ERSİN ÇİÇEK*, PERVİN ARIKAN* KIZILÖTESİ SERBEST Elektron lazerİ İçİn foton dİyagnostİĞİ’nİn teknİk tasarImI ERSİN ÇİÇEK*, PERVİN ARIKAN* *Gazi Universitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, 06500, Teknikokullar, ANKARA 07-09.09.2013, Türk Fizik Derneği 5. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi (UPHUK-5)

İçerik Serbest Elektron Lazeri ve Elde Edilmesi THM Kızılötesi SEL THM-TARLA SEL Foton Diyagnostiği Foton Diyagnostiği için Kullanılan Optik Bileşenler Diyagnostik Masası Dalgaboyu ve Güç Ölçümleri Otokorelatör Kurulumu, SEL için Atma Uzunluğunun Hesaplanması Ti: Sa Lazeri için Atma Uzunluğunun Hesaplanması SEL için Otokorelatör Kurulumu Optik Işın Karakterizasyonu Sonuçlar Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Serbest Elektron Lazeri (SEL) SEL Çeşitleri; Yükselteç SEL Işınımın dışarıdan verilen başka bir ışınım ile güçlendirilmesi SASE (Self Amplified Spantenous Emission-Kendiliğinden genlik arttırımlı SEL) SEL Elektron demetinin salındırıcı magnetten geçerken, kinetik enerjisinin bir kısmını ışıma yoluyla kaybetmesi, Tek geçiş Osilatör SEL Lineer hızlandırıcıdan elde edilen rölativistik elektron demetinin, ‘undulatör’ adı verilen salındırıcı magnetlerden geçirilmesi sonucu elde edilen ışınıma Serbest Elektron Lazeri (SEL) denir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Osilatör Serbest Elektron Lazerinin Elde Edilmesi PARAMETRELER   SÜPER İLETKEN NORMAL İLETKEN Çalışma Frekansı MHz 1300 3000 Paket Tekrarlama Oranı 13-260 1000 Atma Uzunluğu µs Sürekli 10 Atma Aralığı s 0.1 Ortalama Akım mA 1 0.02 Paket Boyu ps 0.5-10 4 Demet Gücü kW 40 0.8 Toplam Elektrik İhtiyacı 600 210 Termiyonik Tabanca Katot (filaman) Wehnelt silindiri (grid kap ~ -500V) Anot Rölativistik elektron demeti, manyetik kuvvet tarafından x-s düzleminde periyodik bir salınıma zorlanır. Elektronlar sinüssel değişen manyetik alanda ivmeli hareket edeceğinden (yön değiştirme) foton yayacaklardır. (senkronize radyasyon) Doğrusal hızlandırıcılar; Sürüklenme (drift) tüpler RF (radyo frekans) Süperiletken (Sİ) ve Normaliletken (Nİ) Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Optik Kavite Salındırıcıya giren elektron demeti ivme ve genlik kazanır ve kendiliğinden ışıma yayar, Işıma iki küresel ayna arasında pek çok kez yansıtılır, Lazer dalgası ile elektron demeti arasında enerji alışverişi gerçekleşir, Koherent bir ışınım elde edilir. Rezonatör uzunluk kontrol ve stabilizasyon sistemi şematik görüntüsü HZDR, Radiation Source ELBE, "IR Radiation (FEL) " Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

