FOTONİK 2021

FOTONİK 2021

22. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı

Online

10 Eylül 2021

FOTONİK 2021 | 22. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı

i

İÇİNDEKİLER Amaç.....................................................................................................................................ii Organizasyon.........................................................................................................................iii Bilimsel Program...................................................................................................................iv Davetli Konuşmacı Bildirileri Listesi....................................................................................v Poster Bildirileri Listesi.........................................................................................................vi Davetli Konuşmacı Bildiri Özetleri........................................................................................1 Poster Bildiri Özetleri.............................................................................................................10


ii

AMAÇ Bu toplantı, ulusal boyutta optik, elektro-optik ve fotonik konularına yönelik yıllık tek bilimsel toplantı serisi olan Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştaylarının 22.’sini oluşturmaktadır. Optik, elektro-optik ve fotonik alanlarının yüksek teknoloji dahilinde ekonomik katkısı büyük, savunma ve sağlık gibi stratejik sanayilerde uygulamaları geniştir. Bu nedenlerden dolayı, bu konularda ulusal düzeyde gelişmemizle birlikte bulunduğumuz düzeyin bilinmesi ve ilerletilmesi önemlidir.

Bu toplantıda, ülke çapında optik, elektro-optik ve fotonik konularında akademide ve endüstride araştırma ve geliştirme çalışması yapan gruplar (bilim insanları, yöneticiler, mühendisler, lisansüstü öğrencileri vs.) bir araya gelecek ve çalışmalarını birbirlerine sunup, tanışma, görüşme ve tartışma olanağı bulacaklardır. Bu, gruplar arası ortak çalışmaların başlatılmasına, karşılıklı destek ve fikir alışverişinde bulunulmasına ve ortak proje başvuruları (örneğin, Avrupa Birliği Çerçeve Programları) için çalışmalar yapılmasına ön ayak olacaktır.

Bu şekilde, bu toplantının optik, elektro-optik ve fotonik konularında ülkemizin bilim ve teknoloji çalışmalarına yarar ve katkı sağlaması beklenmektedir. Toplantı Konuları

✴ Fotoalgılayıcılar ✴ Elektro-Optik Malzeme ve Cihazlar ✴ Lazerler ✴ Doğrusal Olmayan Optik Aygıtlar ✴ Tümleşik Optik ✴ Optik Lifler ✴ Modelleme ve Simülasyon Yöntemleri ✴ Ölçüm ve Değerlendirme Teknikleri ✴ Kuantum Optiği ✴ Nanofotonik Aygıtlar ve Sistemler


iii

ORGANİZASYON

Alpan Bek, ODTÜ Alper Kiraz, Koç Üniversitesi

Alphan Sennaroğlu, Koç Üniversitesi Arda Deniz Yalçınkaya, Boğaziçi Üniversitesi

Arif Engin Çetin, İzmir Biyotıp ve Genom Merkezi Kubilay Pakin, ASELSAN

Ekmel Özbay, Bilkent Üniversitesi Gül Yağlıoğlu, Ankara Üniversitesi

Onur Ferhanoğlu, İstanbul Teknik Üniversitesi Kürşat Şendur, Sabancı Üniversitesi


iv

BİLİMSEL PROGRAM

09:45-10:00 Açılış Konuşmaları

1. SEANS KONUŞMALARI

10:00-10:30 10:30-11:00 11:00-11:30 11:30-12:00

Raşit Turan, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Aydın Yeniay, TÜBİTAK BİLGEM Evren Mutlugün, Abdullah Gül Üniversitesi Erdinç Tatar, Bilkent Üniversitesi

12:00-13:00 Öğle Arası

13:00-14:45 Bildiri Sunumları

14:45-15:00 Ara

2. SEANS KONUŞMALARI

15:00-15:30 15:30-16:00 16:00-17:00

Çağlar Ataman, IMTEK_Freiburg Pınar Mengüç, Özyeğin Üniversitesi Selim Ünlü, Boston Üniversitesi

17:00 Kapanış


v

DAVETLİ KONUŞMACI BİLDİRİLERİ LİSTESİ

Sayfa No Başlık

Ana (Plenary) Konuşmacı Selim Ünlü (Boston Üniversitesi)

2 Interferometric Reflectance Microscopy for Physical and Chemical Characterization of Biological Nanoparticles Selim Ünlü Boston Üniversitesi

3 Mikroskopi Uygulamaları İçin Yeni Nesil Saydam Uyarlamalı Optik Sistemleri Çağlar Ataman IMTEK-Freiburg

4 Yakın-Alan Işınımla Isı Transferi Pınar Mengüç Özyeğin Üniversitesi

5 Nanocrystal Based Colloidal Optoelectronics Evren Mutlugün Abdullah Gül Üniversitesi

6 MEMS Sensör Kayması İçin Çözüm Önerileri Erdinç Tatar Bilkent Üniversitesi

7 Bir Başarı Öyküsü Olarak Kristal Si Güneş Hücre Teknolojileri Raşit Turan Orta Doğu Teknik Üniversitesi

8 Yüksek Güçlü Fiber Lazerler ve Yönlendirilmiş Enerji Uygulamaları Aydın Yeniay TÜBİTAK BİLGEM


vi

POSTER BİLDİRİLERİ LİSTESİ Poster Sayfa No Poster Başlığı ve Yazarlar

P-1 10 Analysis of Short Pulse Generation from Excited State of InAs-InP (113) B Quantum Dot Laser Based on Multipopulation Rate Equation Hilal Sultan Duranoglu Tunc*, Nuran Dogru, Erkan Cengiz

P-2 11 GaN HEMT Aygıtlarda Çift Katmanlı Si3N4 Dielektrik Tabakasının Elektriksel ve Mekanik Özellikleri Yıldırım DURMUŞ, Doğan YILMAZ, Ceren TAYRAN, Ekmel ÖZBAY

P-3 12 A Novel Graphene-Based Metasurface Absorber for the Active and Broadband Manipulation of Terahertz Radiation Ekin Bircan Boşdurmaz, Hodjat Hajian, Veysel Erçağlar and Ekmel Özbay

P-4 13 XRD Size Distribution of Iron Oxide Nanocrytallites Synthesized by a Biopolymer Method Omar Amer Abulkareem, Hakan Kaygusuz

P-5 14 High Peak Power Nanosecond Er/Yb Laser at a Low Repetition Rate S. Pavlova, E. Yagci, K. Eken, E. Altay and I. Pavlov

P-6 15 Mid-Infrared Adaptive Thermal Camouflage Using a Phase-Change Material Coupled Dielectric Nanoantenna Ebru Buhara, Amir Ghobadi, Bahram Khalichi, Hasan Kocer, Ekmel Ozbay

P-7 16 Lifetime Enhancement of Nonlinear Ultra-Fast Plasmon Resonances Hira Asif

P-8 17 34-fs, All-Fiber Polarization-Maintaining Single-Mode Er-Doped Laser S. Pavlova, E. Yagci, K. Eken, E. Altay and I. Pavlov

P-9 18 Multi Mode Pompa Lazer Diyot Sürücü Kartı Oğuzhan Keleş, H. Ahmet Boyraz, Erşan Tunçkol, M. Emre Yağcı, Koray Eken

P-10 19 Nanosaniye Atımlı Lazer Sistemi Kontol Kartı Oğuzhan Keleş, H. Ahmet Boyraz, Erşan Tunçkol, M. Emre Yağcı, Koray Eken

P-11 20 Narrow-Band and High-Contrast Asymmetric Transmission of Linearly Polarized Waves Bahram Khalichi, Amir Ghobadi, Ataollah Kalantari Osgouei and Ekmel Ozbay

P-12 21 Kızılötesi Bantta Çalışan Alın Termometreleri İçin Termal Işınım Kaynakları Mehtap CAN, Yasin KİŞİOĞLU, Humbat NASİBOV

P-13 22 Optik Yüzeylerin İki Boyutlu Soğurma Değerlerinin Fototermal Metot ile Belirlenmesi Pervin TÜZÜN, Fikret YILDIZ, Semih YURTSEVEN, Humbat NASİBOV

P-14 23 Temassız İnsan Vücudu Sıcaklık Ölçümlerinde Termal Kamera Görüntülerinin Derin Öğrenme Metotları ile İncelenmesi Ayşen Özün TÜRKÇETİN, Mustafa Onurcan ŞAHAN, Humbat NASİBOV

P-15 24 High-Performance Spectrally Selective Absorber Using Rough Tungsten Niloufar Pirouzfam, Kursat Sendur


vii

Poster Sayfa No Poster Başlığı ve Yazarlar

P-16 25 Efficiency Limit of All-Perovskite Structures Selçuk Yerci, Mehmet Koç, Zeynepnur Şahinel

P-17 26 Optical Design Guidelines for All-Perovskite Tandem Solar Cells in a Material Independent Approach Mehmet Koç, Mohsen Ameri, Selçuk Yerci

P-18 27 Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Substrate Fabrication Using Laser-Assisted Wet Etching of Crystalline Silicon Alp Akbıyık, Nardin Avishan, Emre Yüce, Alpan Bek

P-19 28 Wavelength Normalization in Neural Networks enabled Forward and Inverse Design of Metasurfaces İbrahim Tanrıöver and Koray Aydın

P-20 29 Deep Learning-Based Resolution Improvement Study Using Line-Scanning Confocal Microscopy for Skin Cancer Cells Monitoring Amir Mohammad Ketabchi, Berna Morova, Alper Kiraz

P-21 30 Katkılı ve Katkısız VOx Filmlerin Terahertz Mikrobolometre Uygulamaları için İncelenmesi Bahar Atik, Emrah Dirican, Oytun Demirörs, Hakan Altan, Okan Esentürk, Mustafa Yıldırım, and Tayfun Akın

P-22 31 Nanosecond Laser Tellurium Hyperdoped Black Silicon Produced by Metal Assisted Chemical Etching S. N. Erkızan, C. Korkut, N. Avishan, K. Shehzad,, A. Bek

P-23 32 Oblique-Angle Deposition of Silver Film Over Shape-Modified Nanosphere for SERS Substrates Nasim Seyedpour Esmaeilzad, Özge Demirtaş, Ahmet Kemal Demir and Alpan Bek

P-24 33 Tm:LuAG Lazerinin Kendiliğinden-Q-Anahtarlamalı ve Üç Renkli Rejimleri Fatma Kaya, Hatice Bilici, Ersen Beyatlı

P-25 34 Dual-Band Hybrid ITO-Au Metamaterial Light Absorber in the Visible and Near-Infrared Ranges Ataollah Kalantari Osgouei, Amir Ghobadi, Bahram Khalichi and Ekmel Ozbay

P-26 35 Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Biosensor for SARS-CoV-2 Detection Buse Bilgin, Hülya Torun, Müslüm İlgü, Cenk Yanık, Şükrü Numan Batur, Süleyman Çelik, Meriç Öztürk, Özlem Doğan, Önder Ergönül, İhsan Solaroğlu, Füsun Can, Mehmet Cengiz Onbaşlı

P-27 36 Terahertz Altı Frekans Bölgesi İçin Mikrobolometre Pikselinin Optimizasyonu Oytun Demirörs, Bahar Atik, Emrah Dirican, Hakan Altan, Okan Esentürk, Mustafa Yıldırım, Tayfun Akın

P-28 37 Yüksek Hızlı Görünür Işık Haberleşmesi İçin CMOS Tabanlı Monolitik Alıcı Tümdevresi R. Kısacık, Y. Yağan, M. Uysal, T. Baykaş, G. Dündar, A. E. Pusane, A. D. Yalçınkaya

P-29 38 Topology Optimization with Adjoint Method for Broadband Thermal Emission Muhammed Ali Kecebas, Kursat Sendur

P-30 39 Titreme Engelleyici Sayısal Kodlanmış Ön-Eşlemeli Görünür Işık Haberleşme Sistemi Rifat Kısacık, Yaser Yağan, Murat Uysal, Ali E. Pusane, Arda D. Yalçınkaya


viii


P-31 40 Düzensiz Fe60Al40 İnce Filminde Lazer Şiddeti ile Tek Basamaklı Demanyetizasyon Dinamiğinden, İki Basamaklı Dinamiğe Geçiş M. Arslan, C. Beşe, Z. Tabak, T. Bozdağ, E. Duman, G. Yağlıoğlu

P-32 41 Mikroküreler Kullanılarak Femtosaniye Lazer ile Silisyum Yüzeyin Mikron Altı Seviyesinde Periyodik Olarak İşlenmesi Fırat İdikut, Burcu Karagöz, Alpan Bek

P-33 42 Fourier Domain Distributed Strain Sensing with Dual Pulse Probe Muhammed Kaan Yıldız, Faruk Uyar, Tolga Kartaloğlu, Ekmel Özbay, İbrahimÖzdür

P-34 43 High Aspect Ratio Micro-Hole Drilling with Controlled Diameters on Si by Using Subsurface Laser Processing and Selective Chemical Etching Mona Zolfaghari Borra, Behrad Radfar, Hisham Nasser, Rasit Turan, Ihor Pavlov, and Alpan Bek

P-35 44 TEC Kontrol Kartı Oğuzhan Keleş, H. Ahmet Boyraz, Erşan Tunçkol, M. Emre Yağcı, Koray Eken

P-36 45 ZEMAX Yazılımı Kullanılarak Retina Üzerine Düşen Küresel Sapmayı (SA)’yı Minimum Yapacak Monofokal İntraokular Lensin Arka Yüzeyine Ait Asferik Katsayıların Belirlenmesi Taner KARATEKE

P-37 46 The Structural and Optical Characterization of ZnSe Thin Films by RF Magnetron Co-Sputtering E. Balcı, T. Ataşer, S. Sağlam, S. Özçelik

P-38 47 Genetiği Değiştirilmiş Bakteri Odaklı Çoklu İletişim Sistemleri Ozan Furkan Sezgen, Oguz Kaan Erden, Omer Altan, Ahmet Bilir, Merve Görkem Durmaz, Nedim Hacıosmanoglu, Berk Camli, Zeliha Cansu Canbek Ozdil, Ali E. Pusane, Arda Deniz Yalcinkaya, Urartu Ozgur Safak Seker, Tuna Tugcu and Sema Dumanli

P-39 48 Gerçek Zamanlı Girişimsel Operasyon İzleme için MRI Uyumlu Fiber Optik Çoklu Sensör Platformu Oguz Kaan Erden, Parviz Zolfaghari, Onur Ferhanoğlu, Murat Tümer ve Arda Deniz Yalcinkaya

P-40 49 Temassız Algılama Uygulamaları için Mikrodalga Mikroakışkan Cihazların Hızlı Prototiplenmesi Oguz Kaan Erden, Ozan Furkan Sezgen, Berk Camli, Zeliha Cansu Canbek Ozdil, Sema Dumanlı, Ali Emre Pusane, Tuna Tugcu ve Arda Deniz Yalcinkaya

P-41 50 Selective Stimulation of Rat Vagus Nerve Using a 1505-nm Diode Laser Source Ozan Yetis, Ozge Guner, Ibrahim Akkaya, M. Ensari Guneli, Serhat Tozburun

P-42 51 Pulsed Infrared Laser Crystallization of Amorphous Germanium Thin-Films Ceren Korkut, Kamil Çınar, İsmail Kabaçelik, Raşit Turan, Mustafa Kulakcı and Alpan Bek

P-43 52 Comparison on Laser Crystallization of Si ve Ge Thin-Films Ceren Korkut, Kamil Çınar, Alpan Bek

P-44 53 Automatic Heartbeat Detection Using Optimized Pattern Matching in Zebrafish Model Hanife GÖKKAN, Ozan GÖKKAN and Serhat TOZBURUN


ix


P-45 54 Long-Range Distributed Acoustic Sensor Based on 3x3 Coupler Michelson Interferometer Volkan Türker, Faruk Uyar, Tolga Kartaloğlu, Ekmel Özbay, İbrahim Özdür

P-46 55 Silicon Surface Texturing by Photoelectrochemical Etching Method for Graphene/Silicon Schottky Diode Applications Nardin Avishan, Alp Akbiyik, Khurram Shehzad, Emre Yuce, Alpan Bek

P-47 56 TERS Tabanlı Molekül Tespiti için Fs Lazer ile AFM Problarının Şekillendirilmesi ve Optimizasyonu Özge Demirtaş, Furkan Aykut Sarıkamış, Ahmet Oral, Alpan Bek

P-48 57 Optimization of Morpho Butterfly Inspired Broadband Reflectors Amin Balazadeh Koucheh, Muhammed Ali Kecebas, Kursat Sendur

P-49 58 Quantitative Phase Imaging Method With Random Phase Shifting Alperen Saltık, Onur Tokel

P-50 59 Total Internal Reflection Holographic Microscopy for Interfacial Imaging Tolga Gürcan, Muhammed Fatih Toy

P-51 60 Design and Numerical Analysis of Tapered Fiber RI Sensor Rana M. Armaghan Ayaz, Amin Balazadeh Koucheh, Kursat Sendur

P-52 61 Reduction of Parasitic Absorption in The Rear Side Metal Reflector of Solar Cells by Organically Modified Silica Aerogels Damla KOCAK, Deniz TURKAY, Konstantin TSOI, Mehmet KOC, Ergi DONERCARK, Rasit TURAN, Hulya OZGUR, Selcuk YERCI

P-53 62 High Performance Navigation Grade IFOG with a Sensing Coil with Reduced Mechanical Stress Aylin Yertutanol, Tuğba Andaç, Serdar Öğüt,, Ekmel Özbay and Abdullah Ceylan

P-54 63 An Image Analysis Protocol for the Assesment of Photothermal Mucosal Coagulation Merve TURKER BURHAN, Serhat TOZBURUN

P-55 64 Multifuntional Beamsplitter Metasuface Veysel Erçağlar, Hodjat Hajian, Andriy E. Serebryannikov, Ekmel Özbay

P-56 65 Fiber Bragg Izgara Sensörlerin Optik Haberleşme ve Mikrodalga Haberleşmesindeki Performans Analizi Ömer Özgün, N. Özlem Ünverdi


1

DAVETLİ KONUŞMACI BİLDİRİ ÖZETLERİ


2

Interferometric Reflectance Microscopy for Physical and Chemical Characterization of Biological Nanoparticles

M. Selim Ünlü

Department of Electrical and Computer Engineering, Boston University, Boston, MA 02215, USA [email protected]

Biological nanoparticles (BNP) such as viruses and exosomes are important disease biomarkers. Accurate morphological visualization and chemical characterization of BNPs by label-free (direct) optical microscopy have significant value in providing insights into their distribution, circulation, and clearance in vivo. There are three significant challenges for label-free microscopy to overcome: (i) the weak contrast due to low refractive index and exceptionally small size, (ii) the insufficient spatial resolution to characterize nanoscale features, and (iii) the inability to differentiate chemical signatures. Over the last decade, interferometric scattering microscopy have been developed to overcome weak signal limitations enabling direct detection of low-index BNPs. For example, our group developed Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS), a multifunctional platform for quantitative, label-free and dynamic detection [1]. In high-magnification modality, Single-Particle Interferometric Reflectance (SPIR) microscopy has the ability to detect and characterize individual biological nanoparticles. We have demonstrated label-free detection of various viruses in multiplexed format in complex samples in a disposable cartridge [2] and robust universal DNA chips [3] as well as detection of exosomes [4]. We combined wide-field SPIR microscopy with computational imaging to demonstrate a two-fold resolution improvement [5]. With computational asymmetric illumination SPIR, or caSPIR, we clearly resolve ~150 nm weakly-scattering features in visible light (420 nm) over a wide field-of-view of >100micron, enabling sub-wavelength imaging of more than 104 nanoparticles at once. [5]. Recently, we have developed bond-selective interferometric microscopy to enable multispectral chemical imaging of sub-wavelength nanoparticles in the vibrational fingerprint region. We demonstrated chemically specific detection of sub-wavelength polymer beads and biological applications microorganisms (fungus and bacteria). [6] Using a confocal interferometric mid-infrared photothermal (MIP) microscope configuration, we achieved chemical imaging of individual viruses by detecting very weak photothermal signal induced by infrared absorption of chemical bonds. Spectroscopic MIP detection of single vesicular stomatitis viruses (VSVs) and poxviruses is demonstrated. [7] In summary, we have advanced common-path interferometric microscopy field to achieve high-resolution and accurate visualization and chemical characterization of a broad size range of individual biological nanoparticles with high sensitivity

Figure 1: (a) Conventional (left) and computational (right) SPIR images. (b) Electron microscopy and caSPIR image of

a Virus like Particle (EbolaVLP) References [1] O. Avci, N. Lortlar Ünlü, A. Yalcin, and M. S. Ünlü, "Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)—A Platform Technology for Multiplexed Diagnostics and Digital Detection," Sensors, 15 (7), (2015) [2] S. M. Scherr, et al. "Disposable cartridge platform for rapid detection of viral hemorrhagic fever viruses," Lab Chip, 17 (5), (2017) [3] E Seymour, NL Unlu, EP Carter, JH Connor, MS Ünlü, “Configurable Digital Virus Counter on Robust Universal DNA Chips,” ACS sensors 6 (1), 229-237, (2021) [4] G. G. Daaboul, et al. "Digital Detection of Exosomes by Interferometric Imaging," Nature Scientific Reports, 6, 37246, (2016) [5] C. Yurdakul, et al. “High-Throughput, High-Resolution Interferometric Light Microscopy of Biological Nanoparticles,” ACS Nano 14 (2), 2002-2013 (2020) [6] C Yurdakul, H Zong, Y Bai, JX Cheng, MS Ünlü, “Bond-selective interferometric scattering microscopy,” J. Phys. D: Appl. Phys. 54 364002, (2021) [7] Y. Zhang, C Yurdakul et al. “Vibrational Spectroscopic Detection of a Single Virus by Mid-Infrared Photothermal Microscopy,” Anal. Chem. 2021, 93, 8, 4100–4107, (2021)

mailto:[email protected]


3

Mikroskopi Uygulamaları İçin Yeni Nesil Saydam Uyarlamalı Optik Sistemleri

Çağlar Ataman IMTEK-Freiburg

Özet Biyolojik numuneleri görüntülerken bir mikroskopun optik performansını etkileyen iki ana sapma (aberration) kaynağı vardır. Numune ile objektif arasındaki katmanların kırılma indislerinin uyumsuzluğu, ve numunenin şekil ve/veya kırılma indisindeki olası düzensizlikler alınan görüntülerin çözünürlük ve kontrastında ciddi bozulmalara yol açabilmektedir. Bu sorun özellikle nörobiyoloji, embriyoloji ve gelişimsel biyoloji gibi uygulamalar için önemli bir araç olan derin-doku görüntüleme yöntemlerinde daha da belirgin olabilmektedir. Uyarlamalı optik (adaptive optics), ilk olarak hava akımlarının karasal teleskopların görüntü kalitesi üzerindeki bozucu etkilerini telafi etmek amacıyla geliştirilmiş bir yöntem olup, bahsedilen iki sapma tipini düzeltmek amacıyla farklı mikroskopi sistemleri için de kullanılabilir. Son yirmi yıl hem temel teknoloji geliştirme hem de uygulamalar açısından çok zengin bir uyarlamalı optik mikroskopisi literatürünün oluşumuna tanık olmuştur. Araştırmalar bu yöntemin hemodak, çoklu-foton, STED ve STORM gibi birçok farklı mikroskopi türü için önemli ölçüde faydalı olduğunu göstermiştir. Ancak geleneksel uyarlamalı optik sistemlerinin karmaşık yapıları bu tekniğin yaygınlaşmasına engel olmaktadır. Bu bildiride geliştirdiğimiz şeffaf bir dalga cephesi kipleyicisi (wavefront modulator) ve algoritmik bir dalga cephesi tahmin tekniğini birleştiren yeni nesil bir uyarlamalı optik sistemini sunacağım. Geleneksel alternatiflerinin aksine uyarlanabilir ayna ve dalga cephesi algıcı içermeyen bu sistem, tamamen saydam bir yapıya sahip olup, doğrudan mikroskop objektifine entegre edilebilecek ölçüde minyatürleştirilebilir. Bildiri sistemin bileşenlerinin geliştirilmesine dair ayrıntılara ek olarak farklı mikroskop sistemleri bünyesindeki performasına dair deneysel sonuçlar da sunacaktır. Geliştirilen yeni uyarlamalı optik sisteminin asli unsuru olan kipleyici, bir tarafında iletken kaplı esnek bir polimer film, diğer tarafında ise üzerinde elektrot dizini taşıyan cam bir alttaş bulunan bir hazneden oluşmaktadır. Hazne ise yüksek kırılma indisine sahip sıkıştırılamaz bir optik sıvı ile doludur. Cihaz üretimi mikro işleme yoluyla yapımaktadır. Optik açıklığı kaplayan iki boyutlu elektrostatik eyleyici dizinine (actuator array) uygulanan voltaj dağılımı yoluyla polimer film alttaşa doğru lokal olarak bükülerek film yüzeyi istenildiği gibi şekillendirilebilir. Bu sayede kipleyiciden kırılan bozulmuş faz cephesi düzeltilerek görüntü kalitesindeki kayıplar önlenebilir. Elektrostatik eyleyiciler sadece tek yönlü bir kuvvet sağlasa da, optik sıvının sıkıştırılamaz olması çift yönlü (itme/çekme) işlem için kullanılabilen hidro-mekanik kuplaj ile sonuçlanır. Cihazın yüzey kontrolü ise gerçek-zamanlı çalışan bir optimizasyon algoritması yoluyla yapılmaktadır. Bu sayede kipleyici 27. Zernike moduna kadar olan dalga cephesi hatalarını yüksek hassasiyetle düzeltebilmektedir. Bu yüksek dereceli düzeltme yeteneği geliştirilen sistemi mikroskopiye ek olarak oftalmoloji, lazer malzeme işleme ve serbest-uzay optik ileşitimi gibi uygulamalar için de uygun kılmaktadır.


