Development of advanced solid-state pulsed lasers in the near and mid infrared for applications in material characterization

Abstract

Bu doktora tezinde, darbeli yakın ve orta kızılaltı lazerlerin geliştirilmesi ve darbeli lazerlerin kuantum noktacıklarının optik özelliklerinin incelenmesi anlatılmıştır. Bilhassa bu tezde, femtosaniye ve pikosaniye Cr4+:Forsterite lazeri, Nd katkılı tellürit cam lazeri ve sürekli dalga çekirdeklenen kazanç anahtarlamalı lazeri geliştirilmiştir. Ayrıca femtosaniye ve nanosaniye Ti:Safir lazerleri kullanılarak CdTe-CdS kuantum noktalarının iki foton soğurma özellikleri incelenmiştir.Tezin ilk bölümde, düşük eşik gücü ile oda sıcaklığında çalışan kip kilitli Cr4+:Forsterite lazerinin çalıştırılışı gösterilmiştir. Lazerin darbe tekrar frekansı, lazer kovuğuna çok yansımalı başka bir optik kovuk eklenerek 11.7 MHz'e düşürülmüştür. Lazeri darbeli çalıştırmak için Kerr odaklamalı kip kitleme yöntemi kullanılmıştır. Böylelikle lazerin çıkışından, sadece 60 mW ortalama güçle 5.1 nJ enerjili, 68 fs genişliğinde darbeler elde edilmiştir. Ayrıca 1.1 W soğrulmuş pompa gücü ile en düşük darbe genişli 41 fs olarak ölçülmüştür ve bu darbelerin enerjisi ise 3.4 nJ olarak belirlenmiştir.Tezin ikinci bölümde ise, Cr4+:Forsterite lazeri artı dispersiyon rejiminde çalıştırılmıştır. Bu rejimde, doğrudan bu lazerden şu ana kadar elde edilmiş en yüksek darbe enerji olan 81 nJ elde edilmiştir. Darbe tekrar frekansı ve genişliği sırasıyla 4.9 MHz ve 5.5 ps ölçülmüştür. Daha sonra lazer darbeleri, kovuk dışındaki kırınım ağları yardımı ile 607 fs'ye sıkıştırılmıştır. Bu tayf bölgesinde çalışan, yüksek enerjili, kip kitli lazerlerin, derin doku çoklu foton mikroskopisi ve optik eş faz tomografisi gibi biyomedikal görüntüle sistemlerinde kullanılması beklenmektedir.Tezin üçüncü bölümünde ise, (0.8)TeO2-(0.2)WO3 kompozisyona sahip Nd katkılı tellürit camlarından yapılan lazer gösterilmiştir. Bu çalışma, belirtilen kompozisyona sahip tellürit camlarından şu ana kadar elde edilmiş ilk lazer çalışmasıdır. Lazer, kazanç anahtarlama rejiminde, 114 µJ pompa enerjisi ile 1065 nm dalga boyunda 11 µJ'luk darbeler üretmektedir. Lazerin verim eğrisi yaklaşık % 12 olarak bulunmuştur. Daha sonrasında tellürit camı Nd iyonun diğer bir lazer geçişi olan 4F3/2?4I13/2 enerji geçişi kullanılarak 1370 nm'de çalıştırılmıştır. Bundan önce Nd katkılı tellürüt camlarından, bu dalga boyunda çalıştırılan başka bir lazer literatürde rapor edilmemiştir. Lazer 1 kHz tekrar frekansı ile 59 µJ darbe eşik enerjisi ile kazanç anahtarlamalı rejimde çalıştırılmıştır. Verim eğrisi yaklaşık % 5.5 olarak belirlenmiştir. Lazerden en yüksek 6 µJ darbe enerjisi elde edilmiştir. Bu darbelerin genişliği ise 1.74 µs olarak ölçülmüştür. Ayrıca eşik pompa enerjisi analizinden, camın ışıma arakesiti, uyarılmış seviye soğurması da dahil edilerek 1.57 x 10-20 cm2 olarak hesaplanmıştır. Alınan sonuçlar, tellürit camlarının, cam ve fiber lazerinin geliştirilmesinde potansiyeli olduğunu göstermektedir.Tezin dördüncü bölümünde ise 2255 ve 2455 nm aralığında dalga boyu ayarlanabilen, dar tayf genişliğine sahip kazanç anahtarlamalı Cr:ZnSe lazerin geliştirilmesi anlatılmıştır. Lazerin tayf genişliği, optik tohumlama yöntemi kullanılarak 125 nm'den 0.65 nm'ye düşürülmüştür. Tohumlama sırasında başka bir dalga boyu ayarlanabilen sürekli dalga Cr:ZnSe lazeri kullanılmıştır. Darbeli lazerin dalga boyu sürekli lazerin dalga boyu değiştirilerek kontrol edilmiştir. Darbeli lazerden en yüksek 157 µJ darbe enerjisi elde edilmiştir. Bu sırada pompa darbe enerjisi 598 µJ ve darbe tekrar frekansı 1 kHz'dır.Tezin son bölümünde ise darbeli Ti:safir lazeri kullanılarak CdTe-CdS kuantum noktalarının iki foton soğurma ve sonucunda oluşan ışıma özellikleri incelenmiştir. Ayrıca kuantum noktalarının ışıma güçlerinin 740-860 nm uyarma dalga boyu aralığında değişmediği gösterilmiştir. Işıma veriminin ise Rodamin 6G'ye % 60.7 olduğu belirlenmiştir. Ayrıca iki foton soğurma ara kesiti 4.1x106 GM olarak bulunmuştur.

