915nm pompalı yb katkılı yüksek güçlü fiber lazer sistemlerinin geliştirilmesi
Development of high power yb doped fiber laser systems with 915nm pumped
Yazar: GÖKHAN TUNA
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET BÜYÜKYILDIZ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Diyod lazer = Diode laser ; Fiber optik = Fiber optics ; Güç yükseltici = Power amplifier ; Lazer optik sistem = Laser optic system ; Osilatörler = Oscillators

Özet:
Yüksek güçlü fiber lazerler (HPFL), mükemmel ışın kalitesi, yüksek çıkış gücü ve yüksek dönüşüm verimliliği ile endüstri (metal işleme, kesme, kaynak, kazıma vb.) medikal (eklemeli imalat) ve savunma alanlarında yaygın olarak kullanılan lazer kaynakları olarak yerini almıştır. Bakım ve onarım maliyetleri açısından da diğer lazer türlerine göre üstünlüklerinin bulunması, son yıllarda araştırmacılar tarafından yoğun bir şekilde çalışılan araştırma konularından biri olmuştur. HPFL'lerin güç ölçeklenebilirliği, doğrusal olmayan etkilerden olan uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve enine mod kararsızlığı (TMI) gibi etkiler ile sınırlanmıştır. SRS etkisi, fiber uzunluğu ve fiber çekirdek çapı ile orantılı olduğundan çalışmalar daha kısa fiber uzunluğu ve büyük çekirdek çapına sahip fiberler ile aşılabileceğini göstermektedir. Bu yöntemler aynı zamanda daha yüksek sıcaklık bölgelerine ve diğer modların oluşmasına neden olduğundan TMI'yı tetikleyen etkilerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Ancak TMI etkisinin tam olarak oluşma sebebi bilinmemekle beraber SRS etkisininde tetikleyebildiğini gösteren çalışmalar mevcuttur. Son çalışmalarda farklı dalga boyuna sahip pompalama metodlarının kullanımı (976nm, 980nm, 1018nm, 1030nm), yüksek katkı oranına sahip aktif fiber kullanımı ve ticari olarak temini zor özel bileşenlerin kullanımları görülmektedir. Aynı zamanda bu yöntemlerde fotokararma etkisi, kendiliğinde emisyonun oluşması görülmekte ve yüksek maliyetli yapıların oluşması karşımıza çıkmaktadır. Bu tezde HPFL'lerde 915nm dalga boyuna sahip, ticari olarak temini kolay ve daha düşük maliyetli bileşenler kullanarak yüksek güçte çıkış gücüne sahip bir fiber lazerin deneysel gösterimi sunulmaktadır. Sistem tamamıyla fiber yapıya sahip ve ticari olarak temin edilebilen bileşenler ile kurulmuştur. Fiberlerin sıkı sarma yöntemlerinin, TMI üzerindeki etkisinin olumlu sonuçları bildirildiğinden, aktif fiberin başlangıç sarım çapları 12cm olarak belirlenmiştir. Kurulum hibrit bir ana osilatör güç yükselteci (MOPA) konsepti üzerine tasarlanmış ve ana osilatörde üretilen sinyal gücünün yüksek ışın kalitesine sahip olması amaçlanarak hedeflenen çıkış gücüne ulaşılabildiği gösterilmiştir. Optik verimlilik, yükselteç bölgesinde 3600W pompa gücü ile (slope efficiency) >%75, ışın kalitesi (M2) <1,5 olarak ölçülmüş ve herhangi bir lineer olmayan etki gözlenmemiştir. Bildiğimiz kadarıyla, kurduğumuz yapı ve sunduğumuz yöntem ile 915nm pompalı, 1080nm çıkış dalga boyuna, 3kW çıkış gücüne ve kırınım sınırlı ışın kalitesine sahip iterbiyum katkılı fiber lazer sisteminin gösterildiği ilk çalışmadır.

Abstract:
High-power fiber lasers (HPFL) have taken their place as widely used laser sources in industry (metalworking, cutting, welding, engraving, etc.), medical (additive manufacturing) and defense fields, with their excellent beam quality, high output power and high conversion efficiency. Their superiority over other types of lasers in terms of maintenance and repair costs has been one of the research subjects that have been studied intensively by researchers in recent years. The power scalability of HPFLs is limited by nonlinear effects such as stimulated Raman scattering (SRS) and transverse mode instability (TMI). Because the SRS effect is proportional to the fiber length and fiber core diameter, studies show that it can be overcome with fibers with shorter fiber length and larger core diameter. These methods also cause higher temperature zones and other modes to form, resulting in TMI limit effects. However, although the exact cause of the TMI effect is not known, there are studies showing that it can also limit the SRS effect. In recent years, it is seen that pumping methods at different wavelengths (976nm, 980nm, 1018nm, 1030nm) are used, active fibers with high doping rate are used, and special components that are difficult to obtain commercially are used. At the same time, photo-darkening effect, spontaneous emission is seen in these methods and the formation of high-cost structures is encountered. This thesis presents an experimental demonstration of a high-power output fiber laser on HPFLs with a wavelength of 915nm using commercially available and lower cost components. The system is built with commercially available components with an all-fiber structure. Since the positive results of the effect of bending methods of fibers on TMI have been reported, the bend diameter of the active fiber was determined as 12 cm. The setup is designed on a hybrid master oscillator power amplifier (MOPA) concept and it has been shown that the targeted output power can be achieved by aiming the signal power produced in the master oscillator to have high beam quality. Optical efficiency was measured as >75% with 3600W pump power (slope efficiency) and beam quality (M2) was <1.5 in the amplifier region, and no non-linear effects were observed. As far as we know, this is the first study showing a ytterbium doped fiber laser system with 915nm pump, 1080nm output wavelength, 3kW output power and diffraction limited beam quality, with the structure we established and the method we presented.