Foton Demet Diagnostiği

1. Foton Demet Diagnostiği F. KOÇAK, Ö. ŞAHİN, İ. TAPAN Uludağ Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü

2. Foton Demet Diagnostiği OluşanFEL radyasyonunun odaklanması,doğrultulması, karakteristiğinin belirlenmesi işlemlerini kapsar. FEL demeti parametrelerini ölçer; demetin pulsşiddeti, dalgaboyuve spektral dağılımı, demetteki çok kısa pulsların uzunluk ölçümü için gereklidir. Demetin spektral aralığına bağlıolarak çeşitli optik materyaller içerir; Aynalar, Demet ayırıcılar, Optik lensler v.b.

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

4. Czerny-Turner Spektrometre SpectraPro-300i Imaging Monochromator/Spectrograph • 0.300 metreodak uzaklığı • üçlükırınım ağı (grating) P. Michel et al., First Lasing of the Elbe Mid-IR FEL,Proceedings of the 2004 FEL Conf., 8-13

5. Pyroelectric detektör Lithium Tantalate (LiTaO3) Lead zirconate titanate (PZT)… • Termal tip bir detektör • Hızlı cevap zamanı • Ama, sadece sıcaklıktaki değişimlere duyarlı • Ferroelektrik materyaller kullanır • Spektral aralığı; 0.01-1000 µm • Responsivity; 0.25µA/W • Frekans aralığı; 1kHz-100MHz p; pyroelektrik sabit, materyale bağlı A; detektör alanı dT/dt; sıcaklığın zamanla değişimi Akım; Pyroelektrik etki; sıcaklıkla polarizasyonun değişimi 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

6. HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride-MCT) Detektör • ortaveuzun-dalgaboylu (3-30 μm)infrared fotodetektörlerde en çok kullanılan yarıiletken, • MCT (Hg1-xCdxTe);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 P.Norton, HgCdTe infrared detectors, Opto-Electronics Review 10(3), 159-174, 2002.

7. MCT Detektör D*;detectivity yada detektörün deteksiyon kapasitesi; NEP;detektörde oluşan gürültüye eşit miktarda foton akımı üretmek için detektör yüzeyine gelen minimum optik güç (watt) J15D Serisi HgCdTe için Detectivity değerleri (judson technologies) J15Dxx Series HgCdTe PC Detectors (2 to 26 μm)

8. Wavelength (µm) Ge:Ga (Gallium doped Germanium)Detektör • Ge:Ga,yaygın olarak FIR detektör materyali olarak kullanılır. • Kuvvet uygulanarak responsivity ayarlanabilir. • Kesilim dalgaboyu: kuvvet uygulanmadığında ~115µm • uygulandığında > 210µm 16 pixel, Ge:Ga detektör • Çalışma şartları: • Çalışmasıcaklığı: 1.8 – 2.2K • NEP: ~5x10-18 W/√Hz • Kuantum verimi: 0.45

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.

10. Otokorelatör SHG kristal CdTe, FIR bölgede geniş bir dalgaboyu aralığında geçirgen CdTe kristali kullanılmış otokorelatör ün şematik gösterimi. F1; germanyum kaplı filtre, F2; çalışılan dalgaboyuna bağlı olarak ZnSe, CaF3 yada safir filtre, L; KRS-5 tip mercek (J. Xu et al., Optics Communications 197 (2001) 379-383)

11. Polarizasyon Dönüştürücü- polarization rotator Üstten görünüş Yandan görünüş • IR demet, üç bakır aynadan oluşan sistemi geçerken şekilde gösterilen eksen etrafında döndürülebilir. • Sistem α kadar döndürüldüğünde, polarizasyon 2α kadar döner. • 45o’ 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.

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, M2 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.

13. IR diagnostik istasyonlarına bir örnek; FELBE foton diagnostik istasyonu

14. Sonuç • Foton diagnostik istasyonunda fotonun hava ile etkileşmesini önlemek için donanımlar, He-Ne veya N2 gibi gazların bulunduğu kapalı bir hacim ya da yüksek vakum (örneğin, FELIX laboratuarında 10-4 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. • FELdemetindeki kazançve kayıplarıtayin etmek için 2-185 µm dalgaboyu aralığındaişlem gören bir MCT detektör yada Ge:Ga detektör kullanılmalıdır. • FEL demeti tarafından üretilen çok kısa pulslarıölçmek ve pulssürekliliğini tayin etmek için bir autocorrelatorsistemine ihtiyaçvardır. SHG kristal olarak, geniş bir dalgaboyu aralığında çalışılabilme imkanı sağlayan CdTekristali kullanılabilir.