LINAK-1 Enjektör Demet Sıkıştırıcı 5-20 MeV 250 keV LINAK-2 8-40 MeV THM Kızılötesi Serbest Elektron Lazeri SEL Üretimi Enjektör 250 keV LINAK-1 5-20 MeV Demet Sıkıştırıcı LINAK-2 8-40 MeV Lazer 3-250 µm Elektronları 250 keV’lik enerjiye ulaştıracak bir DC termiyonik elektron tabancası 3-250 μm dalgaboyu aralığında SEL üretimi 40 Mev enerjili elektron demeti elde etmek için, iki 20 MeV süperiletken RF hızlandırıcı modül Farklı salındırıcı (U25 ve U90) Deney İstasyonları; Foton Diyagnostik, Ultrahızlı Fotonik uygulamalar, Genel IR Spektroskopi, Nükleer çalışmalar için Bremsstrahlung istasyonu (5-40 MeV – γ ya da sabit hedef) Prof. Dr. Pervin Arıkan, The Status of TARLA IR-FEL Experimental Stations Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

CW mod (Continuous Wave-Sürekli dalga) TARLA tesisi elektron demet ve SEL parametreleri Parametre Birim Değer Elektron demet enerjisi MeV 15-38,5 Maksimum ortalama elektron demet akımı mA 1,6 Maksimum paketçik yükü pC 80 Mikro-atma tekrarlama oranı MHz 13-26 Enine emittans mm.mrad <13 Boyuna emittans keV. ps <50 Makro-atma süresi µs 40-CW Makro-atma tekrarlama oranı Hz 10-CW Parametre Birim U25 U90 Dalgaboyu µm 3-19 18-250 Frekans THz 150-10 16-1,2 Mikro-atma tekrarlama oranı MHz 13 Maksimum pik gücü MW ~5 ~2,5 Ortalama güç W 0,1-40 0,1-30 Maksimum atma enerjisi µJ ~10 ~8 Atma uzunluğu ps 1-10 Spektral Parlaklık foton / s mm2 mrad2 %0.1bg A ~1030 ~1029 İki farklı mod’da çalışan süperiletken lineer hızlandırıcılar kullanılarak atmalar elde edilecektir. CW mod (Continuous Wave-Sürekli dalga) Makro-atma mod Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

THM TARLA-SEL Foton Diyagnostiği Foton Diyagnostiği, optik kaviteden elde SEL ışınının; Hizalanması, Dalgaboyu ayarlanması, Odaklanması, Masa üzerindeki optik araçların düzeni, Kullanıcı laboratuarları için karakteristiklerinin, (Atmanın yoğunluğu ve gücü, SEL’in dalgaboyu ve spektral dağılımı, SEL’in çok kısa atma uzunluğu) belirlenmesi işlemlerini kapsar. Optik kaviteden elde edilen kızılötesi lazer; Brewster açısında monte edilmiş 320 µm kalınlığına sahip bir CVD elmas vakum penceresi, 3’ü toroidal biri düz olmak üzere 4 ayna yardımıyla ve mercekler, Işın borularının oluşturduğu demet hattı, Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Foton Diyagnostiği için Kullanılan Optik Bileşenler Diyagnostik masası Aynalar (scrapper, çevirmeli, odaklayıcı parabolik aynalar vb.), Işın ayırıcı, Czerny-turner tipi spektrometre, SEL’in dalgaboyu ve güç ölçümü için dedektörler (MCT, Ge:Ga, Pyroelektrik, Yüksek güç ve düşük güç dedektörleri), Nd: Vanadat lazer sistemi ve plazma anahtar sistemi (Nd:Vanadat lazer, yükselteç, Si/Ge anahtar tabaka), Zayıflatıcı, Optik pencereler, Polarizasyon dönüştürücü, Optomekanik bileşenler (Optiksel ışın kesici, optik raylar, açıklıklar, lab platforms, ayna ayakları ve ayna tutucuları vb.), Optik