This thesis investigates the experimental development of novel advanced pulsed lasers in the near and mid infrared and use of pulsed lasers in the optical characterization of quantum dots. In particular, the development of solitary and chirped-pulse Cr4+:Forsterite laser, Nd doped tellurite glass laser and continuous-wave injection-seeded gain-switched Cr:ZnSe laser was investigated. In the second part, pulsed Ti:sapphire lasers operated in the nanosecond and femtosecond regimes were used to measure the two-photon absorption characteristics of CdTe-CdS quantum dots.The first part of the thesis focuses on the experimental demonstration of a mode-locked, low-threshold, room-temperature, multipass-cavity femtosecond Cr4+:Forsterite laser. The repetition rate was lowered to 11.7 MHz by introducing a q-preserving multipass cavity. Pulse formation could be achieved by using the Kerr-lens mode-locking technique. Nearly transform-limited 5.1-nJ pulses with a duration of 68 fs were generated at an output power of only 60 mW. Furthermore, as short as 41-fs pulses could be obtained with a pulse energy of 3.4 nJ at an absorbed pump power of only 1.1 W.In the second part of the thesis, the Cr4+:Forsterite laser was operated in the positive dispersion regime. We obtained record 81-nJ pulses directly from the Cr4+:Forsterite oscillator at a pulse repetition rate of 4.9 MHz. In that case, pulse duration at the output was 5.5 ps. By using an external grating compressor , the pulses were then compressed to 607 fs. High-energy mode-locked oscillators operating in this wavelength range should be important in various biomedical applications including deep-tissue multi-photon microscopy as well optical coherence tomography.In the third part, lasing action in a novel, neodymium-doped tellurite-based glass with the host composition (0.8)TeO2-(0.2)WO3 was demonstrated. To our best knowledge, this is the first time laser operation from Nd:Tellurite glass with this composition was reported in the literature. During gain switched operation, the glass laser produced 11 µJ of output energy at 1065 nm with 114 µJ of pump energy. The slope efficiency with respect to the incident energy was 12%. Then, the laser was operated at 1370 nm by using the other laser transition of the Nd3+ ion . To our best knowledge, lasing action at 1370 nm was demonstrated for the first time in a bulk tellurite glass host for the energy transition 4F3/2?4I13/2 of the Nd3+ ion. The laser was operated in gain-switched regime at 1 kHz with a threshold pulse energy of 59 ? J. The slope efficiency was further determined to be 5.5 %. As high as 6 ? J-pulses with a duration of 1.74 ? s were obtained. From the threshold analysis, the emission cross section came to 1.57 x 10-20 cm2 in the presence of excited-state absorption. These results indicate that doped tellurite glasses have the potential of being used in the development of efficient bulk glass lasers and fiber lasers in the near infrared.In the fourth part of the thesis, we reported a narrow-linewidth, tunable, gain-switched Cr:ZnSe laser operating between 2255 and 2455 nm. The spectral width of the laser was reduced from 125 nm to 0.65 nm by using injection seeding. Seeding was achieved with another tunable, continuous-wave Cr:ZnSe laser. The wavelength of the laser was controlled by tuning the wavelength of the seed laser. The seeded gain-switched oscillator produced as high as 157 µJ-pulses with 598 µJ incident pump pulse energy at a repetition rate of 1 kHz.Finally, we demonstrated an application of pulsed Ti:sapphire lasers in the optical characterization of quantum dots. By using pulse lasers, we analyzed the two-photon absorption and resulting emission of core-shell CdTe-CdS q-dots. We showed that emission strength of the sample was independent of the wavelength of the pump laser in the range of 740-860 nm. Moreover, we found out the luminescence efficiency to be 60.7 % with respect to Rodamin 6G. Furthermore, the two-photon absorption cross-section was determined to be 4.1x106 GM.