Development and characterization of advanced mid-infrared solid state lasers

Abstract

Bu tez 2 ?m dalga boyu civarında çalışan ileri düzeyli katıhal lazerlerinin deneysel olarakgeliştirilmesi amacı ile yapılan araştırma çalışmalarını içermektedir. Bu lazerlerin önemi,cerrahi, mesafe ölçümleri, atmosferik görüntüleme, ve orta kızılaltı dalgaboylarında çalışanlazer ve optik parametrik osilatörlerin pompalanmasını kapsayan birçok uygulamalarınınbulunmasından ileri gelmektedir. Tez çalışmaları, özellikle, yakın ve orta kızılaltı bölgedeışınım yayan tulyum katkılı kristal ve cam lazerlerinin geliştirilmesi ve incelenmesi, vetulyum katkılı kristal ve camların spektroskopilerinin incelenmesi üzerine yoğunlaşmıştır.Tezin ilk kısmı sürekli-dalga tulyum katkılı YAlO3 (Tm:YAP veya Tm:YAlO)lazerinin geliştirilmesi amaçlı iki deneysel çalışma üzerine odaklanmıştır. İlk çalışmada kristaliçersindeki tulyum iyon yoğunluğunun sürekli-dalga diyod pompalı lazer performasıüzerindeki etkisi tetkik edilmiştir. Bu amaçla %1.5, %3, ve %4 oranında tulyum katkılı üçdeğişik YAP kristali kullanılmış ve en iyi verim %1.5 katkılı örnek ile elde edilmiştir. Buçalışmanın en belirgin sonucu iki-mikron dalgaboyundaki lazer verimini arttıran çaprazsönüm etkisinin %1.5 katkılı örnekte bile etkili olduğunun tespitidir. İkinci çalışmada, düşükpompa eşik gücüyle çalışan ve Ti:safir lazeri ile pompalanan sürekli-dalga Tm:YAP lazerigeliştirilmiştir. Deneylerde, %4 tulyum katkılı YAP kristali ve sıkı odaklama içeren optikkovuk tasarımı ile çift pompalama uygulanarak 10 mW pompa eşik gücü elde edilmiştir.Ayrıca, diyod pompalı sürekli dalga Tm:YAP lazeri, Boğaziçi Üniversitesi biomedikalbölümünden bir grup ile ortak proje kapsamında, lazer doku kaynağı potansiyelini tespitetmek hedefi ile, hareket ettirilebilir bir platform üzerine kurulu ve optik lif çıkışlı bir yapıyadönüştürülmüştür. Bu proje kapsamında lazer ışınımının dokularla etkileşimini inceleyendeneylerin ön sonuçları, test edilen ışınım yoğunluklarının düşük (15 W/cm2 civarındaki)değerlerinin doku kaynağı için, daha yüksek değerlerinin ise doku yakma ve buharlaştırmauygulamaları için uygun olduğunu göstermektedir.Daha sonraki çalışmalarda tulyum katkılı iki farklı malzemenin 2 ?m dalga boyucivarında lazer ışınımı yayma potansiyeli spektroskopik inceleme yöntemi ile araştırılmıştır.Bu malzemeler bilinen bir lazer kristali olan Tm3+:LuAG ve tulyum katkılı telür bazlıTm2O3:(0.85)TeO2-(0.15)WO3 camıdır. Cam örnekleri İstanbul Teknik Üniversitesinde yerelimkanlarla üretilmiş olup bu açıdan özel önem taşımaktadırlar. Yapılan ilk çalışmada,Tm3+:LuAG kristalinde, 1470-nm merkezli (3H4?3F4) ışıma bandının, %5 Tm3+ katkılıörnekte çapraz sönüm mekanizması sonucunda tamamen yok olduğu, halbuki %0.5 katkılıörnekte 1800-nm merkezli (3F4?3H6) ışıma bandının %60'ı büyüklüğünde olduğugözlenmiştir. Bu çalışmada ayrıca Tm3+:LuAG kristalinin serbest lazer çalışma dalgaboyuolan 2023 nm'deki ışınım ara kesiti 1.2±0.2 x 10-21 cm2 olarak belirlenmiştir. İkinci çalışmadaise Tm2O3:(0.85)TeO2-(0.15)WO3 camının, ışınım tayflarına ve hesaplanan ışınım arakesitlerine (1460 nm'de 3.73 ± 0.1 x 10-21 cm2 ve 1808 nm'de 6.57 ± 0.07 x 10-21 cm2)dayanarak, 0.25 mol% Tm2O3 katkı oranı ile 1.5 ?m civarında çalışan fiber-optikyükselticiler, 1.0 mol% Tm2O3 katkı oranı ile ise de 2.0 ?m civarında çalışan lazer sistemleriiçin güçlü bir aday olma potansiyeli taşıdığı sonucuna varılmıştır. Ancak, bugüne değinyapılmış olan denemelerde tulyum katkılı cam örneklerden lazer ışınımı elde edilememiştir.Bunun sebebinin örneklerdeki pasif kayıp seviyesinin yüksek olması muhtemeldir.Tulyum katkılı örnekleri ile lazer denemelerinin başarısız olması üzerine, TeO2-WO3camının lazer ışınım potansiyeli neodymium katkılanarak ölçülmek istenmiş ve neodymiumkatkılı örnekler ile 1065 nm'de lazer ışınımı elde edilmiştir. Böylece özgün bir telür bazlıcamdan (Nd2O3:(0.8)TeO2-(0.2)WO3) lazer ışınımı ilk kez elde edilmiştir. Deneylerde 0.5mol% katkılı bir örnek 114 ?J pompa enerjisi ile uyarılarak %12 verim eğrisi ve 11 ?J çıkışenerjisi elde edilmiştir. Sonuç olarak çalışmalarımız TeO2-WO3 camının kütle ve lif yapısındaverimli cam lazerler geliştirmeye elverişli olduğunu ortaya koymuştur.