otokorelatör Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Diyagnostik Masası Granit masa Boyutlar; masa uzunluğu 180 cm, genişlik 120 cm ve kalınlık 20,3 cm, Masanın yerden yüksekliği ise 90 cm Kuru 𝑵 𝟐 , He veya Ne gazları ile soğutma HZDR, Radiation Source ELBE, "IR Radiation (FEL) " Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Dalgaboyu Geçirgenlik Aralığı Otokorelatörün şematik düzeni SHG kristal; Yüksek şiddete sahip monokromatik ışık Gelen ışığın frekansının iki katı frekansa sahip ışık sinyali SHG Kristali Kullanılarak bir Yoğunluk Otokorelatörü için Deneysel Şema İkincil harmonik üretimi Malzeme Dalgaboyu Geçirgenlik Aralığı Özellikler 𝑍𝑛𝐺𝑒 𝑃 2 0,74-12 µm kaliteli, farklı kristal kesimleri mümkündür CdSe 0,75-20 µm Te 3,8-32 µm yüksek lineer olmayan katsayı, elde etmek zordur 𝐶𝑑𝐺𝑒𝐴 𝑠 2 2,4-18 µm GaSe 0,65-18 µm Görünür bölgede geçirgendir, sadece doğal kristal kesimi mümkündür CdTe 1-35 µm kaliteli, çift kırınımlı değildir ∆𝐸 ′ Elektronun sanal seviyede kalma süresi; 𝜏 0 × ∆𝐸 ′ ~ℎ/2 ∆𝐸 ′ enerjisi en yakın gerçek enerji düzeyi ile sanal seviye arasındaki fark Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Kristal içerisinde faz eşleştirme, kristalin optik ekseni değiştirilerek elde edilir. Filtre Malzeme λ/2’de iletimi Kullanışlı Aralığı λ’da iletimi ZnSe (5mm, yansıtma önleyici tabaka kaplamalı) >95% 21-35 µm <10-6 𝐶𝑎 𝐹 2 (2mm, kaplamasız) 12-22 µm <10-4 𝐴 𝑙 2 𝑂 3 (4mm, kaplamasız) >85% 6-11 µm Turkuaz Filtre (yansıtma önleyici tabaka kaplamalı) >90% 8-14 µm İkincil harmonik sinyalinin veriminin yüksek olması için; ∆𝑘=2 𝑘 1 − 𝑘 2 =0 𝑛 2 − 𝑛 1 =0 Atma uzunluğunun çıkarımı ∆τ, atma uzunluğu, ∆ν, frekans değeri, Gausyen atmalar için; MCT dedektör kullanılarak otokorelasyon sinyal eğrisi elde edilir, Fit edilir.   Gausyen Atma Formu Sekant-Hiperbolik Atma Formu I(t) 𝑒 −2 ln2⁡ ( 𝑡 𝜏 𝑝 ) 2 sech2(t) G2(τ) 𝑒 −2 ln2⁡ ( 𝜏 𝜏 𝐺 ) 2 −3(𝜏 coth 𝜏 −1)/ 𝑠𝑖𝑛ℎ 2 (𝜏) 𝜏 𝑝 / 𝜏 𝐺 0,7071 0,6482 𝜏 𝑝 ×∆𝜈 0,4413 0,3148 ∆τ×∆ν=0,4413 𝜏 𝐺 ≅1.41 𝜏 𝑝 Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

DENEY VE SONUÇLAR Foton Diyagnostiği için yapılan bütün deneyler HZDR (Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf) – ELBE Radiation Source tesisinde Dr. Wolfgang Seidel ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Optik Kavite Uzatılma Miktarı (mm) Farklı salındırıcı aralıkları (g) için dalgaboyu ve güç ölçümü Sabit optik kavite uzatılma miktarı ve artan salındırıcı kutup aralığı için değişen SEL dalgaboyu ve güç değerleri Yoğunluk [a.u] Veri No Kutup Aralığı – g (mm) Optik Kavite Uzatılma Miktarı (mm) Dalgaboyu (µm) Güç(W) 1 13,8 4,227 15,95 1,9 2 14,0 15,75 2,1 3 15,0 14,86 2,7 4 16,0 14,15 2,4 5 17,0 13,58 2,5 6 18,0 13,18 1,7 Dalgaboyu [μm] SEL’in dalgaboyu; 𝜆 𝑙𝑎𝑧𝑒𝑟 = 𝜆 𝑢 2 𝛾 𝑒 2 1+ 𝐾 2 2 + 𝛾 𝑒 2 θ 2 ; 𝐾=0.934 𝐵 𝑢 𝑇 𝜆 𝑢 [𝑐𝑚] Düzlemsel salındırıcının magnet alanı, 𝐵 0 , Salındırıcıdaki kutup uçlarının orta noktasındaki akı yoğunluğu olmak üzere demet ekseni boyunca değişen alanın pik değeri; 𝐵 𝑧 𝑠,𝑧 = 𝜕φ 𝜕𝑧 = 𝑘 𝑢 𝐴𝑐𝑜𝑠ℎ 𝑘 𝑢 𝑧 cos( 𝑘 𝑢 𝑠) 𝐴= 𝐵 0 𝑘 𝑢 cosh 𝜋 𝑔 𝜆 𝑢 𝑘 𝑢 , salındırıcı magnete ait dalga sayısı λu, düzlemsel salındırıcının periyot uzunluğu φ, elektronun yatay hız bileşeni ile elektromanyetik dalga arasındaki faz açısı Θ, Parçacığı salındırıcı içerisinde eksen boyunca ideal yörüngesinde tutacak olan maksimum açı 𝐵 = 𝐵 0 cosh 𝜋 𝑔 𝜆 𝑢 𝐵 𝑧 𝑠,𝑧 = 𝐵 0 cosh 𝜋 𝑔 𝜆 𝑢 cosh 𝑘 𝑢 𝑔 2 cos( 𝑘 𝑢 𝑠) Dalgaboyu ölçümleri CW mod, Güç ölçümleri makro-atma mod Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Sabit optik kavite uzatılma miktarı ve farklı salındırıcı kutup aralıkları için SEL’in değişen özellikleri Veri No Dalgaboyu (µm) Güç (W) FWHM -∆λ (µm) Sigma-σ (µm) ∆τ (ps) 1 15,95 1,9 0,16043 0,06813 2,33 2 15,75 2,1 0,15145 0,07533 2,05 3 14,86 2,7 0,14930 0,06340 2,17 4 14,15 2,4 0,15346 0,06517 1,91 5 13,58 2,5 0,14195 0,06028 1,90 6 13,18 1,7 0,13524 0,05743 1,88 Salındırıcı aralığı değiştirilerek SEL’in dalgaboyu ayarlanır. U27 salındırıcısı, 15,5 µm SEL Sabit optik kavite uzatılma miktarı 4,227 mm Atma uzunlukları teorik olarak hesaplanır 𝐹𝑊𝐻𝑀=𝜎×2,35 Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Otokorelatör Kurulumu, Ti: Sa lazeri SEL için Atma Uzunluğunun Hesaplanması Değişken τ zaman farkı, SH üreten bir kristal, Zamansal ve uzaysal olarak üst üste getirilme. Işın ayırıcıdan yansıyan ve geçen ışınların güçleri 0,65 mW He-Ne lazer (633 nm,5 mW), 3 altın ve 2 gümüş ayna (çap 50,8 mm, kalınlık 10 mm), 5 aralık Parabolik ayna (odak uzaklığı 50 mm Çap(Ø2")= 50 mm), Lazerin masadan yüksekliği 15 cm, λ-Yarım dalga plaka, Işın ayırıcıdan geçen lazerin aldığı yol; 𝑿 𝟏 =𝟖,𝟓 𝐜𝐦+𝟔,𝟓 𝐜𝐦+𝟐𝟒,𝟓 𝐜𝐦+𝟏𝟒,𝟎 𝐜𝐦+𝟔,𝟎 𝐜𝐦=𝟓𝟗,𝟓 𝐜𝐦 Işın ayırıcıdan yansıyan lazerin aldığı yol; 𝑿 𝟐 =𝟏𝟓,𝟎 𝐜𝐦+𝟏𝟔,𝟎 𝐜𝐦+𝟐𝟑,𝟓 𝐜𝐦+𝟒,𝟐 𝐜𝐦=𝟓𝟖,𝟕 𝐜𝐦 Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Çapı (Φ)=50,8 mm olan 5 adet Ayna Ti: Sa Lazeri için Atma Uzunluğunun Hesaplanması 650-1100 nm dalgaboyu Birkaç ps ve 10 fs arasında ultrahızlı Sinyal tekrarlama oranı 70-90 MHz arası 0,5’den 1,5 W’a kadar ortalama güç çıkışı Ti: Sa Lazer (λ=800nm) Osiloskop, λ/2 yarım dalga plaka Elektrikli motor kızak sistemi Çapı (Φ)=50,8 mm olan 5 adet Ayna ZnSe ışın ayırıcı (Kalınlık=3mm, Çap(Φ)=2*25,4mm) BBO lineer olmayan kristal, SHG@800nm 1 adet Lens (Odak uzaklığı=50 mm, Çap(Φ)=25,4mm, 190-2100 nm Geçirgenlik aralığı 335 – 610 nm olan monte edilmemiş renkli cam filtre (Çap(Φ)=1 inç= 25,4 mm Kalınlık=2 mm) 320-1100 nm dalgaboyu aralığında verimli olan, Ultrahızlı Fotodedektör ((Yükselme süresi<175 ps Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

