UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye Foton Demet Diagnostiği F. KOÇAK, Ö. ŞAHİN, İ. TAPAN Uludağ Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 2 Oluşan FEL radyasyonunun odaklanması,doğrultulması, karakteristiğinin belirlenmesi işlemlerini kapsar. Demetin spektral aralığına bağlı olarak çeşitli optik materyaller içerir; Aynalar, Demet ayırıcılar, Optik lensler v.b. FEL demeti parametrelerini ölçer; demetin puls şiddeti, dalgaboyu ve spektral dağılımı, demetteki çok kısa pulsların uzunluk ölçümü için gereklidir. Foton Demet Diagnostiği
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 3 Czerny-Turner Spektrometre Nasıl çalışır? Bir yarıktan geçerek içeriye giren ışık bir küresel ayna ile düzlem şeklindeki sabit kırınım ağı üzerine yönlendirilir. Kırınıma uğrayan ışık dalga boylarına ayrılarak odaklayıcı aynaya, oradan da odaklanarak sıralanmış detektörler üzerine yansıtılarak spektrum ölçümü yapılır. GN; grating normal FN; yüzey normali I; gelen ışık
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 4 SpectraPro-300i Imaging Monochromator/Spectrograph metre odak uzaklığı üçlü kırınım ağı (grating) Czerny-Turner Spektrometre P. Michel et al., First Lasing of the Elbe Mid-IR FEL, Proceedings of the 2004 FEL Conf., 8-13
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 5 Pyroelectric detektör Detektöre gelen IR radyasyon, pyroelektrik materyalin sıcaklığında değişime sebep olur, bu değişimle orantılı olarak materyal yüzeyinde elektrik yükü oluşur. Yükler elektrotlar tarafından toplanarak çıkış sinyali elde edilir. 128-element Pyroelectric Arrays Lithium Tantalate (LiTaO 3 ) Lead zirconate titanate (PZT)… Termal tip bir detektör Hızlı cevap zamanı Ama, sadece sıcaklıktaki değişimlere duyarlı Ferroelektrik materyaller kullanır Spektral aralığı; µm Responsivity; 0.25µA/W Frekans aralığı; 1kHz-100MHz Pyroelektrik etki; sıcaklıkla polarizasyonun değişimi Akım; p; pyroelektrik sabit, materyale bağlı A; detektör alanı dT/dt; sıcaklığın zamanla değişimi
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 6 HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride-MCT) Detektör P.Norton, HgCdTe infrared detectors, Opto-Electronics Review 10(3), , orta ve uzun-dalgaboylu (3-30 μm) infrared fotodetektörlerde en çok kullanılan yarıiletken, MCT (Hg 1-x Cd x Te); civa, tellürid ve kadmiyumun birleşimi, Alaşım oranları değiştirilerek detektörün kesilim dalgaboyu değiştirilebilir. Gelen fotonlar soğurulur ve yüzeyde “serbest” yük taşıyıcıları üretir. Yarıiletkenin elektriksel iletkenliğinde değişim meydana gelir. Gelen foton akısıyla orantılı olarak çıkış voltajı ölçülür
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 7 J15D Serisi HgCdTe için Detectivity değerleri (judson technologies) J15Dxx Series HgCdTe PC Detectors (2 to 26 μm) D*;detectivity yada detektörün deteksiyon kapasitesi; NEP;detektörde oluşan gürültüye eşit miktarda foton akımı üretmek için detektör yüzeyine gelen minimum optik güç (watt) MCT Detektör
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 8 Ge:Ga (Gallium doped Germanium) Detektör Wavelength (µm) Ge:Ga, yaygın olarak FIR detektör materyali olarak kullanılır. Kuvvet uygulanarak responsivity ayarlanabilir. Kesilim dalgaboyu: kuvvet uygulanmadığında ~115µm uygulandığında > 210µm Çalışma şartları: Çalışma sıcaklığı: 1.8 – 2.2K NEP: ~5x W/√Hz Kuantum verimi: pixel, Ge:Ga detektör
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 9 Otokorelatör SHG kristal; yüksek şiddete sahip monokromatik ışık gelen ışığın frekansının iki katı frekansa sahip ışık sinyali Gelen ışık pulsu treni bir demet ayırıcı kullanılarak eşit şiddette iki kola ayrılır. Pulslardan biri sabit bir yol boyunca ilerlerken, diğeri hareketli bir optik geciktirici üzerine gönderilerek birinciye göre geciktirilir. Her iki puls, ikincil harmonikleri üreten SHG (second harmonic generating) kristali üzerine düşürülür. Oluşan ikincil harmonikler, ölçüm için bir mercek tarafından odaklanarak detektör üzerine düşürülür.