This thesis investigates the experimental development of advanced solid-state lasers operatingin the 2-?m region which have potential applications in medical surgery, remote sensing, andpumping of other mid-infrared solid-state lasers. In particular, lasing characteristics andspectroscopic properties of thulium-doped crystals and glasses in the near- and mid-infraredhave been studied.The first part of the thesis focuses on two experiments aimed at improving thecontinuous-wave (cw) operation of the thulium-doped YAlO3 (Tm:YAP or Tm:YAlO) lasers.In the first experiment, the effect of doping (thulium or Tm3+) concentration on diode-endpumpedlaser operation was investigated. Three crystals with different Tm3+ concentrations of1.5, 3 and 4 % were tested and best power efficiency was obtained with the 1.5% Tm:YAPcrystal. Main conclusion of this work is that the cross relaxation effect, which enhances twomicronlaser emission and weakens the competing 1.6-micron emission, is already effectivewith 1.5 % doping level based on the fluorescence data and rate equation analysis. In thesecond experiment, low-threshold operation of a cw Tm:YAP laser was experimentallydemonstrated under Ti:sapphire pumping. In the experiments, a 4% Tm:YAP crystal was usedinside a resonator with tight focusing geometry and lasing threshold powers as low as 10 mWhave been obtained when double pumping was employed. As an application of the cwTm:YAP laser, fiber-coupled version of the diode-pumped system was further built on amobile platform and used in collaboration with a biomedical group from Bogazici Universityto evaluate its potential in tissue welding. The preliminary results investigating the interactionof laser radiation with tissues indicate that lower intensities (around 15 W/cm2) are suitablefor welding while higher intensities lead to coagulation and ablation.Next, spectroscopic studies of two thulium-doped hosts were performed to investigatetheir lasing potential in the 2-?m region. These were Tm3+:LuAG, a laser-active thuliumdoped garnet and Tm2O3:(0.85)TeO2-(0.15)WO3, a thulium-doped telluride-based glass whichwas prepared at İstanbul Technical University. For the Tm3+:LuAG crystal, it was observedthat the 1470-nm (3H4?3F4) emission vanished for 5% Tm3+ concentration due to crossrelaxation while its strength was 60% of the 1800-nm (3F4?3H6) emission for the 0.5% Tm3+concentration. We determined an emission cross section of 1.2±0.2 x 10-21 cm2 at 2023 nm,the free running wavelength for this crystal. For the Tm2O3:(0.85)TeO2-(0.15)WO3 glass, thefluorescence spectra of the 0.25 mol% and 1.0 mol% samples and the calculated emissioncross sections (3.73 ± 0.1 x 10-21 cm2 at 1460 nm and 6.57 ± 0.07 x 10-21 cm2 at 1808 nm)indicate that this glass is a potentially important candidate for mid-infrared emission systems,with the 0.25 mol% Tm2O3 doping concentration being suitable for fiber-optic amplifiersoperating around 1.5 ?m and 1.0 mol% suitable for laser systems near 2.0 ?m. However, todate, lasing trials in thulium-doped samples have not been successful possibly due toexcessive passive losses or reabsorption in these samples.To further test the lasing potential of the TeO2-WO3 glass as a laser host, weexperimented with neodymium-doped samples and successfully demonstrated lasing at 1065nm. This was the first demonstration of lasing in this novel telluride glass host. By using the0.5 mol% sample, we obtained 11 ?J of output energy with a slope efficiency of 12% by using114 ?J of pump energy. Hence, our studies have shown that TeO2-WO3 is a new, telluridebasedlaser glass host which can be used in the development of efficient bulk glass or fiberlasers in the infrared.