İkincil Harmonik sinyal 400 nm, Ti: Sa Lazer (λ=800nm) İkincil Harmonik sinyal 400 nm, Renkli cam filtre için geçirgenlik yüzdesi Sinyalin genliği yükselteç kullanılarak arttırılır (yaklaşık 5 kat) Tetikleyici olarak kullanılan Si tabanlı DET10A dedektörünün spektral cevabı Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı 270 Her bir adım arasında ki zaman farkı 20 fs Tarama süresi yaklaşık 5,4 ps Tarama uzunluğu yaklaşık olarak 1,5058 mm’dir Otokorelasyon Sinyali [a.u] Gecikme [ps] Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri; 𝐹𝑊𝐻𝑀= 𝜏 𝐺 =2,9555±0,02031 𝑝𝑠 𝜏 𝑃 / 𝜏 𝐺 =0,7071 olmak üzere 810 nm dalgaboyuna sahip Ti: Sa lazeri için atma uzunluğu; ∆𝜏= 𝜏 𝑃 =0,7071× 𝜏 𝐺 =0,7071×2.9555=2,08 𝑝𝑠 Dalgaboyu (nm) FWHM (ps) Atma uzunluğu (ps) 786 2,81159 1,99 810 2,9555 2,08 843 2,3051 1,62 Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) Nötr yoğunluk filtresi (240-1200 nm), Ti: Sa Lazeri İkincil Harmonik için Güç Ölçümü Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) Nötr yoğunluk filtresi (240-1200 nm), Güç belli kademelerde azaltılır (1,74W – 1,21 W – 0,71 W) Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) İkincil harmonik sinyal 400 nm Güç 1,74 W Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) İkincil harmonik sinyal 400 nm Güç 1,21 W Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Gürültü yoğunluk değeri sabit, ortalama 0,00118 V Dalgaboyu (nm) Güç (W) FWHM (ps) Atma Uzunluğu (ps) 801 1,74 3,29530 2,33 1,21 3,13597 2,21 0,71 2,87301 2,03 ∆τ×∆ν=0,4413 Dalgaboyu sabit, tekrar kristal optimizasyonuna gerek yok Gürültü yoğunluk değeri sabit, ortalama 0,00118 V Otokorelasyon sinyali [a.u] Gecikme [ps] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Dalgaboyu Geçirgenlik Aralığı SEL için Otokorelatör Kurulumu Polarizasyon dönüştürücü, Elektrikli motor kızak sistemi, Osiloskop, Pyroelektrik kamera, Lineer olmayan CdTe kristali (Kalınlık: 600 µm, Boyutlar: 10*10*0,6 mm3 2 adet ZnSe lens (Odak uzaklığı:50 mm, Çap(Ø1"):25,4 mm, 1-26 μm, MCT dedektörü, Turkuaz filtre Mylar ışın ayırıcı (Kalınlık:1,2 µm, Çap(Φ):2*25,4 mm), Malzeme Dalgaboyu Geçirgenlik Aralığı Özellikler 𝑍𝑛𝐺𝑒 𝑃 2 0,74-12 µm kaliteli, farklı kristal kesimleri mümkündür CdSe 0,75-20 µm Te 3,8-32 µm yüksek lineer olmayan katsayı, elde etmek zordur 𝐶𝑑𝐺𝑒𝐴 𝑠 2 2,4-18 µm GaSe 0,65-18 µm Görünür bölgede geçirgendir, sadece doğal kristal kesimi mümkündür CdTe 1-35 µm kaliteli, çift kırınımlı değildir U100, SEL (26,2 μm) SEL 26,2 μm – İkincil Harmonik ışın 13,1 μm SEL’in toplam gücü 60 mW, Işın ayırıcıdan yansıyan ışının gücü 26 mW, Işın ayırıcıdan geçen ışının gücü 32 mW Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

