Optik yüzeylerin iki boyutlu soğurma haritasının fototermal ortak-yol interferometri yöntemi ile belirlenmesi

Abstract

Son yıllarda, Ytterbium (Yb) tabanlı tek-kip sürekli dalgaboyu fiber lazerlerin verimlilik oranlarının %48'lere ulaşması ve çıkış güçlerinin 15 kW ve üzerindeki yüksek güçlerde seyretmesi ile lazer tabanlı uygulamalarda bir devrim yaşanmaktadır. Bu sistemlerin çalışma ömürleri ve dayanıklılıkları içerdikleri lazerlerin özelliklerinden ziyade, bu sistemlerde kullanılan optik bileşenlerin çalışma ömürleri ve dayanıklılıkları ile ölçülmeye başlanmıştır. Özellikle sürekli dalgaboyu lazerlerin kullanıldığı sistemlerde, optik bileşenlerin ve optik kaplamaların zayıf doğrusal optik soğurma özellikleri öne çıkmaktadır. Zayıf optik soğurma değerlerinin ölçülmesinde tüm geleneksel optik soğurma ölçüm yöntemleri yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, 100 ppm ve altındaki soğurma değerlerindeki ölçümler için özel fototermal metotlar kullanmaktadır. Son yıllarda bu metotlar arasında ölçüm hassasiyeti açısından interferometri tabanlı fototermal metotlar öne çıkmaktadırlar. Bu tez çalışmasında tek demet interferometri yöntemi fenomenine dayanan Fototermal Ortak-Yol İnterferometri (FOYİ) metodu temelli ultra zayıf optik soğurma ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Bu noktada dikkat edilmesi gereken husus budur ki, günümüzde gravitasyonel dalgaların algılanması için kullanılan yüksek kalitedeki LIGO aynalarının zayıf soğurma değerlerinin ölçümlerinde de FOYİ metodu kullanılmaktadır. Bir diğer husus ise, bu tez kapsamında geliştirilen FOYİ sistemi 640 nm dalgaboyunda soğurma ölçümlerini 0,1 ppm hassasiyetle ölçmekle beraber (açık literatürden gördüğümüz kadar) dünyadaki ilk sistemlerden birisi olmaktadır. Geliştirilen düzeneğin karakterizasyonu, validasyonu ve kalibrasyonunun yanı sıra sistemde kullanılan lazerlerin çap, kararlılık ve doğrusallık ölçümleri gerçekleştirilmiş, söz konusu ölçümler için talimat ve prosedürler hazırlanmıştır. Ayrıca, geliştirilen düzenek, literatürde yer alan muadillerinden farklı olarak noktasal ve çizgisel ölçümlerin yanı sıra, soğurma değerlerinin iki boyutlu (2B) haritasının çıkartılmasına da olanak sağlamaktadır. Bunun neticesinde hem kaplama yüzeyinde hem de alttaşın istenilen kalınlığında optik yola dikey düzlemde optik soğurmanın 2B haritasının çıkartılması mümkün olmuştur.In recent years, there has been a revolution in laser-based applications with the efficiency rates of Ytterbium (Yb)-based single-mode continuous wavelength fiber lasers reaching 48% and their output powers at high powers of 15 kW and above. The operating life and durability of these systems have begun to be measured by the operating life and durability of the optical components used in these systems, rather than the properties of the lasers they contain. All conventional optical absorption measurement methods are insufficient for measuring weak optical absorption values. Therefore, special photothermal methods are used for measurements at absorption values of 100 ppm and below. In recent years, interferometry-based photothermal methods have come to the fore among these methods in terms of measurement accuracy. In this thesis, an ultra-weak optical absorption measurement system based on the Photothermal Common-Path Interferometry (PCI) method, which is based on the phenomenon of the single beam interferometry method, has been developed. At this point, it should be noted that the PCI method is also used to measure the weak absorption values of the high-quality LIGO mirrors, which are used to detect gravitational waves at the present time. Another point is that the PCI system developed within the scope of this thesis is one of the first systems in the world (as we have seen from the open literature), although it measures the absorption measurements at a wavelength of 640 nm with an accuracy of 0.1 ppm. In addition to the characterization, validation, and calibration of the developed device, the diameter, stability, and linearity measurements of the lasers used in the system were carried out, instructions and procedures were prepared for these measurements. Finally, the absorption values of various optical coatings and optical glasses were measured with high precision. In addition, the developed setup, unlike its counterparts in the literature, allows for two dimensional (2D) maps of absorption values as well as point and linear measurements. As a result, it was possible to produce a 2D map of the optical absorption in the plane perpendicular to the optical path, both on the bulk surface and at the desired thickness of the substrate.