Kızılötesi Karşı Tedbir Amaçlı KÇL Aygıt Üretimi ve Karakterizasyonu

Proje Yürütücüsü Dr. Mehtap ÖZDEMİR

1994’te bulunduğundan  bu yana orta kızılötesi kuantum çağlayan lazerlerin (KÇL), kızılötesi karşı tedbir (IRCM) ve kimyasal algılama gibi çeşitli uygulamalarda kullanımı artmaktadır. Bu konuda yapılan araştırmalar sayesinde oda sıcaklığında sürekli dalgada (SD) çalıştırılan KÇL’ler, %20’yi aşan verimliliklerle yüksek optik çıkış gücüne ulaştığından kızılötesi karşı tedbirler gibi yüksek çıkış gücü gerektiren uygulamalar için çekici hale gelmiştir. KÇL teknolojisi uygulama alanını artırmak için daha yüksek güce ve artırılmış spektral kapsama (dinamik aralığa) sahip yeni nesil KÇL’lere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle KUANTAY araştırma programının bu projesinde (Proje-7) kızılötesi karşı tedbirlerde kullanılmak üzere > 1.5 W güce sahip kuantum çağlayan lazer üretimi de hedeflenmektedir. KUANTAY araştırma programı kapsamında üretilecek üç farklı KÇL’lerden ikisi dış kovuk (DK) KÇL (external cavity) olup bunlar 4.5-5.5 μm aralığında çalışan sera gazı algılama amaçlı ve 8.5-9.5 μm aralığında çalışan sağlık uygulaması amaçlıdır. Üçüncüsü ise daha yüksek güç gerektiren dar bantta (~ 4.6 μm) çalışacak KÇL olup, kızılötesi karşı tedbir amaçlıdır. Bu KÇL’lerin facet yüzeylerine (QCL facet) çalışma verimini arttırmak için;  geniş bantta (veya dar bantta) fonksiyonellik gösteren, çokkatmanlı, yansıtmasız (AR) ve/veya tamyansıtma özellikli ince filmler büyütülecektir. AR kaplama olarak kullanılacak Al₂O₃, ZnSe ve ZnS ince filmlerinin kalınlık optimizasyonu için öncelikle RP Photonics yazılımı kullanılarak modellenecektir. Böylece kullanılacak ince filmler için ayrı ayrı,  KÇL’nin çalışma bölgesi olan MWIR’de minimum yansıma koşulunu sağlayan kaplama kalınlığı bulunacaktır. Yapılacak hesaplamalar ve simulasyonlar ile AR kaplamanın bant genişliği, Proje-5 (İYTE1) için 4.5-5.5 μm aralığında  Proje-6 (İYTE2) için ise 8.5 – 9.5  μm aralığında olan, yüksek verimde çalışabilecek bir KÇL aygıtın tüm emisyon spektrumunu kapsayacak şekilde optimize edilecektir. Optimizasyon ve tasarım çalışmalarından sonra, belirlenen kalınlıklarda Al₂O₃ ve ZnSe filmler sırasıyla elektron demeti buharlaştırma ve mıknatıssal saçtırma yöntemleriyle KÇL üzerine büyütülecektir. Al₂O₃ ve ZnSe kaplaması için proje kapsamında elektron demeti buharlaştırma ve mıknatıssal saçtırma sistemini tek bir vakum odacığında birleştiren çiftli kaplama sistemi tasarlanıp ürettirilecektir. AR kaplama yapıldıktan sonra, KÇL aygıtların farklı akımlarında karakteristikleri çıkarılarak, çıkış güçlerindeki iyileşmeler bulunacaktır. Yapılan kaplamalar sonrasında KÇL aygıtların facet yüzeylerinde empedans uyuşumu sağlayarak verimin en az  % 20 arttırılması hedeflenmektedir. Ayrıca IRCM amaçlı lazerlerde yüksek güç elde etmek için AR kaplamaların yanında, ısıl yük modellemesi yapılacak, COMSOL Multiphysics yazılımı ile aktif bölgedeki ısıyı soğurarak aktif bölgenin soğuk kalmasını sağlayacak Au radyatör ve termoelektrik soğutucu elementli paket tasarımı yapılarak, üretim ve testleri gerçekleştirilecektir. Bu geliştirmeler ışığında optimize tasarım bulunarak optik çıkış gücü maksimize edilecektir. IRCM uygulaması için oda sıcaklığında >1.5 W sürekli dalga çıkış gücüne sahip, kompak, 4.6 μm’de ışıma yapan, ışın kalitesi M² < 1.2 ve yüksek duvar piriz verimine (Wall Plug Efficiency) sahip KÇL’ler elde edilecektir.