SEL 26,2 μm – İkincil Harmonik ışın 13,1 μm SEL’in toplam gücü 60 mW, Işın ayırıcıdan yansıyan ışının gücü 26 mW, Işın ayırıcıdan geçen ışının gücü 32 mW Kullanılan ZnSe lenslerinin dalgaboyuna bağlı olarak yansıma ve iletim yüzdeleri Yansıma [%] İletim [%] Dalgaboyu [μm] Dalgaboyu [μm] Bloke edici filtreler ve karakteristikleri Filtre Malzeme λ/2’de iletimi Kullanışlı Aralığı λ’da iletimi ZnSe (5mm, yansıtma önleyici tabaka kaplamalı) >95% 21-35 µm <10-6 𝐶𝑎 𝐹 2 (2mm, kaplamasız) 12-22 µm <10-4 𝐴 𝑙 2 𝑂 3 (4mm, kaplamasız) >85% 6-11 µm Turkuaz Filtre (yansıtma önleyici tabaka kaplamalı) >90% 8-14 µm Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Optik Kavite Uzatılma Miktarı-CL (mm) Optik Kavite Ayarı-∆L (µm) Otokorelasyon Eğrisinin Elde edilmesi ve Atma Uzunluğunun Hesaplanması He-Ne interferometrik lazer, Kristal optimizasyonu, Dedektör konumu İki ışın arasındaki 𝜏 gecikme zamanı değiştirilir, SH elde edilir SEL Işınının Optik Karakterizasyonu Optik ışın özellikleri hassas bir şekilde ayarlanabilir (ELBE U100 Ölçümleri!!) Optik Kavite Uzatılma Miktarı-CL (mm) Optik Kavite Ayarı-∆L (µm) Güç-P (mW) (makro-atma mod) Güç-P (W) (sürekli dalga mod) 8,330 - 8,335 8,340 15 1,875 8,345 -5 63 7,875 8,350 -10 54 6,75 8,355 -15 49 6,125 8,360 -20 45 5,625 8,365 -25 40 5,0 8,370 -30 34 4,25 8,375 -35 28 3,5 8,380 -40 18 2,25 8,385 -45 5 0,625 8,390 -50 63 mW 28 mW SEL Gücü – P [mW] Optik kavite ayarı - ∆L [μm] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Optik kavite uzatılma miktarı 8,345 mm 63 mW güç Optik spektrum; 26,2 μm SEL Optik kavite uzatılma miktarı 8,345 mm 63 mW güç Spektral bant genişlik yüzdesi; ∆λ 𝜆 [%]= 0,48608 µ𝑚 26,40785 µ𝑚 =1,8 Otokorelasyon sinyali; Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı 800 Her bir adım arasında ki zaman farkı 20 fs Tarama süresi 16 ps,Tarama uzunluğu 4,73 mm Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri; Otokorelasyon Sinyali [a.u] 𝐹𝑊𝐻𝑀= 𝜏 𝐺 =3,29981±0,04574 𝑝𝑠 𝜏 𝑃 / 𝜏 𝐺 =0,7071 ∆𝜏= 𝜏 𝑃 =0,7071× 𝜏 𝐺 =0,7071×3,29981=2,33 𝑝𝑠 Gecikme [ps] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Optik kavite uzatılma miktarı 8,375 mm 28 mW güç Optik spektrum; 26,2 μm SEL Optik kavite uzatılma miktarı 8,375 mm 28 mW güç Spektral bant genişlik yüzdesi; ∆λ 𝜆 [%]= 0,18734 µ𝑚 26,21747 µ𝑚 =0,7 Otokorelasyon sinyali; Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı 210 Her bir adım arasında ki zaman farkı 40 fs Tarama süresi 8,4 ps,Tarama uzunluğu 2,52 mm Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri; Otokorelasyon Sinyali [a.u] 𝐹𝑊𝐻𝑀= 𝜏 𝐺 =8,03229±0,6551 𝑝𝑠 𝜏 𝑃 / 𝜏 𝐺 =0,7071 ∆𝜏= 𝜏 𝑃 =0,7071× 𝜏 𝐺 =0,7071×8,03229=5,67 𝑝𝑠 Gecikme [ps] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

