca  sebebi  bu  lazerlerin   mevcut yöntemlerle  başta  metaller  olmak  üzere  birçok  malzemeyi  ortalama  bir  odaklamayla  işleyebilecek  kadar yüksek  güçlere  ve  yüksek  atım  enerjilerine  ulaşılabiliyor  olmasıdır.  Nanosaniye  atımların  üretilmesinde uzun yıllardır kullanılan yöntemlerden biri katıhal lazerlerin, özellikle Nd:YAG lazerin, q-switch tekniğiyle atım  üretmesinin  sağlanmasıdır.  Bu  yöntem  ile  dar  bant  ışın  üretimi  ve  yüksek  enerjilerde  atım  üretimi mümkün olsa da kararlı çalışma ve gürültü karakteristikleri açısından dezavantajlara sahiptir. Ayrıca katıhal lazerler  serbest  uzay  optikleri  içermesi  sebebiyle  çok  esnek  yapıda  olmadıklarından  ve  aynı  zamanda kazanç  ortamları  olan  kristallerin  su  soğutma  gibi  ileri  düzey  soğutmaya  ihtiyaç  duymalarından  dolayı büyük,  zamanla  bu  optik  bileşenler  kaymaya  sebebiyet  verebileceği  için  de  kararsız  çalışmaya  hatta çalışmamaya  meyillidirler.  Son  senelerde  bu  sistemlere  alternatif  olarak  fiber  lazerler  geliştirilmeye başlamıştır.  Fiber  lazerler  kendilerini  oluşturan  fiberlerin  esnek  yapıda  olması  ve  ek  bir  soğutmaya gereksinim   duymaması   sebebiyle   oldukça   küçük   tasarlanabilmektedir.   Aynı   zamanda   ileri   soğutma sistemlerine  ihtiyaç  duymadıkları  için  de  katıhal  lazerlere  göre  elektrik  verimliliği  yüksektir  ve  daha çevrecidir.  Demet  kalitesi  de  doğrudan  fiber  çıkışlı  olduğu  için  oldukça  yüksek,  hatta  ideal  tek-kipli duruma  yakındır.  Buna  ek  olarak  elektronik  kontrol  sistemleri  aracılığıyla  atım  tekrar  sıklıkları  ve  atım süreleri   doğrudan   kontrol   edilebilir   yapıdadır   ve   bu   yetenek   q-switch   lazerlerdeki   atım   üretme mekanizmasının  karmaşıklığı  sebebiyle  bu  tip  lazerlerde  mümkün  değildir.  Bu  nedenle  son  senelerde MOPA (master oscillator power amplifier) tipinde fiber lazerlerin endüstride kullanımı giderek artmakta ve katıhal lazerlerin yerini hızla almaktadır.

Nanosaniye fiber lazerlerin piyasada kullanımı artsa da yüksek güçlü görünür ışık ve UV ışığın üretiminin yanı sıra ayarlanabilir dalgaboylu görünür ışık elde edilmesinin katıhal lazerlerin egemenliğinde olduğu bir gerçektir. Bunun başlıca sebebi frekans katlama yöntemiyle elde edilen yüksek güçlü nanosaniye görünür ışınların   üretiminde   dar   bant   spektrumlu   kızılötesi   ışın   gereksinimi   olması   ve   mevcut   fiber   lazer tasarımlarında  fiber  içinde  doğrusal  olmayan  etkilerin  yüksek  olması  sebebiyle  spektrumun  genişliyor olması  sebebiyle  elde  edilememesidir.  Bu  da  lazer  çıkışında  frekans  katlama  için  kullanılacak  kristalin boyunu    ve    dolayısıyla    da    frekans    katlamanın    verimliliğini    ve    ulaşabileceği    maksimum    gücü sınırlamaktadır. Diğer bir sebep de dar bant spektrumlu olarak yükseltgenme sürecini başlatacak tipte 1064 nm  lazer  sinyal  diyotlarının  son  bir  iki  seneye  kadar  çok  pahalı  üretiliyor  olması,  üretilenlerin  de ulaşabildiği maksimum gücün doğrudan yükseltgenmeye müsait olmamasıdır. Ayrıca ayarlanabilir görünür ışın elde etmede de yaygın kullanılan tekniğin OPO (optical parametric oscillator) yöntemi olmasıdır. Bu yöntemde de katıhal lazerle pompalanan başka bir katıhal lazer salıngaç sistemi ile ayarlanabilir görünür ışın elde edilmektedir.