4

Yakın-Alan Işınımla Isı Transferi

M. Pınar Mengüç Özyeğin Üniversitesi

Enerji, Çevre ve Ekonomi Merkezi İstanbul

Özet‘Nano’ milyarda bir demektir. Bir nanometre de metre’nin milyarda birine, milimetre’nin milyonda birine denk gelir. İki ya da üç atom boyutu olarak hayal edebileceğimiz bu kadar küçük bir alanda fizik kuralları farklıdır. Nerdeyse atom-boyutuna denk gelen, ama quantum fiziği üstünde bir süremde yer alan nano-boyuttan başlayarak, yeni malzemeleri ve sistemleri bizim istediğimiz şekilde tasarlamak ve onların fiziksel ve fonksiyonel özelliklerini değiştirmek ancak son altmış yılda kavramlaştırılmış ve son çeyrek-asır’da mümkün olmuştur. Nano-boyutta bilimin gelişmesi ve gerekli mühendislik kavramlarını oluşturulması, şu anda içinde olduğumuz malzeme ve tasarım ilişkilerinin aynı anda düşünüldüğü devrimi başlatmış bulunmaktadır. Nano-boyut bilim ve mühendislik üzerinde yapılmakta olan çalışmaların başında enerji transferi kavramları ve uygulamaları gelmektedir. Eğer iki obje ya da iki yüzey birbirlerine çok yakınsalar, ışınımla ısı transferi belli dalga boylarında Planck kanunu ile belirlenen değerin çok üstünde yer alabilir. Bunun için gerekli yakınlık, Wien dalga boyu ile karşılaştırılarak bulunur. Bu boyutta kullanılan ölçme teknikleri, plazmonik ve fononik kavramlar, nano-boşluklar ve nano-boyut parçacıklar yardımıyla katlanarak artırılan ışınımla ısı transferi temellerinin hesaplanması bu boyuttaki fiziğin tekrar ele alınması ile mümkündür. Bu değişimin başında da Maxwell denklemlerinin ‘fluctuation electrodynamics’ denklemleriyle birleştirilmesi ve sonrasında uygun hesaplama yöntemlerinin kullanılmasını gerektir. Bu sunumda, bu kavramları kullanarak geliştirilen ‘yakın-alan ışınımla ısı transferi’ hesaplama ve deney yöntemleri ve bu çalışmaların uygulama alanları anlatılacaktır. Bu çalışmalar sayesinde beliren yeni araştırma alanları, yeni ölçme/biçme kavramları ve gelecekteki olası biomimetik araştırmalar özetlenecektir


5

Nanocrystal Based Colloidal Optoelectronics

Evren Mutlugün Electrical-Electronics Engineering, Abdullah Gül University, Kayseri/Turkey

[email protected] Abstract Colloidal nanocrystals are novel materials for the next generation optoelectronic devices. They offer exotic properties which are not possible using their bulk counterparts. Their high photoluminescence quantum yield, narrow spectral emission, and high extinction coefficient make them important building blocks for the colloidal optoelectronics. Amongst the important areas the nanocrystals utilized for are the solid state lighting, displays, solar energy and colloidal lasing applications. Based on their potential for energy harvesting, the market based on nano-emitters is projected to exceed 10 billion USD globally along with compound annual growth rate over 30%. This talk will focus on our research efforts on the synthesis of colloidal nanocrystals, namely environment friendly quantum dots [1], perovskites [2], nanoplatelets, and their integration into solid state platforms. Recent results based on photoluminescence energy down-conversion as well as electroluminescence, and colloidal lasing [3, 4] will be outlined. Keywords: quantum dots, nanoplatelets, photoluminescence, electroluminescence Acknowledgements EM acknowledges support from TUBITAK Project no’s: 117E239, 20AG026 and TUBA GEBIP. References [1] Journal of Physical Chemistry, 120,14, 7885-7892 (2016). [2] ACS Applied Nano Materials 2, 3, 1185-1193 (2019). [3] Small, 15, 8, 1804854 (2019). [4] Advanced Materials, 32, 1905824 (2020).


6

MEMS Sensör Kayması İçin Çözüm Önerileri

Erdinç Tatar Bilkent Üniversitesi

Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü ve UNAM, Ankara/Türkiye Genel olarak bütün sensörler kayma (drift) sorunu ile karşılaşmaktadır ve kayma sensörlerin uzun dönem performansını sınırlayan en önemli etkenlerdendir. Kayma, sensörün algılaması gereken herhangi bir uyaran olmadığı halde çıkışının uyaran varmış gibi değişmesi olarak tanımlanabilir. Çevresel stres ve sıcaklık değişimlerinin sensör kaymasının temel sebepleri olduğuna dair ortak bir düşünce vardır. Sıcaklık konusunda literatürde kapsamlı çalışmalar yapılmıştır ve belli oranlarda sensör kayması baskılanmıştır. Fakat sensör fırınlama (ovenization) yöntemiyle sabit bir sıcaklıkta tutulsa dahi kayma tamamıyla giderilememiştir. Bu konuşmada literatürde yaygın olan sıcaklık–sensör kayması ilişkisinin aksine stres–sensör kayması ilişkisi üzerine yoğunlaşacağım. Öncelikle doktora çalışması kapsamında MEMS dönü ölçer (gyroscope) ve stres sensörlerini aynı yonga üzerinde birleştirdiğim ve başarılı bir şekilde dönü ölçer uzun dönem kaymasını giderdiğim çalışmalardan bahsedeceğim. Sonrasında, stres kompanzasyonu ümit verici sonuçlar sunduğu için Bilkent Üniversitesi’nde şu sıralar üzerinde çalıştığımız halka dönü ölçer ve stres sensör entegrasyonu projesini anlatacağım. Halka şeklindeki bir dönü ölçer merkezde bir çapa ve etrafını saran elektriksel elektrotlardan oluşmaktadır. Boşluklu yapısı neticesinde stres sensörleri ve dönü ölçer tam anlamıyla iç içe entegre edilebilmektedir. Sıkı entegrasyonun bir sonucu olarak daha kuvvetli bir stres – dönü ölçer çıkışı korelasyonu beklenmektedir.


7

Bir Başarı Öyküsü Olarak Kristal Si Güneş Hücre Teknolojileri Yeni Gelişmeler, Geleceğe Bakış ve ODTÜ-GÜNAM’ın Rolü

Raşit Turan

Orta Doğu Teknik Üniversitesi Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezi (ODTÜ-GÜNAM), Dumlupınar Bulvarı no:1,

06800, Çankaya-Ankara

Son yıllarda üretim maliyetlerinde meydana gelen düşüşler ve teknolojik gelişmeler sayesinde, güneş enerjisinden elde edilen enerjinin maliyeti diğer tüm enerji kaynaklarından altına inmiştir. Bu nedenle tüm dünyada ve Türkiye’de güneş enerjisine olan ilgi artmış ve bu alandaki üretim ve uygulamaların toplam pazar hacmi 100 Milyar ABD dolarını aşmıştır. Bu gelişmelerin bir sonucu olarak, özellikle güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemler global bir enerji seçeneği haline gelmiştir. Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik güneş hücreler, genellikle yarıiletken malzemeler (k-Si, a-Si, CdTe, CIGS, GaAs) kullanılarak üretilir. Dolaylı (indirect) bant yapısı nedeni ile optoelektronik özellikleri zayıf olsa da, Si birçok üstün özelliği ve üst seviyede gelişmişlik düzeyi nedeni ile diğer tüm rakiplerinin önüne geçerek, mikro-elektroniğin olduğu gibi, fotovoltaik endüstrisinin de ana malzemesi olmuş ve pazar payını %95’in üzerine çıkartmıştır. İlk defa 1954 yılında keşfedilen ve üretilen k-Si güneş hücreleri, %6 verim değerinden laboratuvar ölçeğinde %26’ya, endüstriyel üretimde ise %22 verim değerlerine ulaşılmıştır. Yeni malzemelerin geliştirilmesi, mevcut üretim tekniğindeki iyileştirmeler, yani aygıt mimarilerinin uygulanması ve üretim artışındaki büyük artışlar, hücre maliyetinin olağan üstü oranda düşmesini sağlamıştır. K-Si hücre teknolojileri farklı malzemelerin ve tasarımların devreye girmesi ile çeşitlenmiş ve farklılaşmıştır. Ön yüzeyde, n+-p ekleminin olduğu, arka yüzeyde p+-Al ekleminin olduğu standart (Al-BSF) hücre türü artık günümüzde terkedilerek, arka tarafta Al2O3/Si3N4 katmanlarının uygulandığı PERC (Passivated Emitter Rear Contact) türü hücreler endüstride ana teknoloji haline gelmiştir. Ayrıca SHJ (Hetero Junction Si), TopCON (Tunnel Oxide Passivated Contact), IBC (Interdigitated Back Contact) hücre teknolojileri PERC türünün ulaşabildiği verim değerlerini daha yukarı düzeylere çıkartma potansiyeli sergilemektedir. Tüm bu hücre mimarilerinde hem ön yüzeyde, hem de arka yüzeyde ışık yönetimi, verim artışında büyük bir önem taşımaktadır. Ön yüzeyde, mikro ve nano düzeyde yapılanmalar, arka yüzeyde ise, parazitik soğurmayı önleyici malzeme ve yapıların kullanılması, Si hücrelerin daha fazla ışığı soğurarak enerji üretmesini, sağlamıştır. ODTÜ-GÜNAM dünyada ve Türkiye’de meydana gelen gelişmelere koşut olarak 2009 yılında kurulmuş ve 2021 yılı başında, 6550 sayılı yasa kapsamına geçerek bağımsız bir araştırma altyapısı haline gelmiştir. Başta yukarda belirtilen kristal Si fotovoltak teknolojiler olmak üzere, güneş enerjisi dönüşüm teknolojileri ve uygulamaları alanında Türkiye’nin olduğu kadar, bölgemizin de en önemli merkezi haline gelmiştir. Bu konuşmada fotovoltaik güneş enerjisi teknolojilerinin gelişimi, bugün ulaştığı ve gelecekte ulaşması beklenen düzey sunulacaktır. Özellikle optik-fotonik uygulamaların önemi örneklerle vurgulanacaktır. Bu teknolojiler hakkında ODTÜ-GÜNAM da yapılan çalışmaların ve bu çalışmaların sonuçları özetlenecektir.


8

Yüksek Güçlü Fiber Lazerler ve Yönlendirilmiş Enerji Uygulamaları

Aydın Yeniay TÜBİTAK-BİLGEM

Abstract Yüksek güçlü fiber tabanlı lazer ve yükselticilerin ana mimari tasarımları ve yönlendirilmiş enerji uygulamalarında performans kriterleri (çıkış gücü, hüzme kalitesi M2 vb.) incelenerek güncel teknolojik seviyeler özetle sunulacaktır. Ayrıca, yönlendirilmiş enerji uygulamalarında lazer kaynaklarından başlayıp hedefe kadar giden optik yolda lazer ışınının maruz kaldığı etkileşimler (lazer kaynaklı optik deformasyon, difraksiyon, opto-mekanik jitter, atmosfer vb.) ve sistem performansına etkileri özetle sunulacaktır.


9

POSTER BİLDİRİ ÖZETLERİ


10

Analysis of Short Pulse Generation from Excited State of InAs-InP (113) B Quantum Dot Laser Based on Multipopulation Rate Equation

Hilal Sultan Duranoglu Tunc*, Nuran Dogru, Erkan Cengiz

Gaziantep University /Turkey E-mail: [email protected]

Abstract Since, in the applications such as biomedical technology and optical communication, 1.55µm laser emission is a prominent demand, InAs-InP(113)B Quantum dot (Qd) laser is the most suitable choice with its emission wavelength of 1.55µm [1]. Although many theoretical and experimental studies have been conducted on InAs-InP(113)B lasers [2] considering homogeneous and inhomogeneos broadenings no detailed study has been performed to generate short pulses from these lasers by the gain-switching method with the consideration of homogeneous and inhomogeneous broadenings. Therefore, in this study, to obtain a short pulse with gain-switching method a Gaussian optical beam with a width of 10ps was applied to the excited state (ES) of Qd laser for the first time. Our results showed that gain-switched pulses having a width of 23-27 ps with a high peak power were generated from ES lasing. The model used in this study is compatible with the model described in [2], except for the application of external optical beam. Examinations were done for direct relaxation channel model, including 5 modes. Qd ensemble is divided into 2N+1 (N=2 for 5 modes) groups to take into consideration of inhomogeneous broadening of the optical gain and to describe the interaction between Qds with different resonant energies. Inhomogeneous and homogeneous broadening values were assigned as 45meV and 15meV, respectively. Multipopulation rate equations were solved by using Runge Kutta method in Matlab environment. Output power is considered as the sum of ES and GS output powers. When the injection peak current value is varied between 35mA and 300mA under the optical beam irradiation, it can be observed in Fig.1 that the width of pulses (FWHM) changes between 23 and 43ps and the peak output power is between 250 and 1450mW. The obtained results show that the pulses which were produced without the external optical beam, originate from GS if the injection current is low (35mA), and if the injection is high (beyond threshold current of ES, i.e 100mA), the generated pulses originate from GS and ES, as can be seen in Fig.2. Output pulses which originate from GS photons have wider FWHM while ES lasing provides shorter pulses. By the help of application of a Gaussian optical beam to the ES of the Qd laser we could make ES lasing dominant and obtain shorter pulses with a higher peak power. In conclusion short pulses with a width of 23- 27ps and output peak power of 278-573mW can be obtained from ES of Qd laser at low injection currents by applying an appropriate optical beam to ES of Qd laser. The obtained results are especially promising for areas where cost effectiveness and low data loss are important such as long-distance transmission.

Keywords: Gain-switching, semiconductor laser, quantum Dot Laser, multipopulation rate equation. Acknowledgements: This work was supported by The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK) as project numbered 119F099. References [1] K. Veselinov, F. Grillot, C. Cornet, J. Even, A. Bekiarski, M. Gioannini, & S. Loualiche, Analysis of the Double Laser Emission Occurring in1.55-μm InAs–InP (113) B Quantum-Dot Lasers. IEEE Journal Of Quantum Electronics, Volume 43, 810-815, (2007). [2] F. Grillot, K. Veselinov, M. Gioannini, R. Piron, E. Homeyer, J. Even, S. Loualiche, and I. Montrosset “Theoretical analysis of 1.55-µm InAs/InP (113)B quantum dot lasers based on a multi-population rate equation model,” Proceedings of SPIE OPTO, Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XVII, 72110Y, 7211, San Jose, California, United States, 2009.



11

GaN HEMT Aygıtlarda Çift Katmanlı Si3N4 Dielektrik Tabakasının Elektriksel ve Mekanik Özellikleri

Yıldırım DURMUŞ1,2, Doğan YILMAZ1,2, Ceren TAYRAN3,Ekmel ÖZBAY1,4,5

1Nanoteknoloji Araştırma Merkezi, Bilkent Universitesi, 06800 Ankara/Türkiye 2İleri Teknolojiler Bölümü, Gazi Universitesi, 06500 Ankara/Türkiye

3Fizik Bölümü, Fen Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Teknikokullar, 06500 Ankara/Türkiye 4Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Bilkent Universitesi, 06800 Ankara/Türkiye

5Fizik Bölümü, Bilkent Universitesi, 06800 Ankara/Türkiye [email protected]

Özet Son yıllarda yüksek güç gerektiren mikrodalga elektroniği uygulamalarında AlGaN/GaN HEMT aygıtlar, yüksek kırılma gerilimleri ve yüksek akım kapasiteleri sayesinde büyük önem kazanmışlardır[1,2]. Bu çalışmada; farklı büyütme sıcaklığı ve büyütme kalınlığına sahip çift Si3N4 tabakasının AlGaN/GaN HEMT aygıtlarda elektriksel ve mekaniksel özellikleri ve sonuçları anlatılmaktadır. AlGaN/GaN HEMT aygıtlarda akaç ve kaynak kontakları için fiziksel buharlaştırma yöntemi (PVD) ile Ti/Al/Ni/Au metalleri kaplandı ve bu metallere hızlı ısıl işlem (RTP) uygulanarak omik kontak özelliği kazandırıldı. Kapı kontaği için Γ(gama) yapısı kullanıldı [3]. Kapı kontağından önce yüksek büyütme sıcaklığında birinci Si3N4 dielektrik tabakası akaç ve kaynak kontakları üzerine kaplandı. Γ(gama) yapıdaki kapı kontağı elektron demeti litografisi (EBL) sisteminde nanolitografi yöntemi kullanılarak oluşturulduktan sonra PVD yöntemi ile Ni/Au metal kaplaması yapıldı. Düşük büyütme sıcaklığındaki ikinci Si3N4 dielektrik tabakası ise Γ(gama) yapıdaki kapı ,akaç ve kaynak kontakları üzerine kaplandı. Üretimi tamamlanan aygıtlarda iletim hattı modeli (TLM), DC ölçümü, RF Ölçümü ve RF güç ölçümü yapıldı. Mekaniksel olarak da birinci Si3N4 tabakası ile ikinci Si3N4 tabakasının stress ölçümleri yapıldı. Üretilen AlGaN/GaN HEMT aygıtlardan 25 V akaç geriliminde 1.5 GHz’de 45.56dBm (35.90 W) çıkış gücü ve %69.85 verimlilik elde edildi. Stress olarak birinci Si3N4 tabakasında 300 Mpa, ikinci Si3N4 tabakasında 240 Mpa stress değeri görüldü. Bu çalışmada teorik olarak; Si3N4 malzemesinin atomik yapısı, örgü parametresi, elektronik özellikleri yoğunluk fonksiyonel teorisi ile incelendi. Ayrıca, Si3N4 malzemesinin optik özellikleri (dielektrik fonksiyonunun reel ve sanal bileşenleri, kırılma indisi, sönüm katsayısı, enerji kayıp fonksiyonu, soğurma katsayısı gibi) ve mekanik özellikleri hesaplanarak elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırıldı.

Şekil 1: Üretilen AlGaN/GaN HEMT aygıtı Şekil 2: Gama tip kapı kontağın SEM görüntüsü Anahtar Kelimeler: AlGaN, GaN, HEMT, Gamma kapı kontağı, Si3N4, Stress, RF ölçümü Referanslar [1] Y. F. Wu, A. Saxler, M. Moore, P. Smith, S. Sheppard, P. M. Chavarkar, T.Wisleder, U. K. Mishra, and P. Parikh, “30-W/mm GaN HEMTs by field plate optimization,” IEEE Electron Device Lett., vol. 25, pp. 117–119,Mar. 2004. [2] K. Kasahara, H. Miyamoto, Y. Ando, Y. Okamoto, T. Nakayama, and MKuzuhara, “Ka-band 2.3 W power AlGaN/GaN heterojunction FET,” in IEDM Tech. Dig., 2002, pp. 677–680 [3] Marco Peroni, Paolo Romanini, Alessio Pantellini, L Mariucci, A Minotti, G Ghione, V Camarchia, E Limiti, A Serino, A Chini “Design, Fabrication and Characterization of Gamma-gate GaN HEMT for High-Frequency/Wide-Band applications” Proceedings of 31st Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (WOCSDICE) Pages: 371-378 20 May 2007


12

A Novel Graphene-Based Metasurface Absorber for the Active and Broadband Manipulation of Terahertz Radiation

Ekin Bircan Boşdurmaz1,2,*, Hodjat Hajian1, Veysel Erçağlar1,2 and Ekmel Özbay1,2,3,4 1 NANOTAM-Nanotechnology Research Center, Bilkent University, Ankara 06800, Turkey

2Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, Ankara 06800, Turkey 3Department of Physics and UNAM-Institute of Materials Science and Nanotechnology, Bilkent

University, Ankara 06800, Turkey 4e-mail: [email protected]

*corresponding author, E-mail: [email protected] Abstract Graphene-based metasurface nearly perfect absorbers (MPAs) can be used as an efficient tool for the active control and manipulation of waves in the terahertz (THz) gap. Here, we propose a novel, to the best of our knowledge, grapheme-based MPA that is designed based on a simple configuration and is capable of absorbing THz radiation within a broad bandwidth of almost 3 THz with polarization-insensitive and omnidirectional characteristics. The MPA comprises a periodic array of graphene patches with two different dimensions that are separated from a gold bottom reflector with an SiO2 spacer layer. The broadband spectral response of the MPA, which is also verified by analytical calculations, is due to the support of propagating surface plasmon excitations and can be either actively tuned via changes in the chemical potential of graphene or passively adjusted by the modification of the geometrical parameters of the patches and thickness of the spacer layer. As a complement to the previous studies in the literature, due to the simplicity of its design and broad spectral response, it is believed that the suggested graphene-based MPA will find potential applications in THz spectroscopy and communications.

Figure 1: (a) Perpective schematic of the unit cell of the graphene-based MPA. (b) Equivalent circuit model for the

proposed absorber. In this model, 𝑍𝑍1 and 𝑍𝑍2 stand for the impedances of 𝑤𝑤1 and 𝑤𝑤2 graphene patches, and 𝑍𝑍0 and 𝑍𝑍1 refer to the impedances of air and the spacing layer, respectively. (c) Dependence of the absorption spectra of the MPA on the angle of

incidence 𝜃𝜃 for azimuthal angle 𝜙𝜙=π/2. Keywords: Graphene, THz radiation, metasurface absorber Acknowledgement This project is funded by Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştirma Kurumu (TUBITAK) (120E422). References [1] E. B. Boşdurmaz, H. Hajian, V. Erçağlar, and E. Özbay, “Graphene-based metasurface absorber for the active and broadband manipulation of terahertz radiation,” J. Opt. Soc. Am. B, vol. 38, no. 9, p. C160, Aug. 2021, doi: 10.1364/josab.427975.