SEL için optik spektrumlardan elde edilen sonuçlar; Optik Kavite Uzatılma Miktarı-CL (mm) Sigma-σ (µm) Güç-P (mW) Optik Spektrumların FWHM Değeri- ∆λ/ (µm) Spektral Bant Genişlik Yüzdesi [∆λ/λ (%)] 8,345 0,20642 63 0,48608 1,8 8,355 0,15008 49 0,35342 1,3 8,365 0,10139 40 0,23876 0,9 8,375 0,07955 28 0,18734 0,7 SEL için otokorelasyon sinyal sonuçları; Optik Kavite Uzatılma Miktarı-CL (mm) Otokorelasyon Sinyallerinin FWHM Değeri (ps) Güç-P (mW) Atma Uzunluğu (ps) 8,345 3,29981 63 2,33 8,355 4,99296 49 3,53 8,365 6,14252 40 4,34 8,375 8,03229 28 5,67 Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

SONUÇLAR Güç (TARLA tesisi için 0.1-40 W), THM TARLA tesisi, üretilecek olan 3–250 μm dalgaboyu aralığındaki kızılötesi lazerin; Güç (TARLA tesisi için 0.1-40 W), Dalgaboyu (TARLA tesisi 3-250 μm ), Spektral dağılımı ve Atma uzunluğu (TARLA tesisi için 1-10 ps) Parametrelerin hesabı, Pencere Geçirgenlik Aralığı Magnezyum Florür (MgF2) 120 nm – 6 µm Safir 150 nm - 5 µm Kalsiyum Florür (CaF2) 180 nm – 8 µm Çinko Selenür (ZnSe) 600 nm - 16 µm Çinko Sülfür (ZnS) 0,4 µm - 12 µm Talyum Bromit İyodin (KRS-5) 0,6 µm - 50 µm Z-kesimli Kuartz <3 µm - >80 µm (kızılötesi bölge) Elmas* Tüm kızılötesi bölge TPX Poli(4 Metil–1 Penten) 40 µm - 2000 µm Kısa dalgaboyları için MCT, uzun dalgaboyları için ise Pyro dedektör, Elmas pencere diyagnostik masası üzerinde, ZnSe, KRS-5, TPX, kuartz ve yine elmas kullanıcı istasyonlarının girişinde, Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Ti: Sa lazeri için atma uzunlukları 1-3 ps arasında, Ti: Sa, ikincil harmonik minimum güç miktarı 0,71 W olarak ölçülmüştür. 1,74W gücüne sahip Ti:Sa için; 𝑆𝑁𝑅= 𝑃 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑃 𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 = 0,0040𝑉 0,00118𝑉 =3,38 Üç farklı güç değeri; İyi bir otokorelasyon sinyali için yüksek güce sahip Ti:Sa 1,21 W gücüne sahip Ti:Sa için; 𝑆𝑁𝑅= 𝑃 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑃 𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 = 0,0030𝑉 0,00118𝑉 =2,54 1,21 W gücüne sahip Ti:Sa için; 𝑆𝑁𝑅= 𝑃 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑃 𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 = 0,0018𝑉 0,00118𝑉 =1,52 Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Dalgaboyu Geçirgenlik Aralığı Atma uzunluğunu hesaplamak için otokorelatör ve CdTe kristali, 35 µm ve üstü dalgaboyu aralıkları teorik hesap, Malzeme Dalgaboyu Geçirgenlik Aralığı 𝑍𝑛𝐺𝑒 𝑃 2 0,74-12 µm CdSe 0,75-20 µm Te 3,8-32 µm 𝐶𝑑𝐺𝑒𝐴 𝑠 2 2,4-18 µm GaSe 0,65-18 µm CdTe 1-35 µm Altın (Au) kaplama malzemesi olarak, Bakır alttaş malzemesi olarak, Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Kısa atmalar – Geniş bant aralığı Uzun atmalar – Dar bant aralığı Otokorelasyon Sinyali [a.u] Otokorelasyon Sinyali [a.u] FWHMotokor.=3,29981 ps Atma uzunluğu= 2,33 ps FWHMotokor.