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 10 Otokorelatör CdTe kristali kullanılmış otokorelatör ün şematik gösterimi. F1; germanyum kaplı filtre, F2; çalışılan dalgaboyuna bağlı olarak ZnSe, CaF 3 yada safir filtre, L; KRS-5 tip mercek (J. Xu et al., Optics Communications 197 (2001) ) SHG kristal CdTe, FIR bölgede geniş bir dalgaboyu aralığında geçirgen
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 11 Üstten görünüşYandan görünüş Polarizasyon Dönüştürücü- polarization rotator IR demet, üç bakır aynadan oluşan sistemi geçerken şekilde gösterilen eksen etrafında döndürülebilir. Sistem α kadar döndürüldüğünde, polarizasyon 2α kadar döner. 45 o ’ lik bir döndürme yapıldığında polarizasyon yataydan düşeye, yada düşeyden yataya döndürülebilir. Bu işlem optik yol uzunluğunda herhangi bir değişim olmadan yapılır. Knippels, G.M.H. and van der Meer, A.F.G., FEL Diagnostics and User Control, NIMB 144 (1998), 32–39.
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 12 Step Attenuator FEL demeti gücünün istenilen kademelerde azaltılmasını sağlar. Hassas bir şekilde üretilmiş metal ızgaralar tarafından demetin belirli bir kesri yansıtılır. Yansıyan demet kesri, su soğutmalı zayıflatıcının duvarlarında soğurulur. Demetin güç dışındaki tüm parametreleri değişmeden kalır (polarizasyon, M 2 parameters, divergence, mode structure…) 0.7 den 1200 µm’ ye kadar tüm IR bölgesinde kullanılabilirler. LASNIX Izgaradaki %50 ve %10’ luk kayıplar güçte 10 dB ve 3 dB’ lik azalmaya yol açar.
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 13 IR diagnostik istasyonlarına bir örnek; FELBE foton diagnostik istasyonu
UPHUK-3, Eylül 2007, Bodrum Türkiye 14 Foton diagnostik istasyonunda fotonun hava ile etkileşmesini önlemek için donanımlar, He-Ne veya N 2 gibi gazların bulunduğu kapalı bir hacim ya da yüksek vakum (örneğin, FELIX laboratuarında Torr) içerisine yerleştirilmelidir. FEL’ in spektrum ölçümü IR bölgede en yaygın kullanılan Czerny-Turner spektrometre ile yapılabilir. Spektrometrenin kırınım ağı FEL’ in tüm dalgaboyu aralığını kapsayacak şekilde seçilmelidir. FEL demetindeki kazanç ve kayıpları tayin etmek için µm dalgaboyu aralığında işlem gören bir MCT detektör yada Ge:Ga detektör kullanılmalıdır. FEL demeti tarafından üretilen çok kısa pulsları ölçmek ve puls sürekliliğini tayin etmek için bir autocorrelator sistemine ihtiyaç vardır. SHG kristal olarak, geniş bir dalgaboyu aralığında çalışılabilme imkanı sağlayan CdTe kristali kullanılabilir. Sonuç