Vakum ortamında, düşük sıcaklıklı, taranabilen harici optik geri beslemeli diyot lazer sistemi platformunun tasarlanması, kurulması ve çalıştırılması
Desinging, establishing and working tunable external cavity diode lazer system platform with optical feedback under low temperature and vacuum
Yazar: BÜLENT HARUN KILIÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN MUTLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM KÜÇÜKKARA
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yarıiletken lazer diyotları, endüstriyel ve bilimsel uygulamaların farklı alanlarında yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. Kompakt olmaları, daha büyük kazanç eğrisi özelliği, kullanım kolaylığı, düşük maliyet ve yüksek elektrik - lazer güç dönüşümü verimine bağlı olarak diğer lazer türlerine göre büyük avantajlara sahip olduklarından giderek önem kazanmaktadırlar. 
Diyot lazerlerin taranabilir olması ise, spektral özellikleri (çoğunlukla spektral saflık) ve sürekli ayarlama aralığı, birçok atomik fizik ile ilgili deney ve uygulamalarda önemli özellikdir. Dar band genişliğine sahip lazer, metroloji ve atomik saatler, lazer soğutma ve yakalama, Elektromanyetik Kaynaklı Şeffaflık (EIT, Electromagnetically Induced Transparency), kuantum girişim etkileri ve yüksek çözünürlüklü spektroskopi deneyleri için kullanılan temel cihazdır. 
Bununla birlikte, birçok uygulama için bir soliter diyot lazeri, daha büyük bant genişliği, ışın sapması, zayıf frekans stabilitesi ve geri yansımalara karşı hassasiyeti nedeniyle gereklilikleri karşılayamaz. Bu dezavantajlara rağmen bir lazer diyotunun spektral performansı, diod çıkışının önüne bir frekans seçim elemanı yerleştirerek bir dış oyuk oluşturularak önemli ölçüde geliştirilebilir. Bu optik geri bildirim tekniği ile ışının bazı bölümleri, yansıtılan dalga boyundaki dâhili boşluk ışınını zorlayarak lazer diyotuna geri yansır. Harici boşluklu bir diyot lazer (HOSDL) sistemi, geri bildirim olmaksızın çalışan lazerden çok daha iyi spektral saflık gösterir. HOSDL tabanlı sistemlerde en yaygın harici boşluk türü, birinci sıra kırınım demetinin bir frekans seçim elemanı tarafından tekrar lazere geri yansıtıldığı Littrow konfigürasyonudur. Birçok HOSDL, sadeliği ve kullanım kolaylığı nedeniyle Littrow konfigürasyonunda bulunan yansıtıcı kırınım ızgarası esasına dayanmaktadır. Daha güçlü geri besleme yoğunluğu nedeniyle, bu yöntem hat genişliğini önemli ölçüde azaltır ve çıkış ışınının yoğunluğunu stabilize ederken, hassas dalga boyu taramasına izin verir. Ancak böyle basit bir tasarımın önemli dezavantajları vardır. Her şeyden önce, dalga boyu tarama işlemi sırasında, çıkış ışını orijinal konumundan sapar. İkinci olarak mod-hop (Ani optik frekans sıçraması) serbest ayar aralığı sınırlıdır. 
Bir iletim kırınım ızgarası, ışın yönlü değişim problemini ortadan kaldırdığı için iyi bir alternatiftir. Ancak bu durum, daha az kararlılığa ve daha geniş hat genişliğine yol açan daha zayıf geri yansıma pahasına kazanılır. Daha güçlü geri besleme ile birlikte, daha uzun boşluk uzunluğu, çizgi (hat) genişliğini azaltır. Ancak maksimum mod-hop da serbest tarama aralığı için daha kısa boşluk şarttır. Ayrıca, geri besleme ve frekans seçimi için ayrı optik elemanlar (örneğin ayna ve girişim filtresi) kullanmak mümkündür, ancak mod-hop serbest ayarının karmaşıklığını arttırır. 
Sonuç olarak, daha dar hat genişliği ve daha geniş mod-hop, serbest ayar aralığına sahip bir HOSDL sistemi için en çok istenen özelliklerdir, ancak aynı zamanda her iki kullanışlılığı da ele almak mümkün değildir. Dahası, bir iletim frekansı elemanı için dar hat genişliği ve mod-hop serbest ayar aralığı arasındaki etkileşim, çözümü daha karmaşık hale getirmektedir. Diğer bir alternatif, lazer diyodun mümkün olan en düşük sıcaklıkta çalıştırmaktır. Bu, lazer diyotdaki kuantum gürültüsünü, mod-hop ayar aralığından ödün vermeden daha dar bir hat genişliğini sağlayarak azaltacaktır. Ayrıca, yukarıda bahsedilen problemler, HOSDL sistemlerinin iyileştirilmesi konusunda hesaba katılmamış olan bir başka husustur. Diyot lazerler büyük sayılabilecek üretim toleranslarına sahiptir. Bu nedenle, aynı tipteki lazer diyotlar dalgaboyu, güç, eşik, ışın kolu ebadı, ışın sapması, ışın işaretleme olarak farklı davranabilir. Bu büyük toleranslar, lazerin performanslarını iyileştirmek için kullanılabilir. 
Bugün yarı iletken diyot lazer sistemleri çeşitli alanlarda kullanılmaktadır ve çoğunlukla bunların üretimi telekomünikasyon endüstrisine bağlıdır. Buna paralel olarak, bunların seri üretimi fiyatları aşağı çekmektedir. Bununla birlikte, 395nm ila 1570nm dalga boyu aralığını kapsayan, hali hazırda temin edilebilen, düşük maliyetli ve seri üretilen lazer diyotların sürekli bir ayar hattı yoktur. Özellikle, lazerle ilgili spektroskopi eksik spektral kapsama için en büyük dezavantajlardan biri olmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, vakum altında (1 mbar), ultra soğuk (217 K), nemden arındırılmış, ayarlanabilir, HOSDL sistemi tasarlıyor ve üretiyoruz.

