520 nm dalga boylu harici optik geri beslemeli diyot lazer sistemi için çizgisel geometrili hacim fazlı kırınım ızgaralı lazer kovuğu tasarlanması, kurulması ve çalıştırılması

Abstract

Bu tezde yer alan konuda; oda sıcaklığında Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgarası (HFHKI) kullanarak harici optik salınıcılı diyot lazer sistemi, tasarlamak, kurmak, çalıştırmak ve test etmektir. Ayrıca kurulacak olan lazer sisteminin, birçok deneysel araştırma çalışmalarında (Yüksek Çözünürlük Spektroskopisi, Atom Fiziği, Kuantum Girişimi) ve farklı disiplinlerde (Kimya, Biyoloji, Elektrik ve Makine Mühendisliği, Malzeme Bilimi vb.) kullanılması amaçlanmıştır. Lazerin ilk çalıştırıldığı 1960'lı yılların başlarından itibaren yarı-iletken lazerler biliniyordu. Ancak kriyojenik sıcaklıklarda çalıştırılabiliyorlardı ve pratik kullanımlar için uygun değildiler. 1980'li yılların başında oda sıcaklığında çalışabilen ilk diyot lazer ticari kullanıma uygun hale getirildi ve fiber-optik haberleşmede kullanılmaya başlandı. Bant genişliğinin azaltılarak atom ve spektroskopi araştırmalarında kullanımı fikri 1990'lı yılların başından itibaren yoğunlaştı. Fakat tarama aralığı oldukça sınırlı ve bant genişliğinde yeterli değildi. Diyot lazerlerin önüne frekans seçici eleman koyulur ve bu sayede harici bir kovuk oluşturularak bant genişliğinin daraltılması sağlanır. Böyle sistemlere Harici Optik Salınıcılı Diyot Lazer (HOSDL) sistemleri olarak isimlendirilir. HOSDL için yapılan yenilikler deney sırasında olumsuzluklara yol açmaktadır. Bu olumsuzlukların en önemlileri; tarama sırasında kip atlaması ve ışın sapmasıdır. Bu tezde, HOSDL sistemlerinin kritik zayıf yönlerini geliştirmek için bu çalışma konusu belirlenmiştir. Bu sistemde geliştirmek istediğimiz yönler; frekans bant genişliğinin daraltılması, dalga boyu tarama aralığının genişletilmesi, dalga boyunun kararlı hale getirilmesidir. Tasarımımız sayesinde yukarıdaki sorunlar hakkında da iyileşme sağlayacak şekilde bir yöntem izlemekteyiz. Ayrıca tasarladığımız platform üzerine kurulacak harici kovuk için yeni bir frekans seçici eleman olan Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgara kullanılacaktır. Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgaralar geçtiğimiz yıllarda litografik tekniklerin (lazer litografisi, elektron-ışın litografisi vb.) geliştirilmesiyle ortaya çıkmıştır. Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgarasının frekans seçici eleman olarak kullanma amacımız; Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgaraların 0.1 nm altındaki değerlerde spektral cevaplar verebilmesi ve 0.10'nin altındaki açı değerlerine karşılık gelen alanı tarayabilme özelliğine sahip olabilmesidir. Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgaralar ışığın neredeyse %100'ünü kırınıma uğratabilmesi, çok dar bant genişliğine ve tam merkezi frekans değerine sahip bir tayfsal filtre gibi davranmaktadırlar. Ayrıca bu özellikler literatüre konu olmuş birçok uygulama için de çok büyük önem arz etmektedir. Bu uygulamalara örnek olarak; spektral analiz alanında farklı dalga boylu ışıkların birleştirilmesi, sinyal algılaması ve güçlerinin birleştirilmesi, dalga boyu seçicinin yönelimi ve anahtarlanması vb. gibi örneklendirmeler yapılabilir. Bu özelliklerin sistem içerisinde iyileştirme yapabileceği bir diğer sorun da ışığın sapması sorunudur. Sistem içerisinde Hacim Fazlı Holografik Kırınım Izgara frekans seçici eleman kullanılarak tarama sırasındaki ışın sapmasının da önüne geçileceği öngörülmektedir. Çalışmanın sonuçlanmasıyla oluşturulacak olan sistem; optik telekomünikasyon alanında, lazer spektroskopisi aracılığıyla çevre, biyoloji, toksikoloji ve tıp araştırmalarında görev alacağı öngörülmektedir. Ayrıca bu türlü araştırmalarda maliyetin önemli bir kısmını oluşturan lazer kaynağı, kendi imkânlarımızla yapılmış olacaktır. Böylelikle bu konularla ilgili bundan sonraki projelerin proje maliyetlerinin düşürüleceği öngörülmektedir.

We are aiming at designing, constructing, running and testing a tunable External Cavity Diode Laser (ECDL) system by using a VPHG working at room temperature. The system planned to be constructed is used in various research fields; high resolution spectroscopy, atomic physics, quantum interference and other applied disciplines (laser chemistry, biology, electrical and mechanical engineering etc.) Semiconductor diode lasers were known since the first laser shone in 1960. However, they are not suitable for practical use because they need for cryogenic temperature environment to be run. In the beginning of 1980s the first commercial laser diode was run at the room temperature that was manufactured for fibre-optic telecommunication industry and optical data storage. The idea of reducing the bandwidth and using it in the atomic and spectroscopy experiments as a coherent source was at the beginning of 1990s. However, the tuning capacity was very restricted and the bandwidth was not enough for the accurate atomic and spectroscopic research. Frequency selective element is placed in front of diode laser and thus it is provided that it is narrowed of bandwidth by producing external cavity. These kinds of systems are named as External Cavity Diode Laser (ECDL) Systems. Making innovations for ECDL cause problems during the experiment. The most important types of these problems are beam scattering and mode hopping during the scanning so in presented project, this working topic is determined for improving critical weaknesses of ECDL systems. Aspects we want to improve in this system are narrowed frequency bandwidth, expanded tuning range scanning wavelength and stabilized wavelength. Due to our design, we follow a method will be able to recovery about above problems. Also VPHG as a new frequency selective will be used for external cavity will be constructed on our platform. In recent years, VPHGs has developed with improving lithography technics (laser lithography, electron-beam lithography etc.). Our aim using VPHG as a frequency selective element is that VPHGs can give spectral response at level below 0.1 nm and have scanning feature field corresponding to angel levels below 0.10. VPHGs behave as a spectral filter having diffracting efficiency approximately %100 of beam, narrow bandwidth and central frequency level. Also these features are important for many applications being mentioned to literature. Some of these applications can be given such as combining beams with different wavelength at spectral analysis field, rotating and switching of wavelength selective, etc. The other problem will be able to improve these features in this system is beam scattering problem. It is foreseen that scattering beam during the scanning will be prevented by using VPHG in this system. It is foreseen that the system presented in project will participated in optic telecommunication field, environment-biology-toxicology and medicine investigations via laser spectroscopy. Also at these kinds of investigations, laser source formed an important piece of cost will be producing with our opportunities. In this way it is foreseen that project costs of next projects related with these subjects will be reduced.