13

XRD Size Distribution of Iron Oxide Nanocrytallites Synthesized by a Biopolymer Method

Omar Amer Abulkareem*1, Hakan Kaygusuz2,3

1 Mechanical Engineering Program, Institute of Graduate Studies, Altınbaş University, Istanbul, Turkey 2 Department of Basic Sciences, Faculty of Engineering and Natural Sciences, Altınbaş University,

Istanbul, Turkey 3 Sabancı University SUNUM Nanotechnology Research Center, İstanbul, Turkey

corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract In this study, iron oxide nanoparticles were prepared using alginate biopolymer method. By using thermal decomposition, iron alginate gel produced as form of beads. Then, in a various temperature the effect of annealing on the beads samples was appeared on the crystallite size. At 600 oC and 800 oC, and at two different times (2 and 4 h) the effect of annealing was investigated. X-ray diffractometer (XRD) used to characterize the produced powder. The nano crystallite size of iron oxide nanoparticles changed relying on temperature and time from 22.05 to 32.39 nm. The grain size distribution was calculated using a numerical approach, the Pielaszek method [1], by taking the full width at 1/5 and 4/5 of maximum (FW1/5M) and (FW4/5M). The (GSD) became non-symmetrical when the annealing temperature and time increased, and this method considered has low effect on the width of distribution for powder produced under heat treatment. The results indicate that biopolymer method can be used for preparing the iron oxide and the Pielazsek method results in increased size distribution when compared with the conventional Scherrer equation. Keywords: iron oxide, XRD, grain size distribution References [1] R. Pielaszek, “FW 1/5/4/5 M method for determination of the grain size distribution from powder diffraction line profile,” J. Alloys Compd., vol. 382, no. 1–2, pp. 128–132, 2004.


14

High Peak Power Nanosecond Er/Yb Laser at a Low Repetition Rate

S. Pavlova1,3, E. Yagci1, K. Eken1, E. Altay1 and I. Pavlov1,2,3,4

1FiberLAST Fiber Lazer Sistemleri ve Teknolojileri A.Ş., Ankara 06800, Turkey 2Department of Physics, Middle East Technical University, Ankara 06800, Turkey

3Institute of Physics of the NAS of Ukraine, Kyiv 03028, Ukraine 4GÜNAM, METU, Ankara 06800, Turkey

Svitlana Pavlova, [email protected] Abstract High-performance pulsed lasers in the wavelength range of ∼1.5-1.6 µm found application in diverse areas. In particular, femto-nanosecond lasers are good candidates for laser processing silicon [1,2], the ns lasers are especially favorable for remote sensing, light detection, topographic mapping, and wind sensing [3]. Generally, for short pulse (several ns) ns lasers at a low repetition rate, the main problem is a significant amplified spontaneous emission (ASE) that limits the peak power in single-mode fibers. Secondly, using a seed source with narrow linewidth limits the output power of the final amplifier, where the key limiting factor is the SBS. As a result of these challenges, most developers are focused on developing high-power ns-systems at a high repetition rate or a long pulse duration. However, many applications need high peak power and a low repetition rate. Theoretical calculations and experimental measurements demonstrate that the ASE, accumulated between successive pulses, starts to increase under two conditions during amplification, especially when amplified in the first preamplifiers: first, short pulse duration, and second, at repetition rates below 100 kHz of seed. We applied the two-signals method to suppress undesirable inter-pulse ASE to optimize nanosecond lasers that work at a low repetition rate. We increased pulse duration and repetition rates using two different sources (the laser seeds are two DFB Lasers (1 MHz linewidth) with wavelength 1557 nm (primary source) and 1550 nm (secondary source)) that work in the close-range wavelength and obtained a short pulse with high peak power. The system is schematically shown in Fig.1(a). In this design, the source at 1550 nm and the bandpass filter, placed in front of the main amplifier, serves as an effective pulse picker. Due to the broader pulse duration and the higher repetition rate, which increased twice, the stimulated emission is produced instead of broadband ASE radiation in the interval between pulses during CW pumping. After amplified two-tone pulses in two preamplifiers (PA1-2), the emission with wavelength 1550 nm is filtered by a bandpass filter with a transmittance wavelength of 1557 nm. As a result, we get a pure signal at 1557 nm that facilitates subsequent amplification. We have successfully generated 4.7 ns pulses with 32 kW of peak power and 162 µJ pulse energy in a spectrally narrow window. The output average power is 4.85-7.5 W at the repetition rate of 30-60 kHz. The maximum fraction of ASE was just 1.6% at 30 kHz.

Figure 1: General scheme of the laser (a). Output pulse characteristics of the final amplifier: optical spectrum (b) and the pulse shape (c) at 30 kHz.

In conclusion, we have demonstrated a two-signal method to generate high-energy pulses at a wavelength of 1.55 µm in the 30-60 kHz range of repetition rates. This method shows an efficient way to mitigate ASE in high-energy 1.55 µm fiber lasers at low repetition rates. The maximal pulse energy of 162 µJ was reached at 30 kHz, corresponding to a pulse peak power of >32 kW. Anahtar Kelimeler / Keywords: Erbium Doped Fiber Laser, LIDAR, nanosecond pulsed, high-peak power

Referanslar / References [1] I. Pavlov, O. Tokel, S. Pavlova, V. Kadan, G. Makey, A. Turnali, T. Colakoglu, O. Yavuz, F. O. Ilday, Optical waveguides written deep inside silicon by femtosecond laser, CLEO/Europe-EQEC, Munich, Germany, 2017, pp.1-1. [2] M. Chambonneau, D. Richter, S. Nolte, and D. Grojo, Inscribing diffraction gratings in bulk silicon with nanosecond laser pulses, Opt. Lett. 43, 6069-6072, 2018. [3] C. Karlsson, F. Olsson, D. Letalick, and M. Harris, All-fiber multifunction continuous wave coherent laser radar at 1.55 μm for range, speed, vibration, and wind measurement, Appl. Opt. 39, 3716-3726, 2000.


15

Mid-Infrared Adaptive Thermal Camouflage Using a Phase-Change Material Coupled Dielectric Nanoantenna

Ebru Buhara1,2 *, Amir Ghobadi1,2, Bahram Khalichi1,2, Hasan Kocer1, Ekmel Ozbay1,2,3,4

1NANOTAM-Nanotechnology Research Center, Bilkent University, 06800 Ankara, Turkey 2Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, 06800 Ankara, Turkey

3Department of Physics, Bilkent University, 06800 Ankara, Turkey 4UNAM-Institute of Materials Science and Nanotechnology, Bilkent University, Ankara, Turkey

corresponding author, E-mail: [email protected] Abstract Recently, camouflage technology has attracted researchers’ attention in a large variety of thermal applications. As a special phase change material (PCM), vanadium dioxide (VO2) is an excellent candidate for the studies conducted on thermal camouflage technology. VO2 has a transition from the insulator phase to the metal phase with the increase of the temperature. With regards to this unique feature, VO2 can contribute dynamic properties to the camouflage design. In this study, a PCM–dielectric based metamaterial mid-infrared adaptive thermal camouflage nanoantenna is designed to perfectly mimic the atmospheric windows. The adaptive property of the proposed structure is obtained by using an ultrathin VO2 interlayer embedded within the grating. The spectral responses of the structure are computed using the finite difference time domain method, and the invisibility of the structure is proved using power calculations in the different mid-infrared regions.

Figure 1: Comparisons among the emitted power densities at different temperatures including blackbody radiation (black solid line), atmospheric transmissivity for 5 km long transmission path through the atmosphere at the ground

level (green dashed-dotted line) over the corresponding blackbody radiation, the proposed structure without considering atmospheric transmissivity (blue solid line) over the corresponding blackbody radiation, and the real emission response of the proposed design I and II (red solid line). The emitted power densities of the proposed narrowband design at the

(a) cold state when the temperature is 25 ◦C and (b) hot state when the temperature is 90 ◦C. The emitted power densities of the proposed broadband design at the (c) cold state when the temperature is 25 ◦C and (d) hot state when the

temperature is 90 ◦C. Keywords: thermal camouflage, mid-infrared, thermal detection, nanoantenna emitter, metamaterial, vanadium dioxide References [1] Buhara, E., Ghobadi, A., Khalichi, B., Kocer, H., & Ozbay, E. (2021). Mid-infrared adaptive thermal camouflage using a phase-change material coupled dielectric nanoantenna. Journal of Physics D: Applied Physics, 54(26), 265105.



16

Lifetime Enhancement of Nonlinear Ultra-Fast Plasmon Resonances

Hira Asif, Ramazan Şahin Laser and Photonics Research Lab

Department of Physics, Akdeniz University, Antalya, Turkey Hira Asif, E-mail: [email protected]

Ramazan Şahin, E-mail: [email protected]

Abstract The temporal control of nonlinear plasmon resonances has been studied theoretically to fulfill the future challenges concerning their effective employment in the vast applications of the plasmonic industry. The lifetime enhancement of the second harmonic (SH) plasmonic mode supported by AuNP is investigated by interacting it with long-lived quantum objects in the weak coupling regime. The analytical description of the nonlinear plasmonic system is realized in the Heisenberg picture. The coupled plasmonic system is analyzed in two different ways by coupling of, i) SH mode to dark mode ii) SH mode to the quantum emitter (two-level system). The driven-dissipative dynamics are solved through a numerical technique governing the spatial and temporal changes in the second harmonic plasmonic response. Finally, the lifetime enhancement of nonlinear plasmon mode is manifested by performing FDTD simulations for a nonlinear plasmonic system of Au nanoparticles coupled with a long lifetime quantum oscillator. Keywords: Localized Surface Plasmons (LSPR), Second Harmonic Generation (SHG), Ultrafast Plasmon Resonances References [1] https://arxiv.org/abs/2108.00251 [2] B. C. Yildiz, A. Bek, and M. E. Tasgin, Plasmon lifetime enhancement in a bright- dark mode coupled system, Physical Review B 101, 10.1103/PhysRevB.101.035416(2020). [3] M. E. Taşgin, Metal nanoparticle plasmons operating within a quantum lifetime, Nanoscale 5, 8616 (2013). [4] N. C. Panoiu, W. E. Sha, D. Y. Lei, and G. C. Li, Nonlinear optics in plasmonic nanostructures, Journal of Optics (United Kingdom) 20, 083001 (2018).




17

34-fs, All-Fiber Polarization-Maintaining Single-Mode Er-Doped Laser

S. Pavlova1,3, E. Yagci1, K. Eken1, E. Altay1 and I. Pavlov1,2,3,4

1FiberLAST Fiber Lazer Sistemleri ve Teknolojileri A.Ş., Ankara 06800, Turkey 2Department of Physics, Middle East Technical University, Ankara 06800, Turkey

3Institute of Physics of the NAS of Ukraine, Kyiv 03028, Ukraine 4GÜNAM, METU, Ankara 06800, Turkey

Svitlana Pavlova, [email protected] Abstract The ultrafast laser pulses at 1.55 μm have attracted wide applications, such as THz generation, direct writing, biophotonics, industrial micromachining, micromachining in transparent materials, spectroscopy, medicine, and nonlinear optics [1-3]. The Er-doped fiber lasers are one of the most stable and commonly used lasers that have several superiorities, such as compact size, free of alignment, robustness, and low cost. To enable the above mainstream applications, the developing trends of ultrafast lasers are: firstly, higher pulse energy together with shorter pulse duration; secondly, long-term environmental stability. We present an all-fiber polarization-maintaining (PM) single-mode fiber nonlinear amplification system. The schematic of the proposed fiber laser system is depicted in Fig.1. The laser oscillator is constructed by an Er-doped single-mode fiber with negative total cavity dispersion. Two parts of PM Er-doped gain fibers have been used to amplify the pulses of the oscillator. In the second-stage amplification, the most important assignment is to amplify the output power and broaden the spectral width. Due to the combination of fiber dispersions and the possibility of shifting the chirp of the pulse during the amplification, the output pulse was compressed to 34-37 fs at an average power of 130 mW from each port and a repetition rate of 97 MHz. That corresponds to 1.34-nJ pulse energy and approximate 38-kW peak power. The spectral width is ~50 nm at the maximum output power.

Figure 1: General scheme of the laser (a). Output pulse characteristics: optical spectra and autocorrelation traces (b,c) from output ports 1-2.

In conclusion, we propose a stable Er fiber laser system capable of delivering 1.3 nJ energy in <40 fs duration at a ~100 MHz repetition rate.

Anahtar Kelimeler / Keywords: Erbium Doped Fiber Laser, femtosecond pulsed, high-peak power

Referanslar / References [1] L.J. Mortensen, et al., Femtosecond laser bone ablation with a high repetition rate fiber laser source, Biomed. Optic Express 6 (2015). [2] W. He, G. Zhong, L. Zhu, M. Dong, G. Chen, Wavelength-switchable erbium-doped fiber laser based on femtosecond FBG inscribed on fiber core and cladding through the coating, Laser Phys. Lett. 16 (2019). [3] J. Takayanagi, et al., Generation and detection of broadband coherent terahertz radiation using 17-fs ultrashort pulse fiber laser, Opt. Express 16 (2008).


18

Multi Mode Pompa Lazer Diyot Sürücü Kartı

Oğuzhan Keleş1,*, H. Ahmet Boyraz1, Erşan Tunçkol1, M. Emre Yağcı1, Koray Eken1 1FiberLAST, A.Ş., 06800 Ankara, Türkiye

*[email protected] Özet FiberLAST fiber lazer sistemlerinden Pompa Diyot Lazer Sürücü modülü malzeme işleme, endüstriyel alanlar ve test cihazları gibi birçok yerde kullanılmakta olan fiber lazer pompa diyotlarının güvenli bir şekilde sürülebilmesi için tasarlanmıştır. Tasarımı sayesinde kolay bir kuruluma sahiptir. Kart beslemesi ve diyot beslemesi ayrı olmasından ötürü farklı voltajlardaki diyotların sürülebilmesini sağlar. Modül 50 kHz’e kadar modüle sinyalle diyot sürebilmektedir. Akış şeması Şekil 1’de, bağlantı açıklamaları ise Şekil 2’de gösterilmiştir. Başlıca özellikleri aşağıda listelenmiştir.

16 Ampere kadar çıkış akımı, 11 Volt ile 36 Volt arası besleme gerilimi, Ters besleme koruması, 30, 60 ve 100 Volta kadar forward voltaja sahip

diyot beslemesi, Sabit akım ve sabit güç modları, Ayarlanabilir akım limiti, Dışardan Enable kontrolü bulunmaktadır. Kontrol çıkışı olarak Rise time 7 us ve Fall time 5

us’yi sağlamaktadır.

Pompa Diyot Lazer Sürücü modülü ile Şekil 3’te belirtildiği gibi ölçümler alınmıştır.

Anahtar Kelimeler: Diyot kontrol kartı, Pompa diyot sürücü, Pompa diyot modülasyonu, Sabit lazer güç kontrolü, Pulse Pumping.

Şekil 2: Kart bağlantı ve bilgileri

Şekil 1: Akış şeması

Şekil 3: 50 kHz 10 A'de akım monitör sinyali çıkışı


19

Nanosaniye Atımlı Lazer Sistemi Kontol Kartı


*[email protected] Özet FiberLAST fiber lazer sisteminde elektronik olarak çalıştırılan Seed diyotunun çıkışı, birkaç SM(Single Mode) ve MM(Multi Mode) amplifikatörü aracılığıyla güçlendirilir. Lazer kontrol sistemi, yüksek güvenlik ve uzun ömürlülük göz önünde bulundurularak birçok hata tespit sistemi ve hızlı karar verme mekanizmaları ile donatılmıştır. Bu karar verme ve kontrol mekanizması FPGA ve MCU çifti ile sağlanmaktadır. Spartan-6 Family XC6SLX9 FPGA ve 216 MHz STM32F7 MCU komponentleri tercih edilmiş olup FPGA ve MCU arasında yüksek hızlı SRAM haberleşmesi kullanılmıştır. Bu mekanizmalardan alınan verilere göre dinamik soğutma kullanılarak çevre dostu güç yönetim sistemi uygulanır. Üretim, entegrasyon ve servis amaçları için yapılandırılabilir parametreler de vardır. Bu parametreler, lazerin güvenli çalışması için temel parametrelerdir. Bu parametrelerin olduğu Gelişmiş Kontrolcü Arayüzü sayesinde kullanıcıya, Seed diyotu modüle etmek, atım genişliğini ayarlamak, ramp’li bir sürüş gerçekleştirmek gibi birçok ayarı esnek bir şekilde kullanma imkânı sunulur. Kullanıcı Arayüzü ile değiştirilebilir ayarlar, Debug ekranı, belirli periyotta takip edilen anlık durum tablosu, hata kayıtları ve analizi gibi birçok işlem yapılabilmektedir. Ayrıca Gelişmiş Kontrolcü Arayüzü üzerinden yazılım güncellemesi yapılabilmektedir. Şekil 1’de optik atım ölçümü gösterilmektedir.

Lazer Kontrol Kartı, 9 – 36 VDC arasında besleme voltajını desteklemektedir. Ns Kontrol Kartı, harici bir kontrolcüden (örneğin USC, RTC4, vb.) gelen giriş/çıkış sinyalleri ile çalışabilmektedir. Standalone çalışabilmektedir. Ns Kontrol Kart ile Type-1 butterfly-package Seed ve SM pompa diyotların akım kontrolü yapılabilmektedir. Sistem parametreleri; 8 bit Seed Diyot akım kontolü, 0-2.5 A akım kontrol aralığı, ≤10 mA akım kontrol çözünürlüğü, 10 kHz - 1 MHz tekrar frekansı (Pulse Repetition Rate), ≤5 ns PRI (Pulse Repetition Interval) çözünürlüğü, 5-500 ns (ramp hariç) atım süresi, ≤5 ns atım ayar çözünürlüğü, 0-160 ns ramp süresi, 200 Msps (Mega Sample per Second) ramp sampling, 32 adet ramp points‘tir. Kontrol kartı Seed ve SM pompa diyotlarının dahili ve kart üzerine harici takılan 4 adet foto diyotun kontrolünü ve 5 – 40 °C aralığında diyotlarının dahili TEC kontrolünü yapabilmektedir. Nem ve sıcaklık sensörü ile ortam izlemesi yapabilmektedir. 2 adet termistör bağlantısı destekler. PWM ile Fan kontrolü yapabilmektedir. Aynı zamanda termistörlerden birinden alınan veriye göre otomatik hızlanma ve yavaşlama işlemini uygulamaktadır. Kırmızı ışık kontrolü yapabilmektedir. Interlock kesmesi ile güvenli kapatma desteklemektedir. 2 adet multi mode pompa diyot lazer sürücü kartı kontrolü desteklemektedir. Yandaki Şekil 2’de kartın kullanıma hazır hali gösterilmektedir.

Anahtar Kelimeler: Lazer kontrol kartı, Nanosaniye diyot sürücü, Pompa diyot sürücü, Cihaz içi test fonksiyonu, Ayarlanabilir atım şekli

Şekil 1: 100 ns 110 mA optik atım ölçümü

Şekil 2: Lazer Kontrol Kartı


20

Narrow-Band and High-Contrast Asymmetric Transmission of Linearly Polarized Waves

Bahram Khalichi1,*, Amir Ghobadi1,3, Ataollah Kalantari Osgouei1,2 and Ekmel Ozbay1,2,3,4

1NANOTAM- Nanotechnology Research Center, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey 2Department of Physics, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey

3Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey 4UNAM- National Nanotechnology Research Center, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey

corresponding author: E-mail: [email protected] Abstract We present a narrow-band optical diode with a high-contrast forward-to-backward ratio at the near-infrared (NIR) region. The design has a forward transmission of approximately 88%, and a backward one of less than 3%, yielding a contrast ratio of greater than 14.5 dB at a wavelength of 1550 nm. The structure is composed of a one-dimensional diffraction grating on top of a dielectric slab waveguide, both of which are made of silicon nitride (Si3N4), and all together are placed over a silver (Ag) thin film embedded on a dielectric substrate. Utilizing a dielectric-based diffraction grating waveguide on a thin silver layer leads to the simultaneous excitation of two surface plasmon modes known as long- and short-range surface plasmon polaritons (SPPs) at both interfaces of the metallic layer. The plasmon-tunneling effect, which is the result of the coupling of SPPs excited at the upper interface of the metallic layer to the radiation modes, provides a high asymmetric transmission (AT) property [1,2]. The spectral response of the proposed high-contrast AT device is verified using both rigorous coupled-wave analysis as an analytical approach and finite difference time domain as a numerical one.

Figure 1: (a) Schematic diagram of the proposed optical-diode structure with a high AT characteristic designed based on dielectric diffraction grating waveguide on top of a thin metal film. The structure is normally illuminated by an x-polarized uniform plane wave from both sides. (b) Forward/backward transmission (FT/BT) and reflection (FR/BR) spectra of the proposed structure when the object is illuminated by an x-polarized uniform plane wave propagating

along the ±z directions. (c) Schematic representation of a thin metal film with the thickness of t surrounded by infinite dielectric media.

Keywords: Asymmetric transmission, Diffraction grating, Surface plasmon polaritons, Plasmon tunneling Acknowledgements: Ekmel Ozbay acknowledges partial support from the Turkish Academy of Sciences (TUBA). References [1] Khalichi, B., Ghobadi, A., Osgouei, A. K., & Ozbay, E. (2021). Diode like high-contrast asymmetric transmission of linearly polarized waves based on plasmon-tunneling effect coupling to electromagnetic radiation modes. Journal of Physics D: Applied Physics. [2] Bor, E., Turduev, M., Yasa, U. G., Kurt, H., & Staliunas, K. (2018). Asymmetric light transmission effect based on an evolutionary optimized semi-Dirac cone dispersion photonic structure. Physical Review B, 98(24), 245112.



