Novel approaches to ultrafast fiber laser design for ablation cooled material removal

Abstract

Ultra-kısa atımların kullanılması, lazerle mikro-imalat alanında önemli geli ̧smelere yol açmıştır. Yine de bu sistemler ile yapilan malzeme işleme uygulamaları diğer mekanik yöntemlere kıyasla; karmaşık lazer yapıları, yavas operasyon süreleri ve yüksek maaliyetleri yüzünden ̈ozellikle biyolojik doku üzerindeki islemler gibi bir çok malzeme işlemleri icin cok fazla tercih edilmemektedirler. Bunlara bağlı olarak, bu tez daha verimli malzeme kaldırma rejiminin uygulanabilmesi için fiber lazer sistemlerinin geliştirilmesi hakkında yapılan calışmaları içermektedir. Amacımız, gurubumuzun keşfi olan ablasyon soğutmalı lazerle malzeme kaldırma (ablation-cooled material removal) fikrini doku [1] ve malzeme işlemede uygulama imkanını yaratacak ve hem endüstriyel olarak mikro-imalat alanında hem de lazer cerrahisine yönelik büyük potansiyel taşıyan bir ultra-kısa atımlı lazer sistemleri elde etmektir. Ablasyon soğumasından faydalanabilmek için tekrar frekansının belli bir eşiği geçmesi gerekmektedir. Bu eşik ise malzemenin ısı iletkenliği ile doğru orantılıdır. Bununla beraber, artan tekrar frekansı, lazer ışınının malzeme üzerinde ilerlemesini sağlayan elektronik cihazların hızı tarafından limitlenmektedir. Kendi gurubumuz tarafından geliştirilen [2], hedeflenen sıklıkta ve enerjideki atımları düşük frekansta tekrarlanan kümeler içinde sağlayan küme-modlu lazer teknolojisi, malzeme i ̧sleme uygulamalarında karşılaşılan bu problemler için ̧cözüm olabilir. Bu sebepler doğrultusunda, küme modlu ve yüksek güçlü bir fiber sistemi gelişitirildi, tasarlandı ve kuruldu. Yükselteç, 1 μm dalga boyunda ışıyan 100 MHz tekrar frekanslı, kip kilitli fiber salıngaç tarafından beslenmektedir. Bu fiber lazer sistemi, 150 W ortalama güce kadar küme modunda atımlar yaratabilmektedir ve sistemdeki ortalama atım enerjisi 14.5 μJ olup, tekrar frekansı 1 MHzdir. Ayrıca sürekli pompalanan, fiberle tümleşik küme modlu lazer sisteminin, limitlerinin detaylı incelenmeside bu tez kapsamında gösterilmiştir.Ablasyon soğutmali lazerle malzeme kaldırma fikrinin diğer lazer-malzeme etkileşimlerine kıyasla bir çok avantajı olmasına rağmen; malzeme işleme verimi lazerin dalga boyuna bağlı olarak ̧cok büyük bir artış gösterir. Geliştirilmesi gereken lazer teknolojisi açısından bakıldığında, ultra-hızlı doku ablasyon deneyleri icin 2 μm dalga boyunda ışıyan lazerler gerekmektedir, çünkü dokularda yüksek miktarda bulunan suyun lokal soğurma tepesinin 1.94 mikronda olması, aynı serbest ̧calışma dalga boyunda ısıyan lazerler ile, ablasyon soğutmalı rejimin doku kaldırmada etkisinin çok daha ileri boyutlara taşınacağını öngörülebilir. Bu tezde, ablasyon soğutmalı lazer ile malzeme kaldırma deneylerimiz için geliştirmiş olduğumuz 1 mikron dalga boyunda çalışan İterbiyum (Yb) fiber tabanlı küme-modlu tümleşik fiber lazer teknolojisini, doku ile etkileşimin çok daha yüksek olduğu 2 mikron dalga boyuna taşımayı hedefliyoruz. Ablasyon soğutmalı lazerle malzeme kaldırma işleminin altında yatan fizik doku da dahil olmak üzere bütün malzemeler için geçerli olup, ancak tam olarak etkinin gözlemlenmesi için bu frekansın GHz mertebelerine ulaşması gerekmektedir. Bu amaçla, tezin bu kısmında doku işleme amaçlı kullanılacak lazer sistemi için gerekli olan ana parçaları geliştirdik. Bu amaçla ilk olarak (i) GHz tekrar frekansına sahip kip-kilitli fiber lazer salingacı tasarlanılmış ve inşa edilmiştir. Buna muteakiben sırası ile (ii) pompa kaynağı olarak kullanılmak amaçlı; kademeli olarak tasarlanan WDM ̧seması esas alınarak, yüksek güçlü, fiberle tümleşik sürekli dalga Tm katkılı fiber lazer sisteminin geliştirilmesi; son olarak (iii) Ho katkılı fiber yu ̈kseltecinin kurulup, iki farklı dalga boyunda ışıyan fiber lazerle pompalanması gösterilmiştir.

Applications of ultrafast laser material processing have become extremely diverse, yet ultrafast material processing is still extremely complex, costly and quite slow in terms of material removal, which is particularly taxing for biological tissue removal, rendering ultrafast lasers uncompetitive compared to mechanical techniques. This thesis represents a series of work about developing fiber laser systems which address this technological problem. The motivation of this thesis is to develop fiber laser systems for applying the ablation cooled laser material removal idea which has recently proposed by our group /cite{kerse} for tissue and material processing. Ablation cooling becomes significant above a certain repetition rate, which depends on the thermal diffusivity of the target material. Besides, the speed with which the laser beam can be repositioned over a target is limited. As a remedy, burst-mode operation, also proposed by our group /cite{hamit} has been implemented, where the laser produces groups of high repetition rate pulses, which are, in turn, repeated with a lower frequency. Consequently, the burst-mode fiber laser system operating at 1 µm was demonstrated with an all-fiber architecture and we scaled it to 100 MHz intra-burst repetition rate and 1 MHz burst repetition rate with the average power of 150 W for high power applications. Additionally, a detailed investigation on the limits of continuously-pumped all-fiber burst mode laser system was reported.Besides all the practical advantages of the ablation cooling idea compared to other laser-material interactions, laser ablation depends on laser operating wavelength because materials have wavelength dependent absorption and scattering values. In terms of underlying laser technology, ultrafast tissue ablation experiments require a laser system operating around 2 µm where laser tissue interaction is much stronger due to the local peak of water absorption for achieving a high ablation efficiency. Therefore, this thesis also focuses on transferring know-how on burst-mode operation to the Tm/Ho doped fiber system, operating around 2 µm, which addresses requirements for an efficient tissue ablation process without any collateral damage. The physics of the laser-material interaction assisted by ablation cooling idea is also valid for tissue ablation, so the repetition rates of several GHz are necessary for fully exploiting this effect. Toward this goal, we developed core technologies, which were constituted by three different stages: (i) starting from a novel mode-locked oscillator with a repetition rate in the GHz range, (ii) followed by the construction of a Tm-doped pump source based on the WDM cascade architecture and (iii) finally the amplification of the Ho-doped fiber with a dual wavelength pumping concept.