=8,03229 ps Atma uzunluğu= 5,67 ps Gecikme [ps] Gecikme [ps] Sol panel; Optik kavite ayarı -5 µm, SEL’in gücü 63 mW 𝐿=11,5305 𝑚=13 𝑀𝐻𝑧=77 𝑛𝑠 Sağ panel; Optik kavite ayarı -35 µm, SEL’in gücü 28mW Kısa atmalar – Geniş bant aralığı Uzun atmalar – Dar bant aralığı Kavite senkronizasyonu ile atma uzunlukları istenilen şekilde ayarlanabilir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Farklı optik kavite uzunluk ayarları için IR spektrum; Sonuç olarak; Bir diyagnostik masasında bulunması gereken, SEL’in hizalanmasını ayarlamak için He-Ne lazeri, Aynaların, ışın ayırıcıların, spektrometrenin, dedektörlerin, ışın zayıflatıcının, pencerelerin, polarizasyon dönüştürücünün, Nd:Vanadat lazer sistemi ve plazma anahtar sisteminin, optomekanik bileşenlerin ve otokorelatörün özellikleri araştırılmış olup THM-TARLA tesisi’nde kurulacak olan diyagnostik masası için uygun özellikte olanlar belirlenmiştir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Dinlediğiniz için teşekkür ederim… Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5

Kaynaklar Ketenoğlu, B., “CLIC Drive Beam’e Dayalı SASE FEL”, CERN TURK FORUMU (CERNTR) Europe/Zurich, (2007). Lehnert, U., Michel, P., Seidel, W., Stehr, D., Teichert, J., Wohlfarth, D., Wünsch, R., “Optical Beam Properties and Performance of the MID-IR at ELBE ”, 27TH International Free Electron Laser Conference, Stanford, California, USA, 287 (2005). Yavaş, Ö., "Hızlandırıcı Fiziği Ders Notları", Ankara Üniversitesi, Ankara, (2009). http://phys.strath.ac.uk/alpha x/Assets/images/fel.jpg, (2006). Arslan, M., "İkincil Harmonik Üretim Deneyinin Kurulması", Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1, 4-7, 17-18, (2009). 7. Xu, J., Knippels, G.M.H., Oepts, D., van der Meer, A.F.G., “A far-infrared broadband (8.5-37µm) autocorrelator with sub-picosecond time resolution based on cadmium telluride”, Optics Communications, 197: 379-383 (2001). 8. İnternet: ELBE-Center for High Power Radiation Sources with FEL, Logbook, https://www.hzdr.de/db/!Elbe.Logbook.Liste, (2013). 9. Brunken, M., Casper, L., Genz, H., Hessler, C., Khodyachykh, S., Richter, A., “A compact autocorrelator for the wavelength range between 4 and 10 µm” , Optics &Laser Technology, 35: 349-353 (2003). 10. İnternet: Thorlabs, Optical Elements, Filters http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=3695, (2013). 11. İnternet: Türk Hızlandırıcı Merkezi, THM IR-SEL Tesisi http://thm.ankara.edu.tr/?bil=bil_icerik&icerik_id=123, (2011). 12. Arıkan, P., "THM TARLA Tesisi Deney İstasyonları ve Kullanıcı Potansiyeli", XI. Türk Hızlandırıcı Merkezi YUUP Çalıştayı, Ankara Üniversitesi Hızlandırıcı Teknolojileri Enstitüsü, Ankara, 26, (2012). Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5