21

Kızılötesi Bantta Çalışan Alın Termometreleri İçin Termal Işınım Kaynakları

Mehtap CAN*1,2, Yasin KİŞİOĞLU2, Humbat NASİBOV3 1 TÜBİTAK BİDEB (STAR), TÜBİTAK UME, Gebze, Türkiye

2Biyomedikal Mühendisliği, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, Türkiye 3TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Gebze, Türkiye


Özet SARS-CoV-2 enfeksiyonları gibi çeşitli bulaşıcı hastalıklarda immün sistemin bu enfeksiyonlara karşı oluşturduğu yanıtlardan biri ateştir. Hastalıkların tespiti ve dolayısıyla yayılımının azaltılmasında yüksek ateş belirtisinin hızlı ve doğru ölçümü önemli rol oynamaktadır. COVID-19 pandemisi döneminde yapılan çalışmalar sonucunda vücut ısısı ölçümünde temassız kızılötesi termometrelerin kullanımı yaygınlaşmıştır [1]. Deriden vücut sıcaklığı ölçümünde yüzeysel temporal arter bölgesinden ölçüm alan kızılötesi alın termometresi gerekli ihtiyaçları karşılar. Bu cihazlar ile gerçekleştirilecek ölçümlerden güvenilir sonuçlar elde edilmesi için cihazların izlenebilir kalibrasyonlarının yapılması kritik bir öneme sahiptir. Ancak ülkemizde alın termometrelerinin izlenebilir kalibrasyonlarının gerçekleştirilmesinde kullanılacak düzenek bulunmamaktadır. Kalibrasyon işlemlerinde, termometrelerin çalışma sıcaklık aralığına ve çalışma bant emisivitesine uygun, izlenebilirliği sağlanmış referans kaynaklar kullanılmalıdır. 25-40 °C sıcaklık aralığındaki nesneler Planck yasasına göre 9.6-10 μm aralığında ışıma yaydığından, insan vücut sıcaklığı ölçümünde kullanılacak termometreler ve kalibrasyonlarında kullanılacak referans radyasyon kaynaklarının 8-14 μm bant aralığında çalışması beklenmektedir. Hedef boyutu, gelen ışınımın termometre dedektörünü tamamen doldurması için yeterli büyüklükte olmalıdır. Radyasyon kaynağının aktif ışıma alanı sıcaklık dağılımı homojen olmalıdır. Kurulacak düzeneğin bu şartları sağlaması amacıyla bu çalışma kapsamında iki farklı referans radyasyon kaynağının karşılaştırmalı performans analizi yapılarak izlenebilir kalibrasyon zinciri oluşturulmuştur. Yüksek hassasiyet, kararlılık ve çözünürlüğe sahip termal kamera ve standart referans radyasyon termometresi kullanılarak kaynakların yüzey taramaları yapılmış ve aktif ışıma alanlarının sıcaklık dağılımları çıkarılmıştır. Ardından her iki kaynak 30 °C ile 42 °C sıcaklık aralığındaki belirli sıcaklık değerlerine ayarlanmış ve bu sıcaklık değerlerinde kararlılıkları kontrol edilmiştir. Farklı üreticilerden temin edilen 10 adet kızılötesi alın termometresi bahsedilen iki referans kaynak belirtilen sıcaklık değerlerinde termal dengede iken kalibre edilmiş ve belirsizlik analizi yapılmıştır. 18 gönüllünün vücut sıcaklığı belirtilen alın termometreleri ile ölçülmüş ve alın bölgelerinin termogramı alınmıştır. Ek olarak, belirli sıcaklık değerlerinde emisivite değeri değişimine bağlı olarak her iki kaynağın sıcaklık okumalarında görülen değişimi karşılaştırmak için fark değerleri hesaplanmış ve emisivite hatasının ölçüm belirsizliği bütçesine katkısı belirlenmiştir. Sonuç olarak, yüzey tipli radyasyon kaynağının 0.96-1 emisivite ölçüm bandında olduğu ve ITS90 ölçeğine uygun olarak yüksek doğrulukla kızılötesi alın termometrelerinin kalibrasyon kaynağı olarak kullanılabileceği kanıtlanmıştır. Kurulan, karakterize ve valide edilen bu düzenek sayesinde, kızılötesi alın termometrelerinin kalibrasyonu TÜBİTAK-UME Termodinamik Metroloji Laboratuvarı'nda ulusal ve uluslararası düzeyde gerçekleştirilebilecektir. Anahtar Kelimeler: Alın Termometrelerinin İzlenebilir Kalibrasyonu, Emisivite Tayini, Referans Işınım Kaynakları Acknowledgement: TÜBİTAK 2247-C Programı kapsamında Stajyer Araştırmacı olarak burs alma fırsatı veren TÜBİTAK BİDEB’e en içten teşekkürlerimizi sunarız. Referanslar [1] Can M., 2021, “Temassız İnsan Vücudu Sıcaklık Ölçerlerin Kalibrasyonu için Referans Kaynakların ve Metotların Geliştirilmesi”, Kocaeli Üniversitesi, Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, Yüksek Lisans Tezi.



22

Optik Yüzeylerin İki Boyutlu Soğurma Değerlerinin Fototermal Metot ile Belirlenmesi

Pervin TÜZÜN1,2*, Fikret YILDIZ2, Semih YURTSEVEN3, Humbat NASİBOV3

1TÜBİTAK BİDEB (STAR), TÜBİTAK UME, Gebze, Türkiye 2 Fizik Bölümü, Gebze Teknik Üniversitesi, Kocaeli, Türkiye

3TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Gebze, Türkiye corresponding author, E-mail: [email protected]

Özet Son yıllarda, tek kip fiber lazerlerin verimlilik oranlarının %48’lere ulaşması ve çıkış güçlerinin 15 kW ve üzerindeki yüksek güçlerde seyretmesi ile lazer tabanlı uygulamaların sayısında bir artış meydana gelmiştir. Bu sistemlerin çalışma ömürlerini, sistemlerde kullanılan optik bileşenlerin çalışma ömürleri ve dayanıklılıkları belirlemektedir. Yüksek çıkış güçlerine sahip lazerlerin bulunduğu düzeneklerde bu lazerlerin yönlendirilmesi için yüksek saflıkta optik bileşenler kullanılmaktadır. Yüksek çıkış gücüne sahip lazerler, sistemdeki bu optik bileşenler tarafından ultra zayıf soğurulmaya uğrarlar. Çok zayıf olmasına rağmen bu soğurulma ölçüm veya test sonuçlarını etkileyebilmektedir. Zayıf optik soğurma değerlerinin ölçümünde geleneksel ölçüm yöntemleri yetersiz kalmaktadır. Fototermal ölçüm metotları hassasiyetleri ve çözünürlükleri ile öne çıkmaktadırlar. Fototermal metotlardan biri olan Fototermal Ortak-Yol İnterferometri (FOYİ) yöntemi, optik camların ve kaplamaların ultra zayıf soğurma değerlerinin ölçülebildiği yüksek hassasiyete sahip bir ölçüm yöntemidir [1]. Bu çalışmada da çeşitli optik camların ve optik kaplamaların ultra zayıf optik soğurma değerlerinin belirlenebildiği 640 nm dalgaboyunda çalışan bir FOYİ düzeneği kullanılmıştır [2]. Pompa/prop lazerlerin kullanıldığı bu yöntem lazerlerin çakışma geometrisi sebebi ile yüksek uzaysal çözünürlüğe sahiptir. Oluşturulan bu sistem ile optic bileşenlerin (kaynaştırılmış silika cam, kaplamasız silika cam, dilelektrik kaplamalı aynalar vb.) ultra zayıf soğurma değerleri ölçümlerinde 0,1 ppm hassayiyet elde edilmiştir. Ayrıca yüksek ölçüm hassasiyetine (0,1-100 ppm) sahip olan bu sistem ile çeşitli optik camların ve optik kaplamaların yüzeyleri tek boyutlu ve iki boyutlu olarak incelenmiştir. Düzenekten elde edilen yüksek hassasiyet sebebi ile sistem optik yüzeylerdeki mikron boyutlu parçacıkların ve hasarların tespiti için de kullanılabilmiştir Anahtar Kelimeler: Fototermal metotlar, interfrometrik yöntem, FOYİ, ultra zayıf soğurma. Teşekkür: TÜBİTAK BİDEB’e Stajyer Araştırmacı Burs Programı (STAR) için teşekkürlerimizi sunarız. Referanslar [1] Alexandrovski A., Fejer M., Markosyan A., Route R., (2009), “Photothermal Common-Path Interferometry (PCI): New Developments”, Proceeding of SPIE 7193, Solid State Lasers XVIII: Technology and Devices, 71930D 1- 71930D 13, San Jose, California, United States, 28 February 2009. [2] Tüzün P., 2021, “Optik Yüzeylerin İki Boyutlu Soğurma Haritasının Fototermal Ortak-Yol İnterferometri Yöntemi ile Belirlenmesi” Gebze Teknik Üniversitesi, Fizik Bölümü, Yüksek Lisans Tezi



23

Temassız İnsan Vücudu Sıcaklık Ölçümlerinde Termal Kamera Görüntülerinin Derin Öğrenme Metotları ile İncelenmesi

Ayşen Özün TÜRKÇETİN*1,2, Mustafa Onurcan ŞAHAN2, Humbat NASİBOV3

1 Makine Mühendisliği, Süleyman Demirel Üniversitesi,

100/2000 Öncelikli Alan Doktora Öğrencisi, Isparta, Türkiye. 2 TÜBİTAK BİDEB (STAR), TÜBİTAK UME, Gebze, Türkiye. 3TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Gebze, Türkiye.


Özet İnfluenza ve benzeri hastalıklarda insanların ateşinin yükseldiği görülmekte ve bu semptomun belirlenmesi bu hastalıkların tespitinde en başta gelmektedir. Özellikle Covid-19 pandemisi döneminde insan vücut sıcaklığını uzaktan ve temassız ölçümü önem kazanmıştır. Son epidemi (SARS) ve içinde bulunduğumuz pandemi (Covid-19) dönemi insan akışının devamlı olduğu yerlerde, örneğin, havaalanları, alışveriş merkezleri, okul ve hastaneler gibi alanlarda uzaktan ateş taramaları hastalığın yayılmasının önlenmesinde ciddi rol oynamaktadır. Termal kameralar, uzaktan ve hızlı ölçüm yapabilme kapasitelerinden dolayı ateş taramalarında ön plana çıkmıştır. İçinde bulunduğumuz pandemic döneminde maske takmak zorunlu hale gelmiştir. Fakat bu durumdan dolayı termal kameralar ile ateş taramaları yapılırken, geleneksel yüz tespiti algoritmalarından verimli sonuçlar elde edilememektedir. Maske, insanın kafa termogramını etkilediğinden dolayı termal kameralar ile yapılan insan vücut sıcaklık ölçümleri olumsuz etkilenmektedir. Bu problemlerin çözümü için yapay zekâ tabanlı sistemlerin geliştirilmesi ön plana çıkmaktadır. Bundan dolayı termal kameralarda yüz tespiti yapılırken, yüzde gözlük, maske gibi nesnelerin bulunmaması sonucu daha optimuma taşıyacaktır.

Şekil 1: Bir insan sıcaklığını ölçmek için insan yüzündeki en iyi konum iki gözünün buruna olan uzaklığındaki

çukurluklardır [1]

Önerilen bu çalışmada FLIR T1020 model termal kamera üzerinden maskeli insanlardan derin öğrenme yöntemiyle yüz, maske, gözlük ve göz çukuru alanı tespiti yapılmıştır. Transfer öğrenme işlemi ile derin öğrenme modelleri üzerinde eğitimler gerçekleştirilmiştir. Derin Öğrenme modeli olarak YOLO V4 ve YOLO Tiny algoritmaları kullanılmıştır [2]. Bu çalışmada kullanılan algoritmaların aynı veri seti üzerinden yüz, maske, gözlük ve göz çukuru (sıcaklık bölgesi) tespitinde başarım oranları performans metrikleri ile karşılaştırılmıştır [3]. Elde edilen deneysel sonuçlar bu çalışmada özetlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Termal Kamera Görüntüleri, Yapay Zekâ, Derin Öğrenme, Yüz Tespiti, Maske Tespiti, Ateş Tespiti Acknowledgments: TÜBİTAK-2247 programı kapsamında COVID-19 STAR araştırmacı olarak burs alma fırsatı veren TÜBİTAK BİDEB başkanlığına en içten teşekkürlerimizi sunarız Referanslar

[1] R. Vardasca, et al. "Bilateral assessment of body core temperature through axillar, tympanic and inner canthi thermometers in a young population." Physiological measurement 40.9 (2019): 094001 [2] P. Adarsh, R. Pratibha, and M. Kumar. "YOLO v3-Tiny: Object Detection and Recognition using one stage improved model." 2020 6th International Conference on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS). IEEE, 2020. [3] T. Fawcett, "An introduction to ROC analysis." Pattern recognition letters 27.8 (2006): 861-874



24

High-Performance Spectrally Selective Absorber Using Rough Tungsten

Niloufar Pirouzfam1, Kursat Sendur*1 11Faculty of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University, Tuzla 34956, Istanbul, Turkey


Abstract Selective absorbers/emitters are beneficial in a variety of applications such as thermophotovoltaic devices and as solar absorbers. Because of tungsten's excellent chemical and thermal stability, as well as its superior high melting point, different structures based on tungsten have recently been proposed for solar energy harvesting [1]. To achieve high absorption in Tungsten, a random distribution of surface features with variable feature profiles and depth is employed in this work. As a result of our research, we demonstrated that the spectral absorption of Tungsten random rough surfaces in the visible and near-infrared spectral regions is sensitive to variations in correlation length and RMS height. Scattering at rough interfaces between the absorber layers causes a change in the electromagnetic field angle of incidence within the absorber layers [2]. This causes a process called as internal coupling, in which light couples within the absorber. Randomly textured Tungsten surface substrates have been effectively employed for the integrating of rough surfaces into solar cells using this approach. Our approach goes a step further by demonstrating a broadband spectrally selective absorber utilizing anisotropic rough Tungsten surfaces. The absorption spectrum of the proposed system is shown in Figure 1.

Figure 1: (a) Comparison of absorption spectrum (b) Anisotropic rough surface (c) Isotropic rough surface

It is observed that the rough surface improves absorption spectra in both the visible and near infrared spectral ranges. It was discovered that on isotropic random rough surfaces with correlation lengths greater than 200 nm, a peak began to form in the absorption curve around the wavelength of 1000 nm. Increasing the RMS height broadens the near-unity absorption bandwidth for the 1000-1600 nm range. Our research demonstrates that adopting an anisotropic random rough surface design produces even more intriguing findings in terms of absorption spectrum. For the spectral range 300-1700 nm, the optimized anisotropic random rough surface exhibits greater than 90% absorption, implying a complete absorption bandwidth up to 1700 nm in the ultraviolet-visible-near infrared region. These optimized random nanostructures have numerous resonant modes, resulting in significant optical coupling and a widening of the high absorption spectrum area between 300 and 1700 nm. Furthermore, our findings show that anisotropic random rough surfaces increase the bandwidth of the high absorption zone. This study's suggested spectrally selective absorber avoids the requirement for additional layers or nanoparticles to function as spectral selective emitters. Aside from that, this approach eliminates the need to create extra surface thickness by using multiple types of coating. These discoveries may be utilized to customize broadband spectrum for a variety of applications where the surfaces are subjected to high temperatures, such as solar and aerospace applications. Keywords: Rough surface; spectrally selective absorber; optical properties Acknowledgements: This material is based upon work supported by the Air Force Office of Scientific Research (Aerospace Materials for Extreme Environments Program, PM: Dr. Ali Sayir) under award number FA9550-18-1-9240. References [1] S. Mehrabi, M. H. Rezaei, and A. Zarifkar, “Ultra-broadband solar absorber based on multi-layer TiN/TiO 2 structure with near-unity absorption,” JOSA B, vol. 36, no. 9, pp. 2602–2609, 2019. [2] N. Pirouzfam and K. Sendur, “Tungsten Based Spectrally Selective Absorbers with Anisotropic Rough Surface Texture,” Nanomaterials, vol. 11, no. 8, p. 2018, 2021.



25

Efficiency Limit of All-Perovskite Structures

Selçuk Yerci1, Mehmet Koç2,*, Zeynepnur Şahinel3 1,3 Electrical and Electronics Engineering, Middle East Technical University, Turkey

2ODTU-GUNAM, Turkey corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract Numerous experiments have reported that perovskite tandem solar cells have a great potential to achieve very high efficiencies. Excellent opto-electronic properties and material tunability of perovskites attract significant attraction. Especially, bandgap tunability make perovskites excellent candidate for both wide gap and narrow gap subcells of tandem solar cells. Despite all the developments in this field, simulating device structures and optical modeling of all-perovskite tandem solar cells lacks elaboration. Especially, there is a need for the universal guideline for optimization of perovskite tandem structures. In this work, a rich database of perovskites with 0.9-2.7 eV bandgap range are investigated for the tandem configuration. Optical properties of perovskite are used as input for the Transfer Matrix Method (TMM), a short and accurate approach to simulate solar cells. TMM is based on boundary conditions governing electromagnetic wave propagation. Efficiency limits of all-perovskite solar cells for a broad range of bandgaps are analyzed and optimum bandgap values are compared with the Shockley-Queisser limit (Figure 1).

Figure 1: (a) All-perovskite tandem solar cell normalized power conversion efficiency plot for the varied bottom and

top bandgaps in the range 0.8- 2.8 eV (b) All-perovskite tandem solar cell efficiency contour plot for the varied bottom and top bandgaps in the range 0.4- 1.2 eV and 1.4-3.0 eV, respectively.

Keywords: Perovskite, Tandem, All-Perovskite Tandem Solar Cell, Transfer Matrix Method. Acknowledgements: I would like to thank Asst. Prof. Selçuk Yerci for explaining the fundamentals of photovoltaics and accepting me as a participant in his TUBITAK supported project. (118M981) I also want to thank Dr. Mehmet Koç for providing the Transfer Matrix Method resources and sharing his article about the optical optimization of planar perovskite solar cells. References [1] Pedrotti, F., Pedrotti, L., & Pedrotti, L. (2017).Introduction to Optics (3rd ed.). Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/9781108552493 [2] Koç, M., Soltanpoor W., Bektaş, G. et al. Guideline for Optical Optimization of Planar Perovskite Solar Cells. Advanced Opticall Material. 7, 23 (2019). https://doi.org/10.1002/adom.201900944



26

Optical Design Guidelines for All-Perovskite Tandem Solar Cells in a Material Independent Approach

Mehmet Koç1*, Mohsen Ameri1, Selçuk Yerci1

1 ODTU-GUNAM, Ankara, TURKEY. * [email protected]

Abstract Solar cells have presented significant improvements since their first introduction, and every day new developments are still being reported for different solar cell technologies.[1] Conversion efficiency improvements slow down as they become closer to their practical limits and it becomes a more challenging task for researchers to further boost the conversion efficiency. Researchers are continuously searching for alternative routes to surpass fundamental limits. One of the most promising routes is using tandem solar cell structures, which has a long proven success.[2] Tandem solar cells enable better utilization of available illumination spectrum which leads to a higher conversion efficiency mainly by better spectral matching. However, some major design challenges are waiting to be addressed such as obtaining maximum absorption in absorbers of both subcells while having electrically advantageous design thicknesses in a material-independent way. Perovskite solar cells have attracted a lot of researchers since their introduction due to their excellent optoelectronic properties. The vast number of researches yields a very broad range of functional materials such as electron/hole transport layers, and transparent conductive electrodes (TCE); as well as various perovskites with different optical properties and bandgaps. Hence, optical design guidelines of perovskite solar cells should be carried out in a way to account for the optical properties of different materials. Therefore, previously we have documented optical design guidelines in a material independent approach for the perovskite solar cells in their standalone configurations.[3] In this work, first, bandgaps of perovskite absorbers in both subcells are varied to find optimum pairs that yield the highest power output for both connection configurations, four- and two terminal. Subsequently, optimum optical design parameters for each layer in the tandem structure for a broad range of refractive index of conceptualized functional layers are computed. This expands the applicability of this approach to provide design guidelines for the already documented and future materials. Optimizations are carried out with the integration of machine learning algorithms due to the vastness of the parameter sets. Finally, optical loss mechanisms are quantized and alternative ways of addressing them are discussed.

Figure 1: Calculated current-matched maximum achievable photocurrent (MAPC) of monolithic tandem solar cells as a function of the top and bottom perovskites.

Keywords: All-Perovskite, Tandem Solar Cells. References [1] Green MA, Dunlop ED, Hohl‐Ebinger J, Yoshita M, Kopidakis N, Hao X (2020) Solar cell efficiency tables (version 56). Progress in Photovoltaics: Research and Applications 28:629 – 638. https://doi.org/10.1002/pip.3303 [2] Graydon O (2009) Solar success for Sharp. Nature Photonics 3:684–684. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.224. [3] Koç M, Soltanpoor W, Bektaş G, Bolink HJ, Yerci S (2019) Guideline for Optical Optimization of Planar Perovskite Solar Cells. Advanced Optical Materials 7:1900944. https://doi.org/10.1002/adom.201900944 [4] Koç M, Ameri M, Yerci S (2021) Optical design of TCO-free interconnecting layer for all-perovskite tandem solar cells Appl. Phys. Lett. 119, 021102 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0048780.



27

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Substrate Fabrication Using Laser-Assisted Wet Etching of Crystalline Silicon

Alp Akbıyık*1,3, Nardin Avishan2,3, Emre Yüce1,2,3, Alpan Bek1,2,3

1Department of Physics, METU, Ankara, Turkey 2Micro and Nanotechnology Program, METU, Ankara, Turkey

3ODTÜ-GÜNAM, Ankara, Turkey corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract

Figure 1: SEM image of the fabricated SERS substrate composed of nanostructured silicon with 50 nm deposited silver on top

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy is a technique that embodies variety of substrate types fabricated by different methods ranging from adsorbing plasmonic nanoparticles to thin film coating and surface structuring. Although it merely serves to enhancing Raman signal coming from the analyte molecule, the geometry and plasmonic structure configuration possibilities are countless for the substrate fabrication. Here, we present a top-down approach by nano-structuring the surface of the n-type crystalline silicon using laser-assisted wet etching technique and depositing silver thin film coating onto the rough silicon surface. In the etching part, silicon wafers are immersed in an aqeous HF solution and illuminated by a CW 532 nm laser beam. Parameters that alter silicon surface roughness which are laser power, duration, spot size, and HF solution concentration etc. directly affect the near field enhancement when the silver is thermally evaporated on top of the structured silicon with different thickness. Substrates with those varying roughness and silver deposition parameters are characterized by obtaining Raman spectra from the dye molecules BCB (Brilliant Cresyl Blue) and Crystal Violet (CV) with different concentrations spin-coated on the substrates. As a result, significant enhancement is obtained from the substrates with such dye molecules down to 10-12 M order and silver thickness is shown to be the key parameter for enhancement in such configuration.

Keywords: Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, Laser-assisted chemical etching. Acknowledgment Support from TÜBİTAK under grant nrs. 119F101 and 2210E is greatly acknowledged. References [1] S.Schlücker, Surface‐Enhanced Raman Spectroscopy: Concepts and Chemical Applications. Angew. Chem. Int. Ed., 53: 4756-4795, 2014. [2] L. Koker, K.W. Kolasinski, Photoelectrochemical etching of Si and porous Si in aqueous HF, Phys. Chem. Chem. Phys.,2, 277-281, 2000.



28

Wavelength Normalization in Neural Networks enabled Forward and Inverse Design of Metasurfaces

İbrahim Tanrıöver1* and Koray Aydın1

1Department of Electrical and Computer Engineering, Northwestern University, Evanston, Illinois 60208, United States

İbrahim Tanrıöver, E-mail: [email protected] Abstract Deep learning methods have attracted great interest in various disciplines as they offer low-computational cost solutions to complex problems. Recently, design and simulation of metasurfaces has joined among these areas. Deep neural networks (DNNs) enabled metasurface designers/predictors showed significant improvements within a few years. Yet, there are still significant problems waiting for solutions. One of the challenges in DNN enabled metasurface design is the dimensional mismatch between input and output vectors of neural networks. For the forward problem, the DNN is used to predict optical response of a given metasurface for a certain spectral window. In this case, the output vector should be large enough to resolve the spectral features, especially resonances, whereas the feature space (the input vector) of metasurfaces are generally low-dimensional. To achieve the mapping from low dimensions to much larger dimensions, previous studies used up/down sampling method, which results in limited spectral resolution and loss of critical data points. Another challenge is limitation in the spectral window of operation. Prediction capabilities of current DNN based metasurface models (either forward or inverse) are limited to training spectral range. Prediction and design in another spectral range requires a separate training process with a new dataset prepared for the new spectral window, which in turn, introduce significant amount of computational cost. Lastly, material dispersion is introducing a trade-off between accuracy and available material range. Current models either ignore dispersion or are limited to only certain library of materials. Here, we propose the wavelength normalization method as a pre-processing step to simultaneously address the aforementioned problems. We showed that the wavelength normalization step enables unlimited spectral resolution, provides ability to generalize the solution for other training windows (spectral generalizability), and enables efficient handling of material dispersion while preserving capability to address the materials that were not introduced during training [1]. Based on our approach, we trained forward and inverse models considering dielectric cylindrical meta-atoms. Additionally, we applied our approach to complex valued neural networks (CVNNs), Figure 1, in order to expand our models’ span to include both dielectric and plasmonic materials concurrently [2]. As proofs of the concept, we realized forward and inverse design of several metasurfaces, including tunable metasurfaces.