Son birkaç senede yüksek güçte dar bant lazer diyotların üretilmesi ve doğru bir yükselteç tasarımıyla dar bant nanosaniye fiber lazerlerin yapılabilmesinin ve dolayısıyla yüksek güçlü frekans katlamanın fiber lazer kullanılarak   üretilmesinin   yolu   açılmıştır.   Boğaziçi   Üniversitesi   ve   Bilkent   Üniversitesi   ile   ortak yapılmakta  olan  “Kanser  Patolojisi  için  Optik  Cımbızlı  Fotoakustik  Mikroskop”  Tübitak  1003  projesi kapsamında  geliştirdiğimiz  fiber  lazer  ile  Türkiye’de  ilk  kez  MOPA  tasarım  doğrudan  nanosaniye  diyot lazerin   kendi   geliştirdiğimiz   FPGA   elektronik   devre   ile   modüle   edilmesi   ile   dar   bant   spektrumlu nanosaniye   atımlar   üretilmiş   ve   atımların   spektral   genişlemesine   sebep   olmayacak   şekilde   kendi tasarımımız fiber yükselteç ile yükseltgenmiştir. 1064 nm merkez dalgaboylu lazerin çıkışından elde edilen ve 0.2 nm spektrum genişliğine sahip atımların genişliği 8 ns, atım tekrar sıklığı 55 kHz’tir. Bu da yaklaşık 100 µJ atım enerjisine denk gelmektedir. Bu lazer çıkışından elde edilen yüksek güç kızılötesi ışın frekans katlama yoluyla yüksek verimli olarak 532 nm, 355 nm ve 266 nm ışına dönüştürülecek, bu ışınlar ile 1064 nm’de zor işlenen ya da işlenemeyen malzemelerin işlenmesi gerçekleştirilecektir.

Şekil-1.  Nanosaniye dar bant 1064 nm sistemi, frekans katlama sistemi ve süper tayf üretim kolu

Frekans  katlamanın  yanısıra  geliştirdiğimiz  fiber  lazere  eklenen  ve  özel  olarak  tasarlanan  bir  yükselteç koluyla geniş bir spektrum aralığında görünür ışın elde etmek için yüksek doğrusal olmayan etkiye sahip fotonik  kristal  fiber  kullanılarak  süper  tayf  elde  edimiştir.  Elde  edilen  süper  tayflı  ışının  ortalama  gücü 1000 nm’nin altındaki dalgaboyları için 200  mW’ın üstündedir ve ışın 500-1100 nm aralığında geniş bir spektruma   sahiptir.   Bu   ışının   uygun   filtrelenmesiyle,   özellikle   fotoakustik   mikroskopi   gibi   farklı dalgaboylarına ihtiyaç duyulan görüntüleme sistemleri için gerekli  ışık kaynağı olarak kullanılabilecektir. Geliştirilen lazer sistemi ve görünür ışık elde etme sistemleri hem ayrı ayrı hem de bütün olarak prototipe ve ticari ürüne dönüşme potansiyeline sahiptir.

Şekil-2.  Üretilen  atımların  spektrumu,  PCF  çıkışında  elde  edilen  süper  tayf  spektrumu  ve  görünür  ışık fotoğrafı

Kaynakça

  1. Richardson, J., J. Nilsson, and W. A. Clarkson. “High power fiber lasers: current status and future perspectives [Invited].” JOSA B 27.11 (2010): B63-B92.
  2. Dudley, John  M.,  Goëry  Genty,  and  Stéphane  Coen.  “Supercontinuum  generation  in  photonic  crystal fiber.” Reviews of modern physics 78.4 (2006): 1135.
  3. Gapontsev,Valentin ,et al. “Third harmonic frequency generation by Type-I critically phase-matched LiB 3 O 5 crystal by means of optically active quartz crystal.” Optics express 21.3 (2013): 3715-3720