Anahtar Kelimeler: Lazer fiziği, Termoelektrik soğutucu, Harici optik salınımlı diyot lazerler, Kaskat termoelektrik soğutucu sistemler, Lazer spektroskopi, Taranabilen lazerler

Abstract:
Semiconductor laser diodes have found widespread use in different fields of industrial and scientific applications. They are becoming increasingly important as they have major advantages over other lasers types due to their compactness, larger gain curve feature, ease of use, low cost and high electrical to laser power conversion efficiency. 
If a tuneable diode laser is in question, its spectral characteristics (mainly spectral purity) and continuous tuning range are the primary interests for many atomic physics related experiments and applications. A narrow linewidth tuneable laser is the principle device for use in: metrology and atomic clocks, laser cooling and trapping, Electromagnetically Induced Transparency (EIT, Electromagnetically Induced Transparency) and some other phenomenon based on quantum interference effects and high resolution spectroscopy experiments. 
However, for many applications, a solitary diode laser cannot meet the requirements due to its larger bandwidth, beam divergence, poor frequency stability and sensitivity to back reflections. Despite those drawbacks spectral performance of a laser diode can be significantly improved by constructing an external cavity placing a frequency selection element in front of the diode output. With this optical feedback technique, some portions of the beam reflected back into the laser diode by forcing the internal cavity lasing at the reflected wavelength. An external cavity diode laser (ECDL) system shows much better spectral purity than the laser running without feedback. In the ECDL based systems the most common external cavity type, is the Littrow configuration in which the first order diffracted beam is reflected back to the laser by a frequency selection element. Many ECDLs are based on the reflective diffraction grating found in the Littrow configuration for its simplicity and ease of use. Due to stronger feedback intensity this method substantially reduces the linewidth and stabilises the intensity of output beam while allowing course and fine wavelength tuning. But such a simple design has important disadvantages. First of all, during the wavelength scanning process, the output beam deflects from its original position and secondly the mod-hop free tuning range is limited. 
A transmission diffraction grating is a good alternative since it removes the beam directional variation problem. But this is gained at the expense of weaker back reflection leading to reduced stability and larger linewidth. Along with stronger feedback, longer cavity length reduces the linewidth. But for a maximum mod-hop free scan range, shorter cavity is essential. It is also possible to use separate optical elements (e.g. mirror and interference filter)for feedback and frequency selection but it adds to the complexity of the mode-hop free tuning. 
Consequently, for an ECDL system with narrower linewidth and wider mod-hop free tuning range are the most desirable features but it is not possible to handle both usefulness at the same time. Moreover, for a transmission frequency element the interplay between narrow linewidth and mod-hope free tuning range makes the solution more complicated. Another alternative is to run the laser diode at the possible lowest temperature. This will reduce the quantum noises in the laser diode bringing narrower linewidth without sacrificing mod-hope free tuning range. Besides, the problems mentioned above there is another issue that hasn't been taken into the account on the improvement of the ECDL systems. Diode lasers have larger manufacturing tolerances compared with the other types of lasers. Therefore, laser diodes of the same type may behave differently, in wavelength, power, threshold, beam arm size, beam divergence, beam pointing. Those large tolerances can be utilised improving the performances of the laser. 
Today semiconductor diode laser systems are used in various fields and mostly their production depends on the telecommunication industry. Correspondingly, their mass production brings the prices down. However, readily available, low cost and mass produced laser diodes covering the wavelength range from 395nm to 1570nm do not have a continuous tuning line. Particularly, for laser related spectroscopy incomplete spectral coverage is being one of the major drawbacks. 
In this thesis study, we design and construct ultra-cold (217K), dehumidified, tunable, ECDL system under vacuum (1 mbar).

Keywords: Laser physics, Thermoelectric cooler, External cavity diode laser, Cascade termoelectric cooler systems, Laser spectroscopy, Tunable lasers