Figure 1: Schematic of a complex valued neural network (CVNN). The network predicts optical response of the

structure described by the input vector. Complex values are allowed in both input and output vectors Keywords: deep learning, neural networks, metasurfaces, inverse design, dielectric, plasmonic Referanslar / References [1] Tanriover, I.; Hadibrata, W.; Aydin, K. Physics-Based Approach for a Neural Networks Enabled Design of All-Dielectric Metasurfaces. ACS Photonics 2020, 7 (8), 1957–1964. [2] Tanriover, I.; Hadibrata, W.; Scheuer, J.; Aydin, K. Neural Networks Enabled Forward and Inverse Design of Reconfigurable Metasurfaces. Opt. Express 2021, 29 (17), 27219–27227.



29

Deep Learning-Based Resolution Improvement Study Using Line-Scanning Confocal Microscopy for Skin Cancer Cells Monitoring

Amir Mohammad Ketabchi, Berna Morova, Alper Kiraz

Department of Electrical Engineering, Koç University, Rumelifeneri Yolu Sarıyer, 34450 İstanbul, Turkey

[email protected]

Abstract Confocal microscopy is a fundamental tool for biological imaging like skin cancer monitoring and retinal imaging. This method reduces the artifacts of the image and improves the contrast. In this research, we projected a series of illumination lines by a digital light projector (DLP) on the sample. The illumination lines are imaged to a rolling shutter complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) sensor. By overlapping the illumination line and the rolling shutter, the line scanning confocal imaging is attained. In the second part of the research, we trained a neural network to turn the simple images into images that could obtain with this method. The network can be trained on the simulated data or experimental datasets. The proposed scheme produced reconstruction results with much higher contrast. In the validation, the contrast of images increased by more than 150%. Besides, an improvement was observed in the full-width at half-maximum (FWHM).

(a) (b)

Figure 1: Outputs of (a) solid white imaging method and (b) Confocal line scanning imaging method

Keywords: Confocal Microscopy, Rolling Shutter, Neural Network Bibliography [1] GEORGE BARBASTATHIS, AYDOGAN OZCAN, and GUOHAI SITU, “On the use of deep learning for Computational Imaging”, Vol. 6, No. 8 / August 2019 / Optica [2] Wang, H., Rivenson, Y., Jin, Y., Wei, Z., Gao, R., Günaydın, H., ... & Ozcan, A. (2019). Deep learning enables cross-modality super-resolution in fluorescence microscopy. Nature methods, 16(1), 103-110.



30

Katkılı ve Katkısız VOx Filmlerin Terahertz Mikrobolometre Uygulamaları için İncelenmesi

Bahar Atik*1,2, Emrah Dirican1,3, Oytun Demirörs1,2, Hakan Altan1,4, Okan Esentürk1,2,3,

Mustafa Yıldırım1, and Tayfun Akın1,3,5 1ODTÜ MEMS Merkezi, 06510 Ankara, Türkiye 2Kimya Bölümü, ODTÜ, 06800 Ankara, Türkiye

3Mikro ve Nanoteknoloji, Fen Bilimleri Enstitüsü, ODTÜ, 06800 Ankara, Türkiye 4Fizik Bölümü, ODTÜ, 06800 Ankara, Türkiye

5Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, ODTÜ, 06800 Ankara, Türkiye Bahar Atik, E-mail: [email protected]

Özet Mikrobolometre teknolojisi, düşük üretim maliyetleri ve oda sıcaklığında çalışması nedeniyle Kızılötesi bölgesindeki potansiyelini kanıtlayarak, çeşitli uygulamalarda kullanılması istenir bir teknoloji haline gelmiştir. Bu istek, son zamanlarda Terahertz (THz) bölgesine doğru genişlemiştir. Öncelikle, söz konusu mikrobolometrelerdeki algılama, THz dalgalarının soğurulması sonucunda ısınan ve cihazın merkezinde bulunan sıcaklığa duyarlı malzeme tarafından sağlanır. Sıcaklığa duyarlı bu malzeme, sıcaklık değişimi sonucu elektriksel direnç değişimi gösteren, çoğunlukla VOx tabanlı bir malzemedir. VOx tabanlı malzemeler Kızılötesi bölgesinde kullanışlı olsa da THz dalgalarının arka plan radyasyonuna kıyasla düşük enerjisi cihazı oda sıcaklığında çalıştırmayı zorlaştırır. Bunun yanında, Kızılötesi dalgalarına kıyasla malzemenin sıcaklığını değiştirmede yetersiz kalarak direnç değişimini algılamayı da güçleştirir. Metal katkılı VOx filmler daha iyi bir performans gösterebilir ancak katkılamanın etkileri THz bölgesinde iyi anlaşılmamıştır. Bu çalışmada, Tungsten (W) katkılı ve katkısız VOx filmler üretilerek, katkılamanın hem elektriksel özellikler üzerindeki hem de THz bölgesindeki etkileri sıcaklığa bağlı olarak gözlemlenmiştir. Katkılama sonucunda filmlerin elektriksel dirençlerinin ve sıcaklığa bağlı değişimlerinin arttığı, 0.2-2.0 THz bölgesindeki geçirgenlik ve iletkenlik davranışlarının da büyük ölçüde etkilendiği görülmüştür. Bu ilişkiyi anlamak, THz bölgesindeki uygulamalar için daha iyi bir film elde etmek açısından büyük önem taşımaktadır. Anahtar Kelimeler: Mikrobolometre, THz, VOx, W katkılama Teşekkür Bu çalışma TÜBİTAK 1001 Projesi kapsamında (No. 120F067) desteklenmiştir.


31

Nanosecond Laser Tellurium Hyperdoped Black Silicon Produced by Metal Assisted Chemical Etching

S. N. Erkızan*1,3, C. Korkut1,3, N. Avishan2,3, K. Shehzad1,, A. Bek1,2,3 1Physics Department, Middle East Technical University, Ankara, Turkey 2Micro and Nanotechnology, Middle East Technical University, Turkey

3 Center for Solar Energy Research and Applications, Middle East Technical University, Ankara, Turkey

[email protected]

Abstract The photoresponse of the Silicon-based photonics systems is restricted due to the band gap of Si (1.12 eV, λ=1.1 μm) in the near-infrared region. The quasi direct and low bandgap of Tellurium (Eg= 0.355 eV) results in high optical efficiency and allows a thermostable extension in the near-infrared photoresponse of Si-based photonics systems. Sub band gap light absorption results from possible impurity band or deep energy levels are formed by Te impurity. Recent studies in chalcogen doped Si photodetectors focus on thermal treatment with pulsed laser irradiation which allows activating the sub band gap light absorption.[1,2,3] Highest absorption coefficient obtained for Si (104 𝑐𝑐𝑚𝑚−1) allows even comparison with the intrinsic Germanium-based photonics systems. [4] Due to the high aspect ratio of the nanopillars produced by metal-assisted chemical etching, these nanopillars can be also considered as optical cavities that may enhance optical excitation via confinement of photons in resonance modes. With these motivations, we aim to present nanosecond pulsed IR laser assisted Te hyperdoped Si nanopillar arrays produced by metal assisted chemical etching. Keywords: Te-doped Black Silicon, Nanosecond Pulsed Laser, Metal Assisted Chemical Etching Acknowledgements: This work was supported by the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK) Grant No: 118C294 and 218M994 References [1] Zixi Jia, Qiang Wu, Xiaorong Jin, Song Huang, Jinze Li, Ming Yang, Hui Huang, Jianghong Yao, and Jingjun Xu, "Highly responsive tellurium-hyperdoped black silicon photodiode with single-crystalline and uniform surface microstructure," Opt. Express 28, 5239-5247 (2020). [2] M. J. Sher and E. Mazur, Intermediate band conduction in femtosecond-laser hyperdoped silicon, Appl. Phys. Lett. 105(3), 032103 (2014). [3] J. P. Mailoa, A. J. Akey, C. B. Simmons, D. Hutchinson, J. Mathews, J. T. Sullivan, D. Recht, M. T. Winkler, J. S. Williams, J. M. Warrender, and P. D. Persans, Room-temperature sub-band gap optoelectronic response of hyperdoped silicon, Nat. commun. 5 (2014). [4] W. Yang, J. Mathews, and J. S. Williams, Hyperdoping of Si by ion implantation and pulsed laser melting, Mat. Sci. Semicon Proc 62, 103 (2017).



32

Oblique-Angle Deposition of Silver Film Over Shape-Modified Nanosphere for SERS Substrates

Nasim Seyedpour Esmaeilzad1, Özge Demirtaş1, Ahmet Kemal Demir2 and Alpan

Bek1,3 1 Micro and Nanotechnology Program, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey

2 Department of Physics, Bilkent University, 06800 Ankara, Turkey 3 Department of Physics, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey

corresponding author, E-mail: [email protected] Abstract Thin metallic film coated dielectric nanospheres are demonstrated to have a high potential for fabrication of cost-effective SERS substrates. In addition to the morphological advantages that nanospheres offer for attaining a high density of hotspots, possessing shape adjustability by uncomplicated thermal treatment make them an attractive platform for tuneable SERS substrates. Furthermore, when combined with oblique angle metal deposition technique, adjustable gaps at a high density and adjustable shape of metal films, such as silver (Ag) films, can be achieved on nanospheres. Applying small changes in deposition angle can provide means for fine adjustment of the SERS enhancement factor (EF), resulting in EF up to 108 measured using crystal violet dye molecule as a Raman analyte. This practice paves the way for the fabrication of high EF SERS substrates at a reasonable cost using a monolayer of self-organized nanosphere pattern. An ultra-thin Ag film coated at 5o tilt is shown to be an excellent substitute for a film deposited at 0o with double the thickness. There is a strong agreement between the experimental results and finite element method-based simulations exhibiting expected field enhancements up to 109 at a tilt angle of 5o. In summary, the demonstration of several ordered colloidal mask applications in light management for photonic devices is aimed at this thesis.

Figure 1: (a) Shape adjusted nanosphere array, (b) Tilted evaporation of Ag on NS arrays, (c) Top view of the Ag coated nanospheres depicting the field enhancement, (d) SERS spectra of shape-modified NSs coated with Ag using

oblique deposition method Keywords: Dielectric Nanospheres, Photovoltaic, SERS Acknowledgements: This work was supported by TÜBİTAK under grant nr 119F101 and TÜBİTAK 2211-C program and Turkish Council of Higher Education YÖK 100/2000 program for the scholarships. References [1] Ingram W M, Han C, Zhang Q and Zhao Y 2015 Optimization of Ag-Coated Polystyrene NanosphereSubstrates for Quantitative Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Analysis J. Phys. Chem. C 119 27639–48 [2] Seyedpour Esmaeilzad N, Demir A K, Hajivandi J, Ciftpinar H, Turan R, Kurt H and Bek A 2021 Nanosphere Concentrated Photovoltaics with Shape Control Adv. Opt. Mater. 9 1–11


33

Tm:LuAG Lazerinin Kendiliğinden-Q-Anahtarlamalı ve Üç Renkli Rejimleri

Fatma Kaya1, Hatice Bilici1, Ersen Beyatlı*1

1 Department of Electrical-Electronics Engineering, RecepTayyip Erdogan University, e-mail: [email protected]

Özet Çok renkli ve kendiliğinden Q-anahtarlama (SQS) rejimleri, katı hal lazer sistemlerinin iki ilginç rejimidir. Çok renkli rejimde, rezonatörden birden fazla dalga boyu salınımı elde edilir. Tek tip katkılı çok renkli lazerlerde, genel olarak kazanç ortamı olarak çift kırılımlı bir kristal veya (izotropik durumlarda) çift kırınımlı elemanlar kullanılır. [1]. Bazı durumlarda; izotropik kristal, geniş bir kazanç spektrumuna veya birden fazla kazanç bandına sahiptir. Böyle bir durumda, kazanç bandındaki çoklu dalga boyları, yoğun pompa uyarımıyla elde edilebilir [2]. Günümüze kadar bildiğimiz kadarıyla, bu sistemlerde şimdiye kadar sadece çift dalga boylu çalışması gözlemlenebilmiştir. SQS rejiminde ise sistemde herhangi modülasyon elemanı olmadan Q-anhtarlamalı darberler elde edilir. Bunun temel nedeni kazanç ortamında meydana gelen zamana bağlı bir mercek tarafından oluşturulan doğrusal olmayan bir kayıp mekanizmasıdır. Bu zamana bağlı değişim gösteren lens, nüfus terslenmesinin neden olduğu kırılma indisi değişimlerinden kaynaklanmaktadır. Bu olgu çift kırılmalı ve/veya düzensiz kazanç ortamlarında kolayca elde edilebilir [3]. Ancak, sıralı bir izotropik kazanç ortamındaki yoğun pompa uyarımı da daha yüksek nüfus terslenmesine olanak verererk SQS çalışmasına neden olabilir. Bu tür SQS genellikle darbeli pompalama teknikleriyle kolayca gözlenebilir. Sürekli dalga (cw) pompalı sistemlerde ise SQS sadece 1 µm bölgesinde gözlemlenmiştir[4]. 2 µm bandında ise sadece Tm:YAG kristali ile kararsız bir SQS elde edilebilmiştir [5]. Bildiğimiz kadarıyla, şimdiye kadar 2 µm bölgesinde sıralı bir izotropik kazanç ortamıyla kararlı bir cw pompalı SQS işlemi elde edilmemiştir. Bu çalışmada, izotropik bir 2 µm lazerinde üç renkli ve SQS rejimi ilk kez elde edilmiştir. Deneylerde, bu rejimler, 780 nm'de bir cw çok modlu lazer diyodu ile pompalanan standart bir 4 aynalı, x-katlamalı katı hal Tm:LuAG lazerinde hiçbir çift kırınımlı veya modülasyon elemanı olmadan elde edilmiştir. Üç renkli rejiminde, 542 mW çıkış gücü ile 2019, 2023, 2033 nm dalgaboylarının eşzamanlı salınımları gözlenmiştir (Şekil 1).SQS rejiminde, lazer 10.5 ve 13.3 kHz arasındaki tekrarlama frekanslarında 4-5 μs süreli darbeler gözlenmiştir (Şekil 2).

Anahtar Kelimeler: Tm:LuAG lazerleri, Kendiliğinden Q-anahtarlamalı lazerler, Çok renkli lazerler References [1] E. Beyatlı and U. Demirbas, Appl. Opt., 57, 6679 (2018) [2] I. Baylam, F. Canbaz, and A. Sennaroglu, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 24, 1(2018) [3] B. Zhang, et al., Opt. Laser Technol., 100,103 (2018) [4] J. Y. Zhou, et al., Laser Phys. Lett., 8, 591, (2011) [5] W. Zhang, H. L. Bai, L. P. Guo, and M. X. Li, Infrared Phys. Technol., 105, 103208 (2020)



34

Dual-Band Hybrid ITO-Au Metamaterial Light Absorber in the Visible and Near-Infrared Ranges

Ataollah Kalantari Osgouei1,2,*, Amir Ghobadi2,3, Bahram Khalichi2,3 and Ekmel

Ozbay1,2,3,4 1Department of Physics, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey

2NANOTAM- Nanotechnology Research Center, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey 3Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey

4UNAM- National Nanotechnology Research Center, Bilkent University, Ankara, 06800, Turkey corresponding author: E-mail: [email protected]

Abstract Metamaterial nearly perfect light absorbers (MPAs) with dual-narrowband functionality that absorb light in two narrowband adjacent wavelength regions have attractedconsiderable attention due to their intriguing applications, such as sensing, photovoltaic, and thermal emission. Here, we propose a multi-band MPA with two narrowband absorption responses that are centered on the visible and near-infrared (NIR) wavelengths [773 nm and 900 nm, respectively] and a broadband absorptive characteristic in another window in the NIR region [ranging from 1,530 nm to 2,700 nm with a bandwidth of 1,170 nm]. The MPA comprises a periodic array of self-aligned hybrid indium tin oxide (ITO)-Au split-ring resonators that are separated from an optically thick bottom reflector with a SiO2 layer. Based on numerical calculations, which are accompanied with a semi-analytical examination, we find that the dual narrowband and broadband responses are attributed to the hybridization of the optical responses of gold as a plasmonic material with the ones of ITO. Note that ITO acts as a low-loss dielectric in the visible range and a lossy plasmonic material in the NIR region. Moreover, due to the applied symmetry in the unit cell of the metamaterial, the proposed MPA represents polarization insensitive and omnidirectional absorptive features. The proposed metastructure can find potential applications in selective thermophotovoltaicdevices, thermal emitters, and sensors [1, 2].

Figure 1: (a) Schematic of the self-aligned hybrid ITO-Au metamaterial nearly perfect light absorber. The unit cell of

the metamaterial is depicted in panel (c). Panel (b) represents the optically equivalent model of the MPA shown in panel (a) in which the top effective medium layer is replaced by the self-aligned ITO-Au SRR array

Keywords: Hybrid metamaterials, light absorbers, visible, near infrared. Acknowledgements: Ekmel Ozbay acknowledges partial support from the Turkish Academy of Sciences (TUBA). References [1] Osgouei, A. K., Hajian, H., Serebryannikov, A. E., & Ozbay, E. (2021). Hybrid indium tin oxide-Au metamaterial as a multiband bi-functional light absorber in the visible and near-infrared ranges. Journal of Physics D: Applied Physics, 54(27), 275102. [2] Shi, L., Shang, J., Liu, Z., Li, Y., Fu, G., Liu, X., ... & Liu, G. (2020). Ultra-narrow multi-band polarization-insensitive plasmonic perfect absorber for sensing. Nanotechnology, 31(46), 465501.



35

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Biosensor for SARS-CoV-2 Detection

Buse Bilgin1,2, Hülya Torun2,3, Müslüm İlgü4,5, Cenk Yanık6, Şükrü Numan Batur7, Süleyman Çelik6, Meriç Öztürk4, Özlem Doğan8,9, Önder Ergönül8,9, İhsan Solaroğlu2,3,10, Füsun Can8,9,

Mehmet Cengiz Onbaşlı1,2,3,7,9*

1 Electrical and Electrical Engineering, Graduate School of Sciences and Engineering, Koç University, Sarıyer, Istanbul 34450, Turkey

2Koç University Research Center for Translational Medicine, Koç University, Sarıyer, Istanbul 34450, Turkey.

3Bio-Medical Sciences and Engineering, Graduate School of Sciences and Engineering, Koç University, Sarıyer, Istanbul 34450, Turkey

4Department of Biological Sciences, Middle East Technical University, Çankaya, Ankara 06500, Turkey.

5Aptalogic Inc., Ames, Iowa 50014, United States. 6 SUNUM, Sabanci University Nanotechnology Research and Application Center,

Tuzla, Istanbul 34956, Turkey 7 College of Engineering, Department of Electrical and Electronics Engineering,

Koç University, Istanbul 34450, Turkey 8 School of Medicine, Department of Infectious Diseases and Clinical

Microbiology, Koç University, Sarıyer, Istanbul 34450, Turkey. 9 Koç University İş Bank Center for Infectious Diseases, Koç University, Topkapı,

Istanbul 34010, Turkey. 10 School of Medicine, Department of Neurosurgery, Koç University, Sarıyer,

Istanbul 34450, Turkey corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract COVID-19 is detected in nasal swabs using reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR). For safe and accurate mass testing, a highly sensitive and fast detection technique based on easily collected fluids such as saliva must be developed. Here, we introduce an optimized SERS surface for direct sensing of COVID-19 from unprocessed saliva. We computationally screen gold metasurfaces out of a pattern space of 2 100 combinations for strongly-enhanced light-virus interaction with machine learning and use it to investigate the presence and concentration of the SARS-CoV-2. We functionalized the SERS metasurfaces using thiol-modified DNA aptamers specific for the spike proteins of the virus. Next, we formed a sandwich assay of a secondary fluorescent DNA aptamer, the virus and primary DNA aptamers on the SERS chip and measured the Raman spectra. On 36 PCR positive and 33 negative clinical samples, we used machine learning to identify the virus from Raman spectra with 95.2% sensitivity and specificity, and to identify wild-type, alpha, and beta variants; the confusion matrices are shown in Figure 1. Our findings may pave the way for more effective, safe, and quantitative preventive screening and variant identification.

Figure 1: Confusion matrices of the clinical samples and the variant analysis

Keywords: Raman spectroscopy, SERS, machine learning Acknowledgements: Funding support by the Turkish Institutes of Health (TÜSEB) with Project No. 7118-8798 is gratefully acknowledged.



36

Terahertz Altı Frekans Bölgesi İçin Mikrobolometre Pikselinin Optimizasyonu

Oytun Demirörs*1,2, Bahar Atik1,2, Emrah Dirican1,3, Hakan Altan1,4, Okan Esentürk1,2,

Mustafa Yıldırım1, Tayfun Akın1,5

1 ODTÜ MEMS Merkezi, 06510, Ankara Türkiye 2 Fen-Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ), 06800 Ankara,

Türkiye 3 Fen Bilimleri Enstitüsü, Mikro ve Nanoteknoloji Departmanı, ODTÜ, 06800 Ankara, Türkiye

4 Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, ODTÜ, 06800 Ankara, Türkiye 5 Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, ODTÜ, 06800 Ankara,

Türkiye Oytun Demirörs, E-mail: [email protected]

Özet Terahertz (THz) bölgesinde görüntüleme teknolojileri son yıllarda dikkat çeken konular arasındadır, ancak THz rejiminin doğası, görüntüleme teknolojilerinde zorluklara sebep olmaktadır. Uzun dalga boyu, yüksek maliyet ve oda sıcaklığında düşük emisyon seviyeleri gibi zorluklar nedeniyle bu teknoloji halen yaygın olarak kullanılmamaktadır. Kızılötesi (IR) bölgesinde gerçek zamanlı görüntüleme konusunda kendini kanıtlamış mikrobolometre teknolojisi THz bölgesinde de bir çözüm olabilir. Ancak bu olası çözüm için THz dalgalarının yüksek atmosferik soğurulmasından dolayı, atmosfer tarafından daha az soğurulan 1 THz altı frekans rejiminde çalışan bir mikrobolometre pikselinin üretilmesi gereklidir. Daha uzun dalga boylarının soğurulabilmesi için gereken büyük piksel boyutları ve bunun sonucunda ortaya çıkan yüksek termal kütle, THz rejiminde mevcut mikrobolometre uygulamalarını sınırlayan etmenler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu sınırlamalar nedeniyle THz mikrobolometreler için benzersiz bir soğurucu tasarımı gereklidir. Bu çalışmada ilk olarak ticari IR mikrobolometrelerde kullanılan metal ince filmler, 1 THz altı bölgede soğurma performansı açısından incelenmiştir. Metal ve metal alaşımlarından üretilen ince filmler bu bölgede IR’e göre belirgin şekilde daha düşük bir soğurulma göstermektedir. Bu soğurucu katmanların performansını iyileştirmek ve piksel boyutlarını küçültebilmek amacıyla, dielektrik malzemeler ve metallerin mikrofabrikasyon metotları ile uygun geometrik desene getirilmesine dayalı etkin ortam ince filmlerin kullanımı araştırılmıştır. Karmaşık dielektrik sabiti uygun şekilde ayarlanmış etkin ortam ince filmler incelenerek 1 THz altı radyasyonun yüksek seviyede soğurulmasının sağlanması hedeflenmektedir. Anahtar Kelimeler: Terahertz, Absorber, Mikrobolometre, İnce Film, Etkin Ortam Teşekkür: Bu çalışma 120F067 no.lu TÜBİTAK 1001 Projesi kapsamında desteklenmiştir.



