950-1050 nm dalgaboylu lazer kavitesinin oluşturulması
Creation of 950-1050 nm wavelength laser cavity
Yazar: FİKRİYE EDA BULUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİDEM ALTUN
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yarı iletken lazerler temel olarak iki temel grupta incelenirler ve düşey dış kovuklu yüzey ışımalı lazerler (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser- VECSEL) bantlar arası geçiş yapan lazer grubundadır. VECSEL çipi iki ana kısımda oluşur: i) Dağınımlı Bragg Yansıtıcısı (Distributed Bragg Reflector-DBR) ve ii) Aktif bölge. DBR yüksek yansıtıcılığa sahip aynadır, aktif bölge ise kazanç bölgesini oluşturur. VECSEL'in çalışabilmesi için gerekli olan lazer kovuğu ise harici olarak çıkış kuplörü OC (Output Coupler) kullanılarak elde edilir. Rezonans lazer kavitesinde DBR ile OC arasında meydana gelir. Bu tez çalışmasında VECSEL çipi GaAs alttaş üzerine büyütülmüş GaAs/AlAs DBR'den, kazanç bölgesi ise InGaAs/GaAs kuantum kuyularından oluşmaktadır. Çalışmada yüksek güç ve verim amaçlandığından flip-chip metodu ile fabrikasyon gerçekleştirilmiştir. Bunun için sırasıyla metalizasyon, indiyum lehimleme, ıslak aşındırma ve dielektrik işlemleri gerçekleştirilmiştir. Fabrikasyon işlemi sonrasında fotolüminesans ve reflektans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Fotolüminesans ölçümündeki pik dalgaboyu ile reflektans ölçümündeki dip noktası örtüşmektedir. Bu nokta VECSEL'in çalışma dalga boyunu göstermektedir. Fabrikasyon sonrası lazer kavitesinin kurulması, hizalanması ve lazer ışımasının elde edilmesi üzerine çalışılmıştır. Öncelikle 976 nm dalgaboyunda hizalama lazeri kullanılarak "beam walking" yöntemi ile kavite hizalaması gerçekleştirilmiştir. Hizalama sonrası, lazer kavitesi dört farklı OC için kurulmuştur. %1 geçirgenliğe ve sırasıyla 50, 75 ve 100 mm eğrilik yarıçapına sahip OC'ler kullanılarak oda sıcaklığında maksimum 2 W çıkış gücü elde edilmiştir. Ancak bu tez çalışmasında hedeflenen verim değerine ulaşılamamıştır. Son olarak kazancın artırılması, VECSEL çipinin korunması için %2 geçirgenliğe sahip 75 mm eğrilik yarıçapına sahip OC kullanılarak elde edilen lazer ışıması da 3,02 W lazer ışımasının üzerine çıkılmıştır. Optik verim %25,9 ve M2 değeri 1,03 elde edilmiştir. Bu değerler ile çalışmadaki hedefler sağlanmıştır ve tez çalışması başarı ile sonlandırılmıştır.

Abstract:
Semiconductor lasers are basically examined in two basic groups and vertical external cavity surface emitting lasers (VECSEL) are in the group of lasers that have interband transitions. The VECSEL chip consists of two main parts: i) Distributed Bragg Reflector (DBR) and ii) active region. The DBR is the high reflectivity mirror, while the active region forms the gain region. The laser cavity required for VECSEL to work is obtained externally by using the Output Coupler (OC). Resonance occurs between DBR and OC in the laser cavity. In this thesis study, the VECSEL chips, consists of GaAs/AlAs DBR grown on GaAs substrate and the gain region consists of InGaAs/GaAs quantum wells, are used. Since high power and efficiency are aimed in the study, it is fabricated with the flip-chip method. For this, metallization, indium soldering, wet etching and dielectric processes are carried out, respectively. After the fabrication process, photoluminescence and reflectance measurements are carried out. The peak wavelength in the photoluminescence measurement coincides with the minimum in the reflectance measurement. This sharp decrease represents the operating wavelength of VECSEL. After fabrication, the establishment and alignment of the laser cavity and the acquisition of laser radiation are studied. First of all, cavity alignment is performed with the "beam walking" method using an alignment laser at a wavelength of 976 nm. After alignment, the laser cavity is set up for four different OCs. By using OCs with 1% transmission and curvature radius of 50, 75 and 100 mm, respectively, a maximum output power of 2 W is obtained at room temperature, but the efficiency value can not be reached according to the thesis study requirements. Finally, in order to increase the gain and protect the VECSEL chip, the laser radiation obtained by using OC with a transmittance of 2% and a radius of curvature of 75 mm has exceeded the 3.02 W laser irradiance. The optical efficiency is 25.9% and the M2 value is 1.03. With these values, the study requirements are met and the project is successfully terminated.