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
- 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.
- Dudley, John M., Goëry Genty, and Stéphane Coen. “Supercontinuum generation in photonic crystal fiber.” Reviews of modern physics 78.4 (2006): 1135.
- 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
Son Yorumlar