Yakın gerçek zaman işlemli, fiberde tümleşik atmalı terahertz spektrometre

TÜBİTAK TBAG01.08.2015TUBİTAK tarafından desteklenen 111T748 nolu, “Yakın Gerçek Zaman İşlemli, Fiberde Tümleşik Atmalı Terahertz Spektrometre” başlıklı araştırma projesinden elde edilen sonuçlar açıklanmaktadır. Çalışmalar zamana dayalı terahertz spektrometre ölçüm tekniğin anlık olarak gerçekleştirilmesine ve bu yöntemlerin pompa/sonda ölçümlerinde kullanılması için geliştirilmesine odaklanmıştır. Proje kapsamında tekrarlama frekansını çok hızlı değiştirebilen, üç çıkış kolu olan, 1030nm merkez dalga boyunda çalışan özgün tasarıma sahip Yb: katkılı kip-kilitli fiber lazer sistemi geliştirilmiştir. Üç çıkış kolundan, kısa atım kolu (<150fs) Terahertz (THz) algılanmasında, uzun atım kolu (<250fs) THz üretiminde ve pompa kolu (<1ps) pompa/THz sonda deneylerinde kullanılması için geliştirilmiştir. Geliştirilen bu özgün lazer sistemi ile THz atım ölçümlerin ölçüm hızında neredeyse anlık olarak gerçekleştirilmesi için lazerin tekrarlama frekansın hızlı değişimi sağlanmıştır (~10Hz). Bu amaçlara ulaşmak için sistem içinde terahertz atımlarını üretmek, iletmek ve belirlemek için kullanılan birimlerin her biri optimize edilmiştir. Aynı zamanda lazerin pompa kolundaki çıkış gücünü yükselterek sistemin pompa/THz sonda deneylerinde anlık ölçüm tekniğini kullanarak uygulanması amaçlanmıştır. Böylelikle bu yeni ölçüm tekniği ile yurtdışındaki araştırma laboratuvarlarında geleneksel kullanılan pompa/sonda yöntemlerine hız kazandırarak farklı fiziksel etkenlerin tespitine katkı sağlayabileceğiz.Genelde zamana dayalı terahertz ölçüme dayalı spektroskopi yöntemi, pompa/THz prob (sonda) veya benzeri dinamik ölçüm deneyleri için sistem temelinde güçlendirilmiş atmalı lazer sistemleri kullanılmakta ve THz atım şeklinin ölçüm temelinde interferometrik teknikler kullanıldığından spektrum verilerinin kaydedilmesi onlarca dakika sürebilmektedir. Bu sistemler ile yakın gerçek zaman işlemeli spektroskopi ölçümlerin ve anlık dinamik olayları gözlemeyebilmek için hızlı pompa/THz prob (sonda) ölçüm kabiliyetinin kazanılması, madde karakterizasyonu yapan birçok araştırma grubu için önemli bir destek sağlayacaktır. Örneğin bazı biyolojik ve kimyasal reaksiyonlar saniyeler mertebesinde gerçekleştiğinden bu etkileşimlerin nasıl geliştiği bu tip bir anlık THz spektroskopi yöntemi sonucu daha iyi anlaşılabilenecektir. Aynı zamanda uygun pompalama lazerin fotouyarı sonrası, prob (sonda) görevi yapan THz darbelerin düşük foton enerjisi sayesinde birçok farklı malzeme türleri karakterize edilebilecektir. Bu tip bir ölçüm yeneteğini geliştirmek için proje çalışmasında tekrarlama oranı hızla ayarlanabilen, yükseltilmiş iterbiyum (Yb) katkılı kip-kilitli fiber lazer sistemini geliştirdik ve bu sistemden üç farklı çıkış sağlayarak hem THz atım üretimi, hem belirlenmesi hemde pompa/THz prob (sonda) deneyleri yapabilen bir sistem geliştirdik. Lazerin üç çıkış kolundaki ışın parametrelerini optimize ederek sistem ile yakın gerçek zaman işlemli, dinamik ölçüm yapabilen atmalı terahertz spektrometre ölçümlerin yapılabildiğini gösterdik. Kip-kilitli lazerlerin tekrarlama oranları lazer kavitesinin fiziksel olarak uzunluğunun değişmesi ile ayarlanabilmesine rağmen farklı kavite uzunluklarında aynı kararlılığı (çıkış gücü, atım süresi, tayf genişliği) gösterememektedir. Proje kapmsamında yaptığımız çalışmalarda farklı kavite uzunluklarında kararlı çalışan Yb: katkılı kip-kilitli fiber lazer geliştirerek lazer tekrarlama frekansını çok hızlı bir şekilde değiştirebileceğimizi gösterdik. Lazer çıkışındaki güç ve darbe sürelerini uygun pompalama diyotları ve özel ızgara optik bileşenleri kullanarak THz atım üretimi ve belrilenmesini lazer kavite uzunluğunu değiştirerek optik örnekleme metodu ile yapılabileceğini gösterdik. Bu sayede THz atım şeklini daha hızlı belireyebileceğimiz için çok kısa sürelerde gerçekleşen kimyasal/fiziksel olayları aydınlatabilecek yeni bir ölçüm tekniğin temelini oluşturduk. Elde edilen hızlı tarama süreleri ve Yb: katkılı lazerlerin Er: katkılı lazerlere göre daha yüksek verimde çalışması sayesinde bu tip sistemler pompa/THz prob (sonda) gibi dinamik ölçüm kabiliyetine dayanan birçok deney için önemli bir yenilik kazandıracaktır.Dynamical measurement techniques such as terahertz time-domain spectroscopy, pump/THz probe spectroscopy or similar techniques typically are driven by amplified pulsed laser systems and all utilize interferometric techniques to measure and record the THz profile which results in measurement times that can last tens of minutes. Rapid pump/THz probe measurement techniques will aid in observing instantaneous phenomena or perform near real-time spectroscopy benefiting many research groups which work in the field of material characterization. For example, since some biological and chemical reactions occur in a matter of seconds the interaction of these phenomena with THz waves can be better understood using near-real time measurement techniques. At the same time, after photo excitation at the appropriate pump wavelength the low photon energy THz probe will allow the characterization of a variety of materials. In this research project, to have access to such measurements, we have developed a THz spectrometer driven by an ultrafast amplified Ytterbium (Yb) doped fiber laser whose repetition rate can be tuned rapidly which allows for such dynamical measurements. The system we developed has three outputs which are used for THz pulse generation, THz pulse detection as well as pump/THz probe experiments. By optimizing the optical beam parameters in all three arms we showed that the system can be used for near- real time, pulsed terahertz measurements for dynamical systems. Even though one can tune the repletion rate of a mode-locked laser by changing the cavity length the output beam stability will typically not remain stable (output beam power, pulse duration, and spectral width). Towards this goal, we developed a mode-locked amplified Yb: doped fiber laser system which showed the same output beam parameters despite rapid changes in its repetition rate or cavity length. By using adequately driven pump diodes and appropriate gratings we were able to control and stabilize the power output as well as the pulse duration allowing the use of optical sampling by cavity tuning methods to be utilized in the generation and detection of THz pulses. By developing the method of rapid scanning of the repetition frequency and using highly efficient Yb: doped fiber lasers when compared to Er: doped ones we were able to show that this system can be utilized in many experiments which show dynamical behavior such as pump/THz probe spectroscopy