37

Yüksek Hızlı Görünür Işık Haberleşmesi İçin CMOS Tabanlı Monolitik Alıcı Tümdevresi

R. Kısacık1*, Y. Yağan2, M. Uysal1, T. Baykaş3, G. Dündar2, A. E. Pusane2, A. D. Yalçınkaya2

1 Özyeğin Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 34794, Çekmeköy, İstanbul 2 Boğaziçi Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 34342, Bebek, İstanbul

3 Kadir Has Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 34083, Cibali, İstanbul [email protected]

Özet

Şekil 1: (a) Mikro kırmık tabanlı görünür ışık haberleşme sistemi, (b) Gerçeklenen kırmığın mikrografı

Beyaz ışık yayan LED aygıtları, gerek iç gerek dış ortam aydınlatma için, floresan veya akkor lambalara göre enerji etkin, ucuz, küçük ve güvenilir bir çözüm kümesi oluşturmaktadır. Aydınlatma için kullanılan beyaz LED ışığının aynı zamanda kablosuz olarak maliyet etkin bir şekilde yerel alan ağlarında (Local Area Network-LAN) kullanılması önerilmiştir. Bu önerme, beyaz ışık veren LED aygıtını süren elektriksel işaretin verici tarafında modüle edilip, alıcı tarafında bir fotodiyotla toplanmasına, yani aydınlatma ve kablosuz iletişimin aynı anda yapılması fikrine dayanmaktadır. Bu tür sistemler, optik kablosuz görünür ışık iletişim (Visible Light Communication- VLC) sistemleri olarak adlandırılır [1] (Şekil 1). Bu çalışmada CMOS tümdevre teknolojisi kullanarak, elektronik devreler ile birlikte, monolitik (tek alttaş) olarak fotodiyot ile birlikte bir görünür ışık haberleşme sistemi geliştirilmiştir. Şekil-1.a ile verilen VLC sisteminin alıcı tarafında yer alan tümleşik fotodiyot içeren tümdevre 2.25 mm2 boyutunda tek kırmık olarak Şekil-1.b ile gösterildiği gibi gerçekleştirilmiştir. 130 nm CMOS teknolojisinde tasarımı gerçekleştirilen opto-elektronik alıcı devre için tasarlanan fotodiyot, trans-empedans kuvvetlendiricisi, denkleştirici/eşleştirici, tampon devresi (buffer) gibi blokları içeren yapıların tamamı farksal, düşük güç ve gürültüye sahip olacak biçimde optimize edilmiştir. Fotodiyot, CMOS teknolojisinde var olan aygıt katmanları kullanılarak görünür ışık opto-elektronik verimliliği için optimize edilmiş (n-kuyu derinliği, yüzey metalizasyonu ve jonksiyon/eklem alanı) bir eklem bölgesine sahiptir. Fotodiyotu izleyen düşük gürültülü trans-empedans kuvvetlendiricisi 168 MHz 3-dB bant genişiliğinde 59 dB-Ohm kazanç vermektedir. İzleyen blok eşleştirici, sistemin genlik yanıtının geniş bir bantta sabit bir değerde tutulabilmesi ve farklı frekans cevabına sahip ışık kaynakları ile kullanılabilmesi için 500 kHz, 1 MHz ve 3 MHz frekanslarında transmisyon sıfırı (zero) sağlayan, anahtarlamalı bir CMOS elektronik bloğudur. Böylelikle VLC sisteminde kullanılabilecek olası tüm bant genişlikleri için elektronik olarak ayarlanabilir, yüksek bant genişliği sağlayan bir alıcı gerçeklenebilmiştir. Elde edilen geniş bantlı işaretin zayıflamadan tümdevre dışına iletilmesini sağlayan tampon devre ile sayısal çıkış oluşturulmuştur. Anahtar Kelimeler: CMOS Tümdevre, Görünür Işık Haberleşmesi, Eşleme, LED Teşekkür: Bu çalışma TÜBİTAK 117E058 Projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Kaynaklar [1] P.H. Pathak et al. IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no.4, pp 2047-2077, 2015. [2] J. Gancarz et al. IEEE Trans. Consum. Electron., Vol. 51, No. 12, 34–41, 2013. [3] T. Komine et al. IEEE Trans. Consum. Electron., Vol. 50, No. 1, 100–107, 2004.


38

Topology Optimization with Adjoint Method for Broadband Thermal Emission

Muhammed Ali Kecebas1, Kursat Sendur*1,2

1 Faculty of Engineering and Natural Science, Sabanci University, Istanbul 34956, Turkey 2 Center of Excellence for Functional Surfaces and Interfaces, Sabanci University, Istanbul 34956,

Turkey corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract Broadband absorption/emission is high desired in several applications including thermophotovoltaics [1], solar absorbers [2], and energy harvesting [3]. Metamaterials [4] and photonic crystals [5] are widely utilized to achieve broadband absorption at different portions of the electromagnetic spectra. Plasmonics, multilayer interference, epsilon-near-zero and epsilon-near-pole (ENZ and ENP) phenomena are reported to be some of the responsible mechanisms of the elevated absorption. Using the knowledge regarding such phenomena, researchers and engineers have tried to tailor the emission/absorption characteristics of the electromagnetic spectrum by exciting those mechanisms with different types of structures, e.g. multilayers, patterned surfaces and micro/nano-particles. Development of such structures requires deep intiution and extensive parametric analysis. However, efficient search of the available design space allows the designers to end up with broadband absorbers/emitters with superior characteristics by exploring both intuitive and non-intutive structures. For this purpose, inverse design methods have attracted great attention. Among many other methods, adjoint based calculation of the sensitivity for topology optimization become prominent due to its computational advantage. With such approach, sensitivity of the figure of merit to a small perturbation is calculated with only 2 simulations, indepdent of the number of design parameters. Such effective calculation of the sensitivity allows to end up with designs in a much shorter frame, which cannot be possible by heuristic methods and finite difference based calculation of the gradient. By using the methodology described in [6], broadband thermal emitters in 0.3 – 3 μm spectrum are designed. Periodically arranged rectangular gratings are considered as initial intuitive designs. Those initial designs are fed to the implemented inverse design algorithm. Obtained structures after the topology optimization exhibit 25 % absoption/emission improvement compared to initial structures. Final structures exhibit 80 % percentage absorption in average in 0.3 – 3 μm which is around 40 % in film form. In addition, mechanisms that lead to such elevated absorption in broadband as well as the resulting distinct peaks over the spectrum are studied. Effect of dispersion in optical properties of ZrB2, the coating material we have used which belongs to family of ultra high temperature ceramics, and geometrical dimensions are reported. Keywords: Broadband absorption, topology optimization, adjoint method Acknowledgements: This work is supported by TUBITAK through project 120F152. References [1] Fleming, J. G., Lin, S. Y., El-Kady, I., Biswas, R., & Ho, K. M. (2002). All-metallic three-dimensional photonic crystals with a large infrared bandgap. Nature, 417(6884), 52-55. [2] Celanovic, I., Jovanovic, N., & Kassakian, J. (2008). Two-dimensional tungsten photonic crystals as selective thermal emitters. Applied Physics Letters, 92(19), 193101. [3] Bermel, P., Boriskina, S. V., Yu, Z., & Joulain, K. (2015). Control of radiative processes for energy conversion and harvesting. Optics Express, 23(24), A1533-A1540. [4] Liu, X., Tyler, T., Starr, T., Starr, A. F., Jokerst, N. M., & Padilla, W. J. (2011). Taming the blackbody with infrared metamaterials as selective thermal emitters. Physical review letters, 107(4), 045901. [5] Rinnerbauer, V., Shen, Y., Joannopoulos, J. D., Soljačić, M., Schäffler, F., & Celanovic, I. (2014). Superlattice photonic crystal as broadband solar absorber for high temperature operation. Optics express, 22(107), A1895-A1906. [6] Miller, O. D. (2013). Photonic design: From fundamental solar cell physics to computational inverse design. arXiv preprint arXiv:1308.0212.



39

Titreme Engelleyici Sayısal Kodlanmış Ön-Eşlemeli Görünür Işık Haberleşme Sistemi

Rifat Kısacık1, Yaser Yağan*2, Murat Uysal1, Ali E. Pusane2, Arda D. Yalçınkaya2

1 Özyeğin Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 34794, Çekmeköy, İstanbul 2 Boğaziçi Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 34342, Bebek, İstanbul

[email protected] Özet

Şekil 1: (a) Ön eşleme sisteminin ve eşlenmiş sistemin frekans cevabı (b) Titreme engelleyici sayısal kodlama ile elde

edilen Bit-Hata Oranı iyileştirmesi Yüksek iletim hızına sahip görünür ışık haberleşmesi (VLC) sistemleri için başlıca sınırlama gönderici tarafta yer alan ışık kaynağı tarafından (LED) belirlenmektedir. Aydınlatma amacıyla optimize edilmiş görünür LED ışık kaynaklarının frekans bandı bir kaç MHz ile sınırlı olmakta, dolayısıyla basit modülasyon tekniklerinin (örneğin açık-kapalı anahtarlama/ on-off keying-OOK) kullanımı ile ancak bir kaç Mbps ile bilgi aktarımına imkan verebilmektedir [1][2]. Literatürde bu sorunu aşmak için önerilen çoklu taşıyıcılı iletim gibi yöntemler karmaşık ve hataya yatkın hesaplamalar içermesi ve ortalama iletim sırasında LED tepe gücü ile ortalama gücü arasındaki yüksek oran gibi dezavantajlara sahiptir. Bu nedenle, bu çalışmada VLC sisteminin bant genişliğini artıran ve OOK yöntemi ile kabul edilebilir bit-hata-oranı sağlayan eşleme yöntemi uygulanmıştır. Önerdiğimiz ön eşleme yöntemi, Şekil 1 (a) ile verildiği gibi, eşleme uygulanmamış LED kaynağın kullanıldığı bir VLC sistemine göre iletim hızını 100 kat kadar artırabilmektedir. Bant genişliğindeki artışa ek olarak ışık kaynağınının titremesinin (flicker) azaltılması için ön eşlenmiş sürücü işaret kodlanmış ve bit-hata-oranının iyileştirilmesi sağlanmıştır [3]. Bu yöntemden elde edilen deneysel sonuçlar, 1.5 MHz bant genişliğine sahip beyaz ışık veren LED aygıtı kullanıldığında OOK yöntemi ile 180 Mbps iletim hızında yaklaşık 7´10-3 bit-hata-oranına (BER) sahip bir görünür ışık haberleşmesi sisteminin gerçekleştirildiğini göstermiştir (Şekil 1 (b)). Anahtar Kellimeler: Görünür Işık Haberleşmesi, Eşleme, LED. Teşekkür: Bu çalışma TÜBİTAK 117E058 Projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Kaynaklar [1] Li, J. F. et al. Opt. Express, Vol. 21, No. 25, 31006– 31011, 2013. [2] Li B. et al. IEEE Photonics Journal, Volume 7, Number 4, August 2015. [3] R. Kisacik et al. IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 33, no. 17, pp. 955-958, 2021.


40

Düzensiz Fe60Al40 İnce Filminde Lazer Şiddeti ile Tek Basamaklı Demanyetizasyon Dinamiğinden, İki Basamaklı Dinamiğe Geçiş

M. Arslan1, C. Beşe1,3, Z. Tabak1, T. Bozdağ1, E. Duman2, G. Yağlıoğlu1

1Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, 06100, Ankara/Türkiye 2Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Enerji Mühendisliği Bölümü, 06830, Ankara/Türkiye

3Hacettepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, 06800, Ankara/Türkiye corresponding author, E-mail: [email protected]

Özet Lazer etkisi ile ultra hızlı demanyetizasyon dinamiklerinin anlaşılması, manyetik depolama cihazları ve spintronik alanındaki uygulama potansiyelleri dolayısıyla manyetizma araştırmalarındaki en zorlu ve yeni konulardan birisidir. FeAl ince filmlerinde lazer etkisi ile oluşan düzenli-düzensiz kristal yapı geçişi sayesinde ortaya çıkan ferromanyetizmanın anahtarlanması, son zamanlarda deneysel olarak gösterilmiştir. FeAl ince filmlerindeki ferromanyetik düzenlenimin ultra hızlı lazer darbeleriyle yazılıp silinebilmesi, bu malzemenin manyetik bilgi depolama ve manipülasyonu gibi yeni uygulama imkanlarının oluşmasını sağlayabilir. İnce filmlerde manyetik durumun anahtarlanma hızı bu uygulamalar için kritik bir parametredir. Bu sebeple, bu çalışmada Fe60Al40 ince filmlerinin ultrahızlı demanyetizasyon dinamiklerinin oda sıcaklığında incelenmesi için zaman çözünürlüklü manyeto optik Kerr etkisi deney düzeneği (TR-MOKE) kurulmuş ve kullanılmıştır. Pompa lazerinin şiddeti artırılarak tek basamaklı demanyetizasyon dinamiğinden (Tip-I), iki basamaklı dinamiğe (Tip-II) geçiş aynı örnek üzerinde ilk defa bu çalışmada gözlenmiştir. Bu deneysel gözlem, ultra hızlı demanyetizasyon işleminin ısısal bir işlem olarak ele alınabileceğine ve elektron ile spin sistemleri arasındaki sıcaklık farkları ile yönlendirilebileceğine dair güçlü bir ispat olabilir.

Şekil 1: Fe60Al40 ince filminde lazer şiddetinin artması ile tek basamaklı demanyetizasyon dinamiğinden çift

basamaklı demanyetizasyon dinamiğine geçişin oda sıcaklığında deneysel olarak gözlenmesi

Anahtar Kelimeler: Ultra hızlı demanyetizasyon, ultra hızlı manyeto optik kerr etkisi Acknowledgements: Bu çalışma Tübitak 1001 projesi (117R017) kapsamında desteklenmiştir. Referanslar [1] Beaurepaire, E.; Merle, J.-C.; Daunois, A.; Bigot, J.-Y. Ultrafast Spin Dynamics in Ferromagnetic Nickel. Physical Review Letters 1996, 76 . [2] Koopmans, B.; Ruigrok, J. J.; Longa, F. D.; Jonge, W. J. D. Unifying ultrafast magnetization dynamics. Physical Review Letters 2005, 95. [3] Longa, F. D.; Kohlhepp, J. T.; de Jonge, W. J. M.; Koopmans, B. Influence of photon angular momentum on ultrafast demagnetization in nickel. Physical Review B 2007, 75. [4] Kirilyuk, A.; Kimel, A. V.; Rasing, T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order. Reviews of Modern Physics 2010, 82, 2731-2784.



41

Mikroküreler Kullanılarak Femtosaniye Lazer ile Silisyum Yüzeyin Mikron Altı Seviyesinde Periyodik Olarak İşlenmesi

Fırat İdikut*1, Burcu Karagöz1, Alpan Bek1,2

1 Fizik Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800 Ankara –Türkiye / 2 Güneş Enerjisi Araştırma Merkezi (GÜNAM), Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800 Ankara –

Türkiye corresponding author, E-mail: *[email protected]

Özet Elektronik ve fotonik uygulamalarda silisyum (Si) yüzey ve yüzey altı modifikasyonu, son yıllarda en popüler araştırma alanlarından biri haline gelmiştir [1]. Si yüzeylerinin mikron ve mikron altı seviyede işlenmesi fotonik cihazların performansını artırmak için önemli bir unsurdur. Litografi teknikleri; elektron iyon ışını ve odaklanmış iyon ışını; Si'yi bu seviyelerde modellemek için kullanılan bilinen yöntemlerdir. Ancak, bu yöntemler çok zaman alıcıdır ve maliyetlidir. Büyük ölçekli numunelerin (> 1 cm) işlenmesi bu yöntemlerdeki ana zorluktur. Bunu çözmek için doğrudan yazma yöntemi [2], yarı iletkenlerin işlenmesine alternatif bir yaklaşımdır. Lazer ışınlaması ile elde edilebilecek en küçük yapı, kırınım optik limitasyonlarından dolayı sınırlıdır. Bu limitin sınırlarında veya ötesine geçebilmek için 1.55 µm femtosaniye lazer ile iki foton soğurum rejiminde Si'nin ablasyonunu başarma kabiliyetine sahip odaklayıcı mikro lensler olarak işlev gören Si substrat üzerinde düzgün dağılmış mikro küreler ile doğrudan yazma işlemi gerçekleştirilmiştir.

Şekil 1: (a) 50 µm adım mesafesi ile işlenmiş alanın optik mikroskop görüntüsü. 1.55 µm lazer darbelerinin altında 4.5 µm çapında kürelerin yakıldığı gösterilmiştir. (b) Aseton temizliğinden ve kimyasal aşındırma işlemlerinden sonra ve

işlenen alan optik mikroskop görüntüsü. (c) Bölgenin SEM görüntüsü

Değişik çapta mikrokürelerle yapılan denemelerde elde edilen sonuçlarda Si’nin yüzeyine verilen hasarın temel sebebinin mikrokürelerin kırınım limitlerinde bile odaklayıcı etkisinin olması ve iki foton soğurulmasına yetecek eşik enerjiyi yüzey üzerinde toplayabilmesi olduğu gösterilmiştir. Oluşan yapılarda ışık hüzmesinin geçtiği yerlerin üzerinde bulunan kürelerin tek katman olarak serpiştirilmiş olması yüzeyin periyodik olarak işlenmesine olanak sağlamıştır. Bu konu üzerine daha detaylı araştırmalar NanoOptik Laboratuvarı/ ODTÜ’de devam etmektedir. Anahtar Kelimeler: mikroküre, femtosaniye, iki foton soğurumu Acknowledgements: Yazarlar, bu çalışmanın ilk aşamasında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Mikro ve Nano Teknoloji (MNT) programından Mona Zolfaghari Borra ve Nasim Seyedpour Esmaeilzad'ın destek ve katkılarını kabul etmektedir. Bu çalışma TÜBİTAK tarafından nr. 118F132 ve Orta Doğu Teknik Üniversitesi hibe no. BAP-105-2018-2798 ile desteklenmiştir. Referanslar [1] F. Priolo, T. Gregorkiewicz, M. Galli, T. F. Krauss, Silicon nanostructures for photonics and photovoltaics, Nature Nanotechnology, Vol. 9, 2014, pp. 19-32.. [2] A. Pena, Z. Wang, D. Whitehead, L. Li, Direct writing of micro/nano-scale patterns by means of particle lens arrays scanned by a focused diode pumped Nd:YVO4 laser, Applied Physics A, Vol. 101, 2010, pp. 287-295.

mailto:*[email protected]


42

Fourier Domain Distributed Strain Sensing with Dual Pulse Probe

Muhammed Kaan Yıldız*1,2, Faruk Uyar1,2, Tolga Kartaloğlu1, Ekmel Özbay1,2,3, İbrahimÖzdür4

1NANOTAM, Bilkent University, Ankara, Turkey 2Department of Electrical Engineering, Bilkent University, Ankara, Turkey

3Physics, Bilkent University, Ankara, Turkey 4Department of Electrical Engineering, TOBB ETU, Ankara, Turkey

corresponding author, E-mail: [email protected] Abstract Distributed stain and acoustic sensing have applications in structual monitoring and perimeter security [1]. In typical configuration, these metrologies inject a pulse into a fiber under test. The back-reflected light by Rayleigh Scattering or Bragg grating contains an information about the perturbation on the illumunated sensor region. In this work, we report a novel method for distributed strain and acoustic sensing (DSS and DAS). Our method utilizes optical time domain reflectometry with dual pulse interrogatation train [1]. In the presence of a strain on a fiber, the refractive index and the physical length of the fiber changes. These changes result in a different time of arrival of the reflected light. The change can be calculated considering strain-optic theory and solid mechanics which translates into change of the frequency of illuminating light by 0.78νΔε, where ν and Δε are the optical frequency near C-band and the change in strain, respectively [2]. Hence, the change in the frequency of the reflected light can be used to obtain Δε. However, utilizing a spectrum analyser is slow. This can be circumvented by downconvering it by coherent detection. Yet, coherent detection setup makes the interrogating unit more complex. Instead of coherent detection, a dual pulse train with frequency difference Δν and time delay can be injected to the fiber, effectively downconverting the optical frequency to several tens of MHz. To demonstrate the method described above, we used the setup in Fig.1 (left). A light is synthesized from a narrow linewidth laser and amplified via Erbium Doped Fiber Amplifer (EDFA) and shaped into a dual pulse train by acousto-optic modulator (AOM). Subsequently, this probe train is injected to a fiber with a fiber wound piezo-electric stretcher (PZT) at 1 km over a circulator. Rayleigh Scattering from PZT is collected by same circulator and amplified with a High-Gain EDFA (HG-EDFA) then filtered and photodetected with 250 MHz photdetector (PD). Later, processing is done offline. In the experiment, we changed the voltage supplied to PZT and acquired back-reflection waveform. For each waveform, we obtained a spectrogram with short-time Fourier transform. Then, we converted frequency axis in the spectrogram to strain axis by subtracting Δν (40 MHz) and dividing the frequency axis by 0.78ν/106 (150 MHz) (Fig.1 (right)). Direction of movement of fringe in the spectrogram is indicated by red arrows. The strain change obtained by this method is linear (10.6 nε/V) and close to the expected value for PZT used in the experiment which has 12.3 m fiber wound around it and stretches the fiber by 0.14 μm per volt (11.4 nε/V).

Figure 1: Left: Optical setup, see text for explanation, Right: Spectrogram of the back-reflected waveform Keywords: Strain sensing, OTDR, dual-pulse Referances [1] Hartog, Arthur H. An introduction to distributed optical fibre sensors. CRC press, 2017. [2] Liehr, Sascha, Yonas Seifu Muanenda, Sven Münzenberger, and Katerina Krebber. "Relative change measurement of physical quantities using dual-wavelength coherent OTDR." Optics Express 25, no. 2 (2017): 720-729



43

High Aspect Ratio Micro-Hole Drilling with Controlled Diameters on Si by Using Subsurface Laser Processing and Selective Chemical

Etching

Mona Zolfaghari Borra1,2, Behrad Radfar1,2, Hisham Nasser1, Rasit Turan1,2,3, Ihor Pavlov1,3, and Alpan Bek1,2,3

1 The Center for Solar Energy Research and Applications (GÜNAM), Middle East Technical University, 06800, Ankara, Turkey

2 Micro and Nanotechnology Graduate Program, Middle East Technical University, 06800, Ankara, Turkey

3 Department of Physics, Middle East Technical University, 06800, Ankara, Turkey

E-mail: [email protected] Abstract We demonstrated laser-induced Si drilling technology to fabricate micron-size holes in c-Si wafers. As an application of 3D sculpting, achieving high aspect ratio hole drilling in Si is interesting for microfluidics, photonic devices and Via formation in Si electronics [1,2]. The laser is focused deep in Si, induces structural modifications near the focal point due to multiphoton absorption. The holes scan of the focal position inside Si, positioned in the back surface plane with a single circular motion of the laser beam, produces quasi-2D modified Si regions. The modified regions are then etched by our developed chemical etchant to selectively attack the laser-modified regions at high rates. Figure 1 indicate the fabrication procedure of micro holes. In order to achieve a high etch rate and smooth and defect-free surface, enhanced composition of HF:HNO3:CH3COOH:H2O – 14:16.25:18:51.75 with 1 g of Cu(NO3)2.3H2O has been used. This technology allows obtaining a controllable hole diameter in the range of less than 10 µm in two-step fabrication in Si. The first step is laser processing, and the second step is the removal of modified regions with selective chemical etching. With this technique, micro-holes with a diameter of less than ~10 µm were successfully developed and fabricated for 90 minutes etching with a depth of 250 µm. Additionally, periodic arrays of holes with controlled depth and diameter were fabricated with this advanced technology.

