Akusto-optik Etkilesimin İncelenmesi ve Kizilötesi Lazer Uygulamalari

Abstract

Akusto-optik cihazlar ışığın gücünü kontrol etmek için elektriksel sürücü sinyali kullanan elektro-optik cihazlardır. Akusto-optik cihazlar akusto-optik (foto-elastik) etkiye yani ses dalgasının ortamda osilasyonu sonucu yarattığı mekanik gerinim sebebiyle kırılma indisi değişmesinden yola çıkarak çalışmaktadır. Yaklaşık 100 yıllık bir tarihi olan akusto-optik etkileşim özellikle yüksek güçlü lazerlerin, yüksek tekrarlama frekanslarında, zamansal ve uzamsal kontrolü için kullanılmakla birlikte mevcut teknolojide en etkin çözümlerdendir. Akusto-optik cihazlar günümüzde askeri ve havacılık, astronomi, telekom, endüstri, yarı iletken ve elektronik, bilgi teknolojileri, sağlık ve benzeri alanlarda; modülasyon, defleksiyon, Q-anahtarlama, frekans kaydırma, mod kilitleme, ayarlanabilir filtreleme ve benzeri amaçlarla özellikle kızılötesi bölgede yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma akusto-optik etkileşimin teorisi, cihazların üretim prensipleri ve modellenmesi şeklinde üç temel bölümden oluşmaktadır. Oldukça geniş bir tarihe sahip bu alanda akusto-optik etkileşim ve uygulamaları üzerine hatırı sayılır miktarda makale, kitap ve patent mevcuttur. İlk bölümde, bu kaynaklardan faydalanılarak akusto-optik etkileşimin tarihinden ve teorisinden bahsedilmiş ve cihazlarda yaygın kullanılan materyallere değinilerek akusto-optik cihazların gerçek hayat uygulamaları ile bağlantısı sağlanmıştır. Devamında akusto-optik cihazların çalışma prensipleri, hangi amaçlarla kullanıldığı ve işlevsel hale gelmesi için hangi üretim adımlarının izlenmesi gerektiği literatür araştırması ile aktarılmıştır. Akusto-optik etkileşimin teorisi ve cihazların üretimi için gerekli detaylar aktarıldıktan sonra lazerlerin kızılötesi bant özelinde temel parametrelerinden bahsedilerek elde edilen bilgi birikimi ile iki boyutlu akusto-optik ve piezoelektrik etkileşim modelleme çalışmaları yapılmıştır. Modelleme işlemi için sonlu eleman metodundan faydalanan Comsol Multiphysics uygulaması kullanılmıştır. Oluşturulan model kullanılarak benzetimler yapılmış ve elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Akusto-optik cihazlar ışığın zaman ve frekans özelliklerini değiştirmesinin yanı sıra hüzme ışıma profilini şekillendirme amacıyla da kullanılabilmektedir. Halihazırda akusto-optik cihaz içeren ve hüzme şekillendirmeye ihtiyaç duyan sistemlerde pahalı ve yer kaplayan optik elemanlar kullanılmaktadır. Son olarak, bu tür sistemlerde hüzme şekillendirme ihtiyacının akusto-optik cihazlarla nasıl giderilebileceğini görmek amacıyla, oluşturulan iki boyutlu akusto-optik cihaz modeli kullanılarak hüzme şekillendirme benzetimleri yapılmıştır. Gaussian ışıma profiline sahip bir lazer hüzmesinin akusto-optik etkileşim sonrasında düzgün (uniform) dağılıma sahip bir ışıma profiline dönüştürülmesi için yapılan benzetimler detaylandırılmış ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir.

Acousto-optic devices makes use of the electric drive signal to control the power of light. An acousto-optic device is based on the acousto-optic (photo-elastic) effect which dynamically changes refractive index of the medium by the oscillation of sound signal that causes mechanical stress. Acousto-optic devices are essential for temporal and spatial control of the high power lasers with high repetition frequencies, and they are one of the most effective solutions. In todays world, an acousto-optic device is extensively used in military and space, astronomy, telecommunication, industry, semiconductor and electronics, information technologies, health sector and more. Acousto-optic devices can be used for modulation, deflection, Q-switching, tunable filtering, frequency shifting and mode locking in optical applications esspecialy for the infrared region. This study composes of three main sections: the theory of acousto-optic interaction, principles of manufacturing of acousto-optic devices and modelling. There are considerable number of articles, books, and patents in acousto-optics field due to its wide history. In the first section, the theory of acousto-optic interaction is explained by making use of the literature, subsequently common materials used in acousto-optic devices are mentioned and the connection with the real-life applications is made. In the next section, the types of acousto-optic devices, operation principles of modulators and manufacturing steps followed are explained using the literature. After the theory of the acousto-optic interaction and the necessary details for the manufacturing of the devices are given, the basic parameters of the lasers in the infrared band are mentioned, and the two-dimensional acousto-optic and piezoelectric modeling studies are carried out. The analysis is made using Comsol Multiphysics application, which employs the finite element method. Using the created model, simulations are made and obtained results are interpreted. Besides, being used for modification of the time and frequency features of light, acousto-optic devices can also be used to shape the beam radiation profile. Some systems use expensive and area consuming optic elements while already utilizing an acousto-optic device. Finally, the previously created two-dimensional acousto-optic device model is used for the simulation of the beam shaping capability of acousto-optic devices in this type of systems. Simulations are made for converting a laser beam having a Gaussian radiation profile into a uniform radiation profile where the obtained results are examined.