Biyolojik Malzemelerin T-Işınları İle Karekterizasyonu

Araştırmacılar için terahertz (THz) dalga boylarına dayanan teknolojiler ve uygulamalar fizik alanındaki birçok olayı aydınlatabilmesi yönünden benzeri olmayan bir kazanç sağlamaktadır. Bu çeşitli uygulamalar arasında en iyi sonuç alınan yöntemler atmalı THz spektroskop sistemlerinin geliştirilmesi ve bunların farklı malzemelerdeki uygulamaları olmuştur. Bu proje çalışmasında son bir yıldır Ankara Üniversitesi Diş hekimliği Fakültesi öğretim üyesi Doç. Dr. Kıvanç Kamburoğlu ile başlattığımız T-ışınları ile diş ölçüm çalışmalarını geliştirmek için diş üzerinden yansıma konumunda çalışacak bir optik sistem geliştirmeyi hedefliyoruz. Bu çalışmalar, sağlıklı ve sağlıksız dişlerin yanı sıra diş tedavisinde kullanılan implant veya protezler üzerinde ölçüm yeteneğinin kazanılmasına ve elde edilen THz darbeleri sayesinde incelenen diş yapısının üç boyuttaki analizine odaklanacaktır. Geliştirmeyi hedeflediğimiz ölçüm teknikleri ek olarak ODTÜ biyoloji bölümü Prof. Dr. Feride Severcan ile devam eden THz-biyolojik yapıların etkileşimlerini araştıran çalışmalarımızı destekleyecektir. Burada, polietilen tozlar ile “pellet” şeklinde hazırlanan biyolojik örneklerini yansıma konumunda ölçerek geçiş ölçümleri ile yapılan çalışmalarımızı doğrulamayı hedefliyoruz

Zamana Dayalı Terahertz Ölçüm Sistemi ile Deri Dokuların İncelenmesi

Araştırmacılar için terahertz (THz) dalga boylarına dayanan teknolojiler ve uygulamalar fizik alanındaki birçok olayı aydınlatabilmesi yönünden benzeri olmayan bir kazanç sağlamaktadır. Bu çeşitli uygulamalar arasında son zamanlarda hız kazanan bir konu,sağlık sektörüne yönelik çalışmalar için atmalı THz spektroskop sistemlerinin geliştirilmesidir.Yakın tarihteki literatürde özellikle deri dokuların üzerinde çalışmalar yapıldığı gözlemlenmektedir. THz dalga boyları deri içerisindeki su miktarına hassas olduğundan bu tip sistemlerin kullanımı sonucu dokunun sağlığı hakkında tıbbi çalışanlar daha iyi bilgilendirebilinir. Örneğin, THz ışınları kullanarak derideki yanık durumunun derecesini, bez altından bile, ölçülebileceği yönünde bulgular görülmektedir. Son yıl içerisinde GATA’daki ilgili kişiler (Plastik ve Rekonstrüktif Cerrahi Anabilim Dalı) ile başlattığımız çalışmalar sonucu yanık fare derilerindeki su miktarın etkisini araştırmak için kurduğumuz terahertz sistemler ile literatüre benzer sonuçlar elde ettik. Şu anda mevcut sistemimiz ile sadece geçiş ölçümleri gerçekleştirebildiğimizden sınırlı (şekil, kalınlık olarak) deri örnekleri inceleyebildik. Projede mevcut sistemlerimizi geliştirerek yansıma konumunda ölçüm almak ve ölçüm tekniklerin sınırlarını belirlemeyi hedefliyoruz