Figure 1: Steps of micro hole processes: Modified part after single circular motion of the laser processing (a), Selective chemical etching (b), Periodic hole drilling (c)

Keywords: laser processing, subsurface modifications, selectivity, silicon Acknowledgements This work is funded by the Scientific and Technological Research Council of Turkey under grant number TUBİTAK: 118E995. References [1] B.M. Motoyoshi, Through-Silicon Via (TSV), 97 (2009) 43–48 [2] D.Y. Jung, K.J. Moon, B.L. Park, G. Choi, H.K. Kang, C. Chung, Y. Rho, Properties of isolation liner and electrical characteristics of high aspect ratio TSV in 3D stacking technology, ASMC (Advanced Semicond. Manuf. Conf. Proc. (2012) 198–200. https://doi.org/10.1109/ASMC.2012.6212888.

https://doi.org/10.1109/ASMC.2012.6212888


44

TEC Kontrol Kartı


*[email protected] Özet FiberLAST, Ar-Ge odaklı inovasyona ve en son teknolojinin uygulanmasına dayanan gelişmiş fiber lazer sistemleri tasarlayan ve üreten özel bir endüstriyel şirkettir. FL-LDTECC serisi TEC kontrolcüsü, özelleştirilebilir parametrelere sahip bir dijital kontrol döngüsüne ve yüksek performans ve esnek kullanım sunan dijital veya analog ayar noktası kontrolüne sahiptir. İçerisinde TEC bulunan lazer diyotların TEC modüllerinin kontrolü için tasarlanmıştır. Şekil 1’de TEC kontrolcüsü kartı gösterilmiştir. Genel bilgiler aşağıda belirtilmiştir. Geniş ayar noktası sıcaklık aralığı: 5°C - 40°C, Yüksek verimlilik: %94'e kadar, Maksimum çıkış akımı: 2A, Gerçek nesne sıcaklığı izleme, Yüksek kararlılık, Yüksek güvenilirlik ve düşük EMI, Kompakt boyut, Pb içermez.

Aşağıda TEC kontrol kartının başlıca kullanım alanları verilmiştir. TEC sıcaklık kontrolü, Optik modüller, Optik fiber yükselticiler, Optik ağ sistemleri, TEC sıcaklık kontrolü gerektiren cihazlar. TEC kontrol kartı özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Parametreler Min Typ Max Unit/Notes VIN 3.3 5.5 V VIH 1.75 5 V, dijital giriş sinyali için VIL 0.75 V, dijital giriş sinyali için |VTEC| 3.1 V |ITEC| 1.4 2.0 A, varsayılan limit 1.4 A. Gereksinimlere göre 2 A’e kadar

özelleştirilebilir. TEMPSP 0 2.5 V, 5°C’den 40°C’ye. Gereksinimlere göre özelleştirilebilir Temperature Kararlılığı

0.2 °C

Tepki Süresi 5 s, 1 adımda 0.2°C ayar noktasına yakınlıkta Çalıştırılabilir Sıcaklık Aralığı

-40 85 °C

Anahtar Kelimeler: TEC sıcaklık kontrolü, Optik modüller, Optik fiber yükselticiler, Optik ağ sistemleri, Butterfly lazer diyot kontrol

Tablo 1: Özellikler

Şekil 1: TEC kontrol kartı


45

ZEMAX Yazılımı Kullanılarak Retina Üzerine Düşen Küresel Sapmayı (SA)’yı Minimum Yapacak Monofokal İntraokular Lensin

Arka Yüzeyine Ait Asferik Katsayıların Belirlenmesi

Taner KARATEKE*1 1Fizik Bölümü, Gebze Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye

[email protected] Özet

Normalde göz içinde oküler küresel sapma 19 yaşına kadar yaklaşık olarak sıfırdır çünkü korneadan gelen toplam küresel sapma miktarı, kristal lensin küresel sapması olup retina üzerine düşen toplam küresel sapma sıfırdır. Fakat yaş ilerledikçe insan gözünün doğal kristal lensi küresel sapması (SA)’sı olup bu durumda retina üzerine düşen küresel sapma +SA olacaktır. Bu durumda küresel sapmadan kaynaklı görüntü kalitesi yani MTF (Modulation Transfer Function) üzerinde kayıp oluşacaktır. Oftalmolojide bu problemin çözümüne yönelik olarak kullanılacak monofokal Göz İçi Lenslerinin (IOL-Intraocular Lens) arka yüzeyi asferik yapılarak çözüm bulunur. Fakat mevcut firmaların bu asferik katsayıyı belirleyen bir yöntem ve tekniği bulunmamaktadır. Asferik değerin belirlenmesinde birçok firma istatistiksel ya da tahmini bir yol izlemektedir. Bu çalışmada ZEMAX yazılımı kullanılarak ortalama belirli bir odak uzaklığına sahip monofokal IOL lens ve ortalama bir küresel sapma ve lens parametrelerine sahip korneanın kendisi modellenmeye çalışılmıştır. Burada tasarımı yapılan göz içi optik sisteminde retina üzerine düşen küresel sapmayı sıfır yapacak şekilde lensin arka yüzeyine ait konik konstant ve yüksek mertebe asferik katsayıların belirlenmesi hedeflenmiştir. Böylece bu katsayılara uygun zag denklemi ile lens yüzeyine ait asferik yüzeyin kesin tanımı yapılabilecektir. Optik sistem tasarımlarında sadece belirli temel optik parametreler (lenslerin birbirine uzaklıkları, eğrilik yarıçapları, kırılma indisleri...vs) ile optimizasyon yapılarak sistemin görüntüleme kalitesi ve çözünürlüğü arttrılmaya çalışılır. Lens yüzeyinin sferik yada asferik olması optik sistem üzerindeki Seidel sapmaları üzerinde etkin olup, bu sapmalar özellikle MTF (Modulation Transfer Function) üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Optik sistem tasarımında verimi arttırmaya yönelik ek olarak lensin asferik/sferik karakteristiğinin optimize edilmesi maksimum görüntü kalitesi sağlayabilir. Anahtar Kelimeler: Küresel Sapma (SA), Monofokal Intraoküler Lens (IOL), Asferik Yüzey, Asferisite, Modülasyon Transfer Fonksiyonu (MTF), Seidel Sapmalar.


46

The Structural and Optical Characterization of ZnSe Thin Films by RF Magnetron Co-Sputtering

E. Balcı1,2,3, *, T. Ataşer1, S. Sağlam1,2, S. Özçelik1,4

1 Photonics Application and Research Center, Gazi University, Ankara, Turkey 2 Department of Physics, Gazi University, Ankara, Turkey

3 Department of Physics, Ankara Hacı Bayram Veli University, Ankara, Turkey 4 Department of Photonics, Gazi University, Ankara, Turkey

*Corresponding author, E-mail: [email protected] Abstract Zinc selenide (ZnSe) is direct bandgap II–VI group compound semiconductor with characteristics such as wide direct band gap of 2.7 eV, high transmittance in the visible region, high refractive index, etc [1-2]. ZnSe is a promising material for applications in modern technology like light-emitting diodes [3], gas sensors [4] and solar cells [5] because of these typical properties. In this study, different thickness (100-600 nm) of ZnSe thin films were deposited onto glass and Si substrates by RF magnetron co-sputtering. The crystalline structure was determined using X-Ray diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) helps to understand of surface morphology of film and the optical properties of ZnSe thin film are examined by Ultraviolet Visible Spectroscopy (UV-Vis) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The films exhibited face centered cubic preferred orientation along the plane (111) and the crystallinity and crystallite size of films increases linearly with film thickness. The surface topology indicates that the roughness was increased with increase in film thickness. The optical band gap ranges from 2.54 to 2.69 eV and it is founded that it increases with film thickness. Furthermore, ZnSe thin film which has 600nm thickness, has more than 80% transmittance in the 3-5 µm wavelength range. It shows that ZnSe thin film can be used for infrared applications at this range. Keywords: ZnSe, thin films, transmittance spectra, optical band gap. Acknowledge: This work was supported SBB (TR) with the project numbers 2016K121220. References [1]. I.T. Zedan, A.A. Azab, E.M. El-Menyawy, Structural, morphological and optical properties of ZnSe quantum dot thin films, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 154 (2016) 171–176. [2] Kai Ou, Shenwei Wang, Liyuan Bai, Yu Wang, Kexin Zhang, Lixin Yi, Investigation on annealing temperature-dependent optical properties of electron beam evaporated ZnSe thin films, Thin Solid Films 669 (2019) 247–252248. [3] U.K. Sahbudin, M.H.A. Wahid, P. Poopalan, N.A.M.A. Hambali, M.M. Shahimin, S.N. Ariffin, N.N.A. Saidi, M.M. Ramli ZnSe Light Emitting Diode Quantum Efficiency and Emission Characterization, MATEC Web of Conferences 7 01114 (2016). [4] Y.P. Leung, Wallace C.H. Choy, T.I. Yuk, Linearly resistive humidity sensor based on quasi one-dimensional ZnSe nanostructures, Chemical Physics Letters 457 (2008) 198–20. [5] S. Chuhadiya, R. Sharma, Himanshu, S.L. Patel, S. Chander, M.D. Kannan, M.S. Dhaka, Thermal annealing induced physical properties of ZnSe thin films for buffer layer in solar cells, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures



47

Genetiği Değiştirilmiş Bakteri Odaklı Çoklu İletişim Sistemleri

Ozan Furkan Sezgen*1, Oguz Kaan Erden1, Omer Altan1, Ahmet Bilir1, Merve Görkem Durmaz2, Nedim Hacıosmanoglu3, Berk Camli1, Zeliha Cansu Canbek Ozdil2, Ali E. Pusane1,

Arda Deniz Yalcinkaya1, Urartu Ozgur Safak Seker3, Tuna Tugcu2 and Sema Dumanli1 1Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul 34342, Türkiye

2Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Boğaziçi Üniversitesi, 34342 İstanbul, Türkiye 3 Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Enstitüsü, Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi, 06800,

Ankara, Türkiye [email protected]

Özet Çalışma kapsamında önerilen aktif algılama mekanizması tespit edilmek istenen biyobelirteçin varlığının genetiği değiştirilmiş E. coli aracılığı gerçekleştirilmesini esas alır. Tasarlanan implant içerdiği fotodiyot (PD) temelli bir verici sayesinde bakterinin ürettiği optik sinyali beden içerisinde algılayarak elektrik sinyaline çevirir. Bu sayede beden üzerine yerleştirilmiş bir anten aracılığı ile biyobelirteçin varlığı eş zamanlı olarak tespit edilebilir. Kavramsal tasarım bir adet fotodiyot, güç kaynağı, elektronik bileşenler, anten ve bakteriyel biyofilm dahil olmak üzere bir çok bileşen içermektedir. Tüm bileşenlerin biyouyumlu bir sistem üzerine entegre edilerek beden içerisinde yerleştirilmesi öngörülmüşür. Güç kaynağı izleme süresi boyunca tüm sisteme güç sağlamak için hayati önem taşır. Bu tasarımın, izleme süresinin tamamlanmasından sonra cerrahi işlemle çıkarılması öngörülmektedir. Tasarlanan platform, çeşitli biyoalgılama süreçleri için uygulanabilir. Algılama platformunun ana bileşenleri benzer kalırken, tasarlanmış bakteriler, farklı biyobelirteçleri tespit etmek amacı ile revize edilebilir. Bu kapsamda örnek çalışma olarak, İzopropil -D-1-tiogalaktopiranosid (IPTG) biyobelirteci varlığında genetiği değiştirilmiş bakteri tarafından üretilen kırmızı floresan sinyali (mScarlet), tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken (CMOS) fotodiyot kullanılarak ölçülmüştür. Üretilen kırmızı floresan proteinden yayılan sinyali izleyerek, ilgilenilen molekülün varlığını tespit etmek mümkündür.

Şekil 1: (Sol) Beden içi aktif algılama sistemi için ölçüm düzeneği (Sağ) İlk ölçüm sonuçları

Anahtar Sözcük: Fotodiyot, Genetiği değiştirilmiş bakteri, İmplant Acknowledgements This work has been supported partially by the Turkish Directorate of Strategy and Budget under the TAM Project number DPT2007K120610 and Bogazici University Research Fund under project number 14543. Referanslar [1] B. Camli, B. Sarioglu, and A. D. Yalcinkaya, “Photodiodes for Monolithic CMOS Circuit Applications,” IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 20, no. 6, Dec. 2014, pp. 336–43. DOI: 10.1109/JSTQE.2014.2333236.


48

Gerçek Zamanlı Girişimsel Operasyon İzleme için MRI Uyumlu Fiber Optik Çoklu Sensör Platformu

Oguz Kaan Erden*1, Parviz Zolfaghari2, Onur Ferhanoğlu2, Murat Tümer3 ve Arda Deniz

Yalcinkaya1 1Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul, Türkiye

2İstanbul Teknik Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Müh. Böl., İstanbul, Türkiye [email protected]

Özet Bu çalışmada mikrosistem sensörleri, manyetik rezonans görüntüleme destekli müdahalelerde kullanılmak üzere fiber optik tabanlı bir platform üzerinde uygulanmaktadır. Sunulan platform, görüntüleme destekli cerrahi süreçler sırasında gerçek zamanlı ve yerinde basınç, sıcaklık ve lokalizasyon geri bildirimi sunar. Bu çok sensörlü platform, 2,5 mm çapında bir girişimsel tıbbi cihaz olarak tasarlanmıştır. Sıcaklık ve basıncın gerçek zamanlı olarak doğru şekilde izlenmesini sağlamak için damardaki kan dolaşımı için delikli bir polimer kapak kullanılır. Fiber kabloların uçlarında dereceli indeks (GRIN) lensler kullanılmış ve optik sinyal toplama verimi artırılmıştır. Her biri, bir sensör için farklı dalga boylarına sahip üç ışık kaynağı olacak şekilde; basınç, konum belirleme ve sıcaklık sensörleri için sırasıyla 637 nm lazer, 780 nm lazer ve 875 nm LED (50 nm bant genişliği) ışık kaynakları kullanılmıştır. Basınç algılama, kırınım ızgaralı interferometre okuma şemasına sahip serbest bırakılmış bir polimer-metal hibrit membran tarafından gerçekleştirilir. Sıcaklık algılama, enerji bant aralığının sıcaklıkla değişiminden dolayı yarı iletken malzemede (GaAs) gerçekleşen soğurma ve iletim değişimine dayalı olarak gerçekleştirilir. Tıbbi cihazın lokalizasyonu, demir o ksit manyetik malzemenin kullanıldığı manyeto-optik Kerr etkisine dayalı olarak elde edilir. Sensör platformu, ±0.22 ◦C' lik sıcaklık hassasiyeti, 1 mmHg' lik basınç çözünürlüğü ve tüm değerlerin tıbbi uygulama ile ilgili olduğu 3 mm' lik konum çözünürlüğüne sahiptir. Bu çalışmada geliştirilen sensörlerin bütünleştirilmesi, kateter ve stent gibi tıbbi cihazların girişimsel cerrahide kullanımında yeni bir ufuk açacaktır. Anahtar Kelimeler: Fiber optik, girişimsel cihazlar, MEMS, mikro sensörler, mikro sistemler. Acknowledgements Bu çalısma, TÜBITAK 116E814 proje adı altında desteklenmektedir. Referanslar [1] Li, T., Pan, A., & Ren, H. (2019). A high-resolution triaxial catheter tip force sensor with miniature flexure and suspended optical fibers. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(6), 5101-5111. [2] Zolfaghari, P., Erden, O. K., Ferhanoglu, O., Tümer, M., & Yalcinkaya, A. D. (2021). MRI Compatible Fiber Optic Multi Sensor Platform for Real Time Vital Monitoring. Journal of Lightwave Technology, 39(12), 4138-4144.

Şekil 1: (a) Girişimsel bir tıbbi cihazın distal ucuna monte edilecek bir 3D adaptör üzerindeki bütünleşmiş platform. (b) Dahili bağlantıları gösteren tüm adaptörün 3 boyutlu çizimi


49

Temassız Algılama Uygulamaları için Mikrodalga Mikroakışkan Cihazların Hızlı Prototiplenmesi

Oguz Kaan Erden*1, Ozan Furkan Sezgen1, Berk Camli1, Zeliha Cansu Canbek Ozdil2, Sema

Dumanlı1, Ali Emre Pusane1, Tuna Tugcu2 ve Arda Deniz Yalcinkaya1 1Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul 34342, Türkiye

2Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul 34342, Türkiye [email protected]

Özet Mikroakışkanlar biyoloji, kimya ve biyotıp alanlarında süreçleri düzene sokmak için muazzam bir potansiyele sahip son teknoloji bir teknolojik platformlardır. Mikroakışkan entegre biyosensörler, sistemleri minyatürleştirmeleri, düşük numune tüketimleri ve hassasiyeti arttıran homojen karıştırma koşulları nedeniyle popülerlik kazanmaktadır. Bunun yanında üretim kolaylığı ve hızlı işlemenin faydaları sebebiyle, birçok araştırmacı algılama uygulamaları için polimer bazlı mikroakışkan cihazların ucuz ve esnek lazer üretimine odaklanıyor. Bu çalışmada, CO2 lazer ablasyon tekniğini kullanarak mikrodalga sensör mikroakışkan bileşenlerinin basit ve hızlı üretimi için bazı temel faktörleri sunuyoruz. Teknik, temiz oda veya karmaşık laboratuvar kurulumlarının kullanılmasını gerektirmez ve hızlı prototiplemeye olanak tanır. Yüksek lazer gücünde (30 W) ve düşük tarama hızında (125 cm/sn), hem kanal derinliği hem de yüzey pürüzlülüğü, kanal dalgalanmasından önemli ölçüde daha fazla artar. Ayrıca ısıl işlemin kanal derinliği oluşturmak için kanal pürüzlülüğünü azaltmak için uygun bir yöntem olduğu gösterilmiştir. Sonrasında hazırlanan kanallar, Polimetilmetakrilat (PMMA) kullanılarak oluşturulmuş ayrık halkalı tınlayıcılara (SRR) bağlanır. SRR güç yansıma ölçümleri, kanallara 100 mM glikoz solüsyonları enjekte eden sürekli bir akış sistemi kullanılarak gerçekleştirilir. Glikoz örneğin neden olduğu dielektrik sabitindeki değişiklik, cihazın biyosensör olarak olası bir kullanım senaryosunu gösteren önemli bir rezonans frekansı kayması ile sonuçlanır. Anahtar Kelimeler: Mikroakışkanlar, lazer işleme, ayrık halka tınlayıcı, çip üstü laboratuvar algılayıcıları. Acknowledgements Bu çalışma, DPT2007K120610 numaralı TAM projesi kapsamında Türkiye Strateji ve Bütçe Başkanlığı, 119E190 numaralı hibe kapsamında Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) ve 18202 numaralı proje kapsamında Boğaziçi Üniversitesi Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir. Referanslar [1] Camli, B., Erden, O. K., Sezgen, O., Canbek, Z. C., Dumanli, S., Pusane, A. E., ... & Tugcu, T. (2021). Rapid Prototyping of Noncontact Microwave Microfluidic Devices for Sensing Applications. Journal of Micromechanics and Microengineering. [2] Camli, B., Altinagac, E., Kizil, H., Torun, H., Dundar, G., & Yalcinkaya, A. D. (2020). Gold-on-glass microwave split-ring resonators with PDMS microchannels for differential measurement in microfluidic sensing. Biomicrofluidics, 14(5), 054102. [3] Matellan, C., & Armando, E. (2018). Cost-effective rapid prototyping and assembly of poly (methyl methacrylate) microfluidic devices. Scientific reports, 8(1), 1-13.

Şekil 1: (Üst) SRR tasarımının geometrik yapısı, döngü anteni, mikroakışkan kanalı. (Alt) Üst şekilde işaretlenmiş X–X' çizgisi boyunca sensör yapısının enine kesit görünümü


50

Selective Stimulation of Rat Vagus Nerve Using a 1505-nm Diode Laser Source

Ozan Yetis*1,2, Ozge Guner3, Ibrahim Akkaya1,4, M. Ensari Guneli1,5, Serhat Tozburun1,2

1Izmir Biomedicine and Genome Center, Izmir, Turkey 2Izmir International Biomedicine and Genome Institute, Dokuz Eylul University, Izmir, Turkey

3Department of Medical Pharmacology, Faculty of Medicine, Dokuz Eylul University, Izmir, Turkey 4Department of Electrical & Electronics Engineering, Ege University, Izmir, Turkey

5Department of Laboratory Animal Science, Faculty of Medicine, Dokuz Eylul University, Izmir, Turkey

[email protected] Abstract In this study, we aimed to selectively stimulate the aortic depressor nerve (ADN) in the vagus nerve bundle using 1505-nm laser irradiation with fewer side effects on the heart. Laser stimulation of the vagus nerve bundle (L-VBS) and electrical stimulation of the vagus nerve (E-VBS) are compared in terms of cardiac outputs such as electrocardiogram (ECG), mean arterial pressure (MAP) and heart rate (HR). Therefore, ECG, MAP and HR signals are examined to understand the selective stimulation effect. In the central nervous system, the vagus nerve (VN or cranial nerve X) originates from the brain stem and innervates the heart. The VN regulates the parasympathetic operation of cardiac systemics over ADN1. Instead of E-VBS, L-VBS uses the heating capacity of an infrared laser to stimulate nerve cells without the need for genetic modification or. L-VBS provides three main advantages over electricity. (1) A non-contact method of nerve stimulation. (2) Improved spatial selectivity. (3) Elimination of stimulation artifacts2. The laser nerve stimulation system consists of a visible laser, an infrared pigtailed single-mode diode laser (BrightLock, QPC Lasers, Sylmar, CA) in continuous-wave. MP36 (Biopac Systems Inc., Santa Barbara, CA) data acquisition and analysis system was used to obtain ECG, MAP, HR signals and electrical stimulation after a surgical procedure.

Figure 2 shows the representative examples of physiological responses. There was a significant drop in MAP pressure in both L-VBS and E-VBS. However, L-VBS did not interfere with internal electricity of the heart and caused hypotension without side effects (drop in HR and irregularity in ECG signal). We have shown that 1505-nm laser irradiation can stimulate the aortic depressor nerve in the vagus nerve bundle without side effects on heart in an in-vivo rat model.

Keywords: vagus nerve, infrared laser, electrocardiography, arterial pressure Acknowledgements This work was supported by the BAGEP Award of the Science Academy.

References [1] Plachta DT, Effect of Cardiac-Cycle-Synchronized Selective Vagal Stimulation on Heart Rate and Blood Pressure in Rats. Adv Ther. 2016 Jul;33(7):1246-61. doi: 10.1007/s12325-016-0348-z. Epub 2016 May 24. PMID: 27220533. [2] Wells, J., et al., Optical stimulation of neural tissue in vivo. Optics Letters, 2005. 30(5): p. 504-506

Figure 1: Schematic drawing of the experimental setup.

Figure 2: Typical physiological responses (i.e., electrocardiogram - ECG and mean arterial pressure - MAP) recorded before, during, and after L-VBS (A) and E-VBS (B). The orange area represents the 30-second L-VBS and the blue area represents the 30-second E-

VBS period.


51

Pulsed Infrared Laser Crystallization of Amorphous Germanium Thin-Films

Ceren Korkut*1, Kamil Çınar2, İsmail Kabaçelik3, Raşit Turan1,4, Mustafa Kulakcı5, and

Alpan Bek1,4

1Department of Physics, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey; 2Department of Physics, Gebze Technical University, 41400 Kocaeli, Turkey

3Department of Medical Services and Techniques, Vocational School of Health Services, Bartın University, 74100 Bartın, Turkey)

4Center for Solar Energy Research and Applications (GÜNAM), Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey

5Department of Physics and Institute of Earth and Space Sciences, Eskişehir Technical University, 26470 Eskişehir, Turkey


Abstract Crystallization of amorphous Germanium (a-Ge) induced by nanosecond pulsed laser irradiation has been studied in the ambinent. Ge is expected to be a promising semiconductor for next-generation thin-film transistor (TFT) due to its high carrier mobility and low contact resistance compared to Si [1]. Crack-free and homogenous crystalline device-grade Ge thin-films outperform in photovoltaic applications, TFTs, and photo-detectors. For this purpose, many types of laser systems such as continuous wave semiconductor diode (CW) [2], and femtosecond pulsed laser [3] have been studied. Unlike the CW semiconductor diode and the pulsed laser system, energy deposition can be controlled by changing the laser fluence and the ratio of of overlapping pulses in the pulsed laser system. The nanosecond pulsed laser allows to control the energy flux and the thermal gradient formation by the overlap ratio of the pulses, which plays a key role to obtain large grain sizes. Our motivation is to indicate the nanosecond pulsed IR laser crystallization (LC) of a-Ge by implementing suitable laser parameters. The LC process was applied to 300 nm thick a-Ge thin-films with a pulse duration of 200 ns at the wavelength of 1064 nm. The crystallinity of the polycrystalline Ge (pc-Ge) thin-films was evaluated by Raman spectroscopy and electron backscatter diffraction (EBSD) analysis in a comparative manner. The LC regions induced by a single laser pulse (Figure a) and successively overlapping pulses (Figure b) are provided in Figure. In this study, the LC of a-Ge thin-films with domain sizes exceeding tens of micrometers was achieved by the nanosecond pulsed IR laser.

Figure 1: EBSD maps of the LC processed regions with (a) single laser pulse and (b) overlapping laser pulses with the color map and (c) grain size distribution of single and overlapping laser pulses [1].

Keywords: thin-films, germanium, laser crystallization, overlapping pulses Acknowledgements: We thank TÜBİTAK for support under grant no. 115M061. Referanslar / References [1] Korkut, C.; Çınar, K.; Kabaçelik İ.; Turan, R., Kulakcı, M.; Bek, A. Laser Crystallization of Amorphous Ge Thin Fims via a Nanosecond Pulsed Infrared Laser. Crystal Growth and Design 2021, 21, 4632-4639. [2] Falk, F.; Andrä, G. Laser Crystallization- A Way to Produce Crystalline Silicon Films on Glass or on Polymer Substrates. J. Cryst. Growth 2006, 287, 397−401. [3] Salihoglu, O.; Kürüm, U.; Gul Yaglioglu, H.; Elmali, A.; Aydinli, A. Femtosecond Laser Crystallization of Amorphous Ge. J. Appl. Phys. 2011, 109, 123108.


52

Comparison on Laser Crystallization of Si ve Ge Thin-Films

Ceren Korkut*1, Kamil Çınar2, Alpan Bek1 1Department of Physics, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey

2Department of Physics, Gebze Technical University, 41400 Kocaeli, Turkey E-mail: [email protected]

Abstract The laser crystallization (LC) of Group-IV semiconductors (Si and Ge) plays a key role in electronics such as photovoltaic and detector applications etc. We have employed a nanosecond pulsed IR laser at the wavelength of 1064 nm to crystallize amorphous Si and Ge films to poly-crystaline thin films. The laser fluence and overlapping pulses have an important role in crystal domain orientation and grain sizes. For the understanding of these effects on crytallization process, various scan speeds and laser fluences were examined in both studies [1,2]. The crystallinity of Si and Ge films was investigated by Raman spectroscopy and electron backscatter diffraction (EBSD) analyses. Firstly, the Raman analyses of the LC of Si and Ge thin films show that when the laser fluence is close to the damage threshold of the crytallization fluences, the peak positions of Raman signals tend to be close to the Raman peak positions of the bulk crystal Si and Ge. Secondly, the EBSD analyses of the LC of Si and Ge reveal that the longer crystal grain sizes of pc-Si and pc-Ge films were created by the successively overlapping laser pulses at the edge of the damage threshold of the laser fluences. Our works show that the heat accumulation maintained by the highly overlapping pulses in the Si and Ge films improves the quality of crystallites by controlling the laser fluence and results in longer crystal domains. Keywords: laser crystallization, silicon, germanium, laser fluence, overlapping Acknowledgements We thank TÜBİTAK for support under grant no. 115M061. Referanslar / References [1] Korkut, C.; Çınar, K.; Kabaçelik İ.; Turan, R., Kulakcı, M.; Bek, A. Laser Crystallization of Amorphous Ge Thin Fims via a Nanosecond Pulsed Infrared Laser. Crystal Growth and Design 2021, 21, 4632-4639. [2] Çınar, K.; Yeşil, C.; Bek, A. Revealing Laser Crystallization Mechanism of Silicon Thin Films via Pulsed IR Lasers. J. Phys. Chem. C 2019, 124, 976−985.


53

Automatic Heartbeat Detection Using Optimized Pattern Matching in Zebrafish Model

Hanife GÖKKAN1,2, Ozan GÖKKAN1 and Serhat TOZBURUN1,2,3

1 Izmir Biomedicine&Genome Center, Izmir, TURKEY 2 Izmir International Biomedicine&Genome Institute, Dokuz Eylul University, Izmir, TURKEY

3 Department of Biophysics, Faculty of Medicine, Dokuz Eylul University, Izmir, TURKEY [email protected]

Abstract This study aimed to develop a computational algorithm that enables heartbeat detection and coloring in an in-vivo zebrafish model. Zebrafish show 70% similarity to human genes [1]. Therefore, it is an animal model that has emerged in many preclinical studies. Zebrafish embryos are optically transparent, allowing researchers to view zebrafish growth under optical imaging. In particular, the heart is the first organ to become functional in zebrafish embryos, and many studies focus on imaging with fluorescent microscopy. Due to the unique challenges of fluorescent microscopy, another approach is needed to mark the heart and heartbeats without using contrast agents. A 2-day-old zebrafish embryo was used in this study. Video images of the in-vivo embryo were recorded at 10X magnification with a Confocal Microscope in Bright Field mode. To compare the performance of the developed algorithm, fluorescent microscope video images were obtained with the same device at the same magnification. We used the open-access Python OpenCV library in the image processing step. Figure 1 shows a block diagram of the developed algorithm. (1) The algorithm allows the user to select the corresponding area in the zebrafish as the template to minimize the processing time. (2) The video is split into frames and converts to grayscale (0-255). (3) At each pixel group level, morphological operations (filtering steps) are applied. (4) The herbaceous method is applied to complete both detection and segmentation tasks [2]. (5) The user sets the optimum threshold to calculate between adjacent frames. (6) Each pixel value above the threshold (i.e., calculated by the difference between adjacent frames) is assigned a green color to mimic fluorescence microscopy. Figure 2A shows an image extracted from a video acquired with a confocal microscope, while Figure 2B shows an image extracted from a video in which the developed algorithm is applied. Figure 2C presents the result with the fluorescent agent to compare the conventional approach to image an embryo zebrafish heart. Software-assisted color assignment on microscopy images without using contrast agents based on heartbeat may ease application in preclinical studies. Keywords: Image Processing, Zebrafish, Confocal Microscope References: [1] Westerfield, M. (2000). The zebrafish book. A guide for the laboratory use of zebrafish (Danio rerio). 4th ed., Univ. of Oregon Press, Eugene. [2] Prabhakar, N., Vaithiyanathan, V., Sharma, A., Singh, A., Singhal, P., & Tech-Computer, B. (2012). Object Tracking Using Frame Differencing and Template Matching.

Figure 2. (A) an image of a 2-day-old zebrafish embryo extracted from a video at 10X magnification, (B) an image of a 2-day-old zebrafish embryo extracted from a video in which the algorithm is applied, and (C) a fluorescent image of a 2-day-old zebrafish embryo dye-injected into the heart (10X).

Figure 1: The block diagram of the algorithm A B C


54

Long-Range Distributed Acoustic Sensor Based on 3x3 Coupler Michelson Interferometer

Volkan Türker*1, Faruk Uyar1,2, Tolga Kartaloğlu1, Ekmel Özbay1,2,3, İbrahim Özdür4

1NANOTAM, Bilkent University, Ankara, Turkey 2Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, Ankara, Turkey

3Physics, Bilkent University, Ankara, Turkey 4Department of Electrical and Electronics Engineering, TOBB ETU, Ankara, Turkey

[email protected]

Abstract

Figure 1: 3x3 Coupler Michelson Interferometer Figure 2: Phase-Voltage (Lineerization) Graph for 50 km FUT

In this research, a distributed acoustic sensor (DAS) based on phase-sensitive optical time domain reflectometry (ɸ-OTDR) which incorporates fiber-optic Michelson interferometer using a symmetric 3x3 coupler at the output [1-4] with a sensing range of 50 km is reported. The sensor system comprises a high-gain Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) with 50 dB gain at the return path in order to amplify the weak backscatterd signal from the far-end of the fiber. Linear phase information of the acoustic source is exctracted by means of Michelson interferometer and 3x3 coupler-assisted demodulation method [4-5]. Experiments on vibration detection and linearization performance of the sensor system are carried out by driving piezo electric transducer (PZT) with various signal forms with different amplitudes and frequencies. Dynamic range of the system dependent on the interrogation period and frequency of the PZT vibration is also extracted by conducting the related experiments. The results show that our system can linearly quantify the amount of phase caused by dynamic strain at the distance of 50 km within a certain dynamic range. Keywords: 3x3 Coupler, fiber-optic Michelson interferometer, DAS, ɸ-OTDR, demodulation References [1] Masoudi, T. P. Newson, “Contributed Review: Distributed optical fibre dynamic strain sensing” Rev. Sci. Instrum. 87, 011501, (2016) [2] P.L. Gartland, “Fiber-Optic Michelson Interferometer with Faraday Mirrors for Acoustic Sensing using a 3 × 3 Coupler and Symmetric Demodulation Scheme” MSc Thesis, September 9, 2016 Blacksburg, Virginia [3] Masoudi, M. Belal, T. P. Newson “A distributed optical fibre dynamic strain sensor based on phase-OTDR” Meas. Sci. Technol. 24, 085204 (7pp), 5 July 2013 [4] C. Wang, C. Wang, Y. Shang, X. Liu, and G. Peng, “Distributed acoustic mapping based on interferometry of phase optical time-domain reflectometry,” Optics Communications, vol. 346, pp. 172–177, 2015. [5] M. D. Todd, M. Seaver, and F. Bucholtz, “Improved, operationally-passive interferometric demodulation method using 3×3 coupler,” Electron. Lett. 38(15), 784–786 (2002).


55

Silicon Surface Texturing by Photoelectrochemical Etching Method for Graphene/Silicon Schottky Diode Applications

Nardin Avishan*1,3, Alp Akbiyik2,3, Khurram Shehzad2, Emre Yuce1,2,3, Alpan Bek1,2,3

1 Micro and Nanotechnology Program of Graduate School of Natural and Applied Sciences, Middle East Technical University, Ankara, Turkey

2 Physics Department, Middle East Technical University, Ankara, Turkey 3 Center for Solar Energy Research and Applications, Middle East Technical University, Ankara,

Turkey [email protected]

Abstract

Figure 1: Silicon surface textured by photoelectrochemical etching method a) in specific patterns which is defined by utilizing a DMD and b) magnified image of the etched area

The irradiation of n-type Si(111) submerged in HF(aq) with a UV, visible or IR laser can lead to the formation of photoluminescent porous silicon (por-Si) or textured silicon thin films [1]. Besides the Metal-assisted etching and RIE methods, Laser-assisted wet chemical etching, called photoelectrochemical etching (PEC-etching) is another method for silicon surface texturing [1,2]. In this study, by utilizing a proper laser and a Digital Micromirror Device (DMD) it is possible to texture the Si surface in well-defined patterns. The illuminated regions are etched in form of random nanoholes with dimensions range from ~200nm to ~1µm. The laser power, Solution ratio, pulse duration, and illumination time are all important parameters that affect the formation of the nanostructures strongly. This study aims to combine the advantage of electrical properties of un-etched regions with properties of nanoholes such as molecule or light trapping. On the other hand, in the case of covering the whole surface with graphene, the graphene which covers the nanoholes - called suspended graphene - has different properties than the graphene which is bonded directly to the Si surface [3]. Accordingly, combining these Si nanostructures with graphene leads to different Si/Graphene Schottky diode applications such as photovoltaics, light-detecting, and sensing. Keywords: Si Surface texturing; Photoelectrochemical etching; Periodic patterning; Graphene/Si; Suspended graphene Acknowledgments: This work was supported by the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK) Grant No: 118C294 References [1] Lynne Koker and Kurt W. Kolasinski, “Photoelectrochemical etching of Si and porous Si in aqueous HF”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2, 277È281, (2000). [2] Kurt W. Kolasinski, “Laser-assisted and wet chemical etching of silicon nanostructures”, J. Vac. Sci. Technol. A 24, Aug (2006) [3] Q. Wang, Y. Wang and L. Dong, "MEMS Flow Sensor Using Suspended Graphene Diaphragm With Microhole Arrays,", Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 27, no. 6, pp. 951-953, (2018).


56

TERS Tabanlı Molekül Tespiti için Fs Lazer ile AFM Problarının Şekillendirilmesi ve Optimizasyonu

Özge Demirtaş1,2, Furkan Aykut Sarıkamış3,4, Ahmet Oral1,2,4, Alpan Bek1,2,4

1Micro and Nanotechnology Program, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey 2Center for Solar Energy Research and Applications (GÜNAM), Middle East Technical University,

06800 Ankara, Turkey 3Department of Electrical and Electronics Engineering, Middle East Technical University, 06800

Ankara, Turkey 4Department of Physics, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey

corresponding author, E-mail: [email protected] Özet Atomik Kuvvet Mikroskopisi (AFM) probunun gövdesine periyodik nanoyapı üretilmesiyle yüzey plazmon polariton uyarılması ve probun ucuna doğru iletilmesi sağlanabilir. Bu yöntem ile ucun yakın alanında yüksek verimli bir şekilde elektrik alan birikmesi ve güçlü sinyal artırımları elde edilebilir1. Analiz edilen numuneden uç artırımlı Raman spektroskopisi (TERS) ile sinyal toplama hassasiyeti, uyarma dalga boyu, nanoyapıların yüksekliği, periyodu ve kaplamada kullanılan metal gibi parametrelere bağlıdır. Bu parametrelerin etkilerini analiz etmek için COMSOL Multiphysics programı kullanılmıştır. Ayrıca optimum şekillendirme parametrelerini belirlemek için titanyum (Ti) kaplı silikon (Si) wafer üzerinde doğrusal olmayan lazer litografisi2 ile periyodik yapılar üretilmiştir. Nanoyapılar numune yüzeyinde farklı fs lazer güçleri, galvo tarayıcı hızları ve tarama mesafeleri ile üretilmiştir. Daha sonra yapılandırılmış yüzeylere termal buharlaştırma ile gümüş kaplanmıştır. Şekil 1’de gösterildiği gibi fs lazer dalga boyuna yakın periyotlara sahip 5 mm x 5 mm’lik alanlarda nanoyapılar elde edilmiştir.

Şekil 1: Numune yüzeyinde 0.756 W güç, 6 m/s hız ve 6 µm tarama mesafesi ile hazırlanmış Ti@Si wafer üzerindeki

periyodik yapıların (a) SEM ve (b) AFM görüntüleri Anahtar Kelimeler: Uç artırımlı Raman spektroskopisi, Plazmonik, Periyodik nanoyapı. Teşekkür: Çalışmalarımız Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) 2211-C ve Yükseköğretim Kurulu (YÖK) 100/2000 programı, TÜBİTAK 119F101, 119N413 ve 3192440 no’lu projeler tarafından desteklenmektedir. Referanslar [1] Stockman, M. I. Nanofocusing of Optical Energy in Tapered Plasmonic Waveguides. Phys. Rev. Lett. 93, 137404 (2004). [2] Öktem, B. et al. Nonlinear laser lithography for indefinitely large-area nanostructuring with femtosecond pulses. Nat. Photonics 7, 897–901 (2013).



57

Optimization of Morpho Butterfly Inspired Broadband Reflectors

Amin Balazadeh Koucheh1, Muhammed Ali Kecebas1, Kursat Sendur*1 1Faculty of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University,

Orhanli-Tuzla, 34956, Istanbul Turkey corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract Increasing the reflectivity of the refractory materials in the broadband spectrum, which has many applications in engineering and science, using homogeneous multilayer thin-film coatings has been investigated recently. Tungsten is a well-known refractory material, which, thanks to its thermomechanical properties, suits well for applications. However, its high absorptivity below 1500nm brings some difficulties in broadband applications. To come up with this problem, as shown in figure 1, a high index (TiO2)/ low index (Air) periodic multi-layer structure that imitates the morpho butterfly wing’s nano-structure is suggested to enhance the reflectivity of Tungsten at shorter wavelengths. To do this, first, the impedance mismatch-based method is employed to optimize the number and thickness of the homogenous periodic layers. Average reflectivity of Tungsten, with eight periodic homogenous TiO2/Air layers stacked on top of it, below 1500nm, reaches approximately 95% while it still remains up to 95% between the wavelengths of 1500-3000nm. Then, the proposed model, which consists of the lift-off materials between the TiO2 layers and the air gap between the ridges, is applied (Fig. 1).

Figure 1: Scheme of the inhomogeneous multi-layer structures inspired from morpho butterflies

The lift-off material is utilized to solve the fabrication problem. The results indicate that putting the lift-off material doesn’t significantly affect the average reflectivity of the model. Furthermore, the air gap, distinguished by d in the figure, has two essential benefits. First, the air gaps raise the ratio of refractive indices between the layer materials, leading to higher reflectivity with a smaller number of layers. Second, they avoid thermal stresses caused by the thermal expansion of the layers at high temperatures. Therefore, using the wave impedance analysis, the effect of applied inhomogeneities is investigated according to these points. It is demonstrated that increasing the d parameter decreases the reflectivity. The most considerable decline rate is seen at d=100nm, where average reflectance reduces to a maximum of 86 percent. Further analysis reveals reduced reflectance stems from the increased number of reflectance dips, especially at the shorter wavelengths compared to homogenous structures. The origins of those peaks, both in homogenous and inhomogeneous structures, were also studied by wave impedance analysis and -S parameters retrieval and analyzing the optical path that waves travel throughout the propagation. Finally, to consider the fabrication imperfections, changing ±5nm tolerance in dimensions indicates that the average reflectance changes are less than 1% at most longer wavelengths. The proposed structure can be used as broadband reflectors in applications with high exposure to thermal radiation.

Keywords: Broadband reflection, Periodic multi-layer thin-film coatings, Morpho butterfly wing patterns. Acknowledgments This material is based upon work supported by the Air Force Office of Scientific Research (Aerospace Materials for Extreme Environments Program, PM: Dr. Ali Sayir) under award number FA9550-18-1-9240. References [1] Koucheh, A. B., Kecebas, M. A., & Sendur, K. (2021). Impedance Mismatch-Based Enhancement of Broadband Reflectance of Tungsten with Bio-Inspired Multilayers. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 107899. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107899 [2] Keçebaş, M. A., & Şendur, K. (2018). Enhancing the spectral reflectance of refractory metals by multilayer optical thin-film coatings. JOSA B, 35(8), 1845-1853. https://doi.org/10.1364/JOSAB.35.001845 [3] Zhang, S., & Chen, Y. (2015). Nanofabrication and coloration study of artificial Morpho butterfly wings with aligned lamellae layers. Scientific reports, 5(1), 1-10.

https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107899


58

Quantitative Phase Imaging Method With Random Phase Shifting

Alperen Saltık *1, Onur Tokel1,2,† 1Physics Department, Bilkent University, Ankara, Turkey

2 National Nanotechnology Research Center, Ankara, Turkey †correspondening author: [email protected]

Abstract Quantitative phase imaging (QPI) is a powerful microscopy method for quantifying optical properties of a sample, based on interferometry and microscopy [1]. QPI is essential for imaging not only the surface, but also quantifying optical properties created with 3D lithography methods deep inside the bulk of materials. However, such approaches have very strict requirements, such as precise and uniform phase shifting steps (~ λ/4), which can only be achieved with the use of expensive equipment [2]. Here, we develop a novel microscopic approach to overcome this problem by exploiting the correlation of interference imagesin the Fourier domain. A number of phase imaging algorithms have also been developed based on arbitrary phase shifting [3-4]. However, these methods have the additional constraint that either the phase shifts need to be known a priori with high precision; or they need to be estimated using statistical arguments and iterative methods. In contrast, we use ordering correlations of intereference images in the spatial Fourier domain, removing the need for the estimation of individual phase steps, in order to directly reconstruct the phase map inside the sample. Thus, the developed algoritihm enables QPI with inexpensive translational stages; removing the need for expensive and precise equipment, such as piezo stages. Accuracy of the results is evaluated with simulations, in which std. of error is found to be in the order of 0.02 radians. A similar result is confirmed in the experiments. The algorithm can even enhance the results of QPI using precise positioning equipment. This is first confirmed with simulations, followed by experiments, where it is shown that results are 23% more consistent, compared to when the algorithm is not used. In summary, this algorithm is a demonstration that inexpensive stages can be used for QPI; albeit with novel algorithmic approaches.

Figure 1: Quantitative phase microscopy setup: piezo stage (PZS) and piezo controller (PZC).

Keywords: Quantitative Phase Microscopy, Interferometric Imaging, Random Phase. References [1] A. Barty, et al, "Quantitative optical phase microscopy," Opt. Lett. 23, 817-819 (1998). [2] A. Safrani and I. Abdulhalim, "Real-time phase shift interference microscopy," Optics Letters 39, 5220 (2014). [3] L. Z. Cai, Q. Liu, and X. L. Yang, "Generalized phase-shifting interferometry with arbitrary unknown phase steps for diffraction objects," Opt. Lett. 29, 183-185 (2004). [4] X. F. Xu, et al, “Generalized phase-shifting interferometry with arbitrary unknown phase shifts: Direct wave-front reconstruction by blind phase shift extraction and its experimental verification,” Appl. Phys. Lett. 90, 121124 (2007).


59

Total Internal Reflection Holographic Microscopy for Interfacial Imaging

Tolga Gürcan*1, Muhammed Fatih Toy2

1Department of Physics, Boğaziçi University, 34342 İstanbul, Turkey 2 Department of Biomedical Engineering, Istanbul Medipol University, 34810, Turkey

[email protected] Abstract Investigation of interface structures plays an important role in fields like biology and display technologies as it gives an idea about how the interaction happens between the structure and environment. Traditionally, optical sectioning is being used to detect these burried structures in combination with superresolution microscopy as superresolution microscopy enables us to localize the depth of investigated structures precisely. However, these two methods are generally costly and use long exposure times which is not ideal especially for biological applications such as imaging the surface proteins of a living cell. [1] In this project, a system that enables the imaging of an interface between different media is developed. This system is based on an off-axis holographic microscope and uses a high numerical aperture (NA) microscope objective to achieve total internal reflection (TIR). An early example of a total internal reflection holographic microscopy exists in the literature which uses a prism to achieve TIR. [2] The use of prism limitsthe resolution and enhancesthe effect of undesired artifacts. In our system, the use of a 100X objective with the NA of 1.49 maintains a good resolution with high magnification. For the reconstruction of complex field, digital holography principles are utilized. [3] The phase image results obtained from glass-air and glass-water surfaces are shown in Figure 1-b. A drawing of the experimental configuration of the sample can be seen in Figure 1-a. The phase difference calculated between the two regions emerges from the different phases obtained by light through TIR from the surface. By current parameters, the inicidence angle of the light impinging on a coverslip can be found with ±0.8° accuracy. Smallest refractive index increment which can be detected by our system is approximately 9x10-3.

Figure 1: (a) Drawing of the experimental configuration, (b) Obtained phase image for glass-air and glass-water

boundary Keywords: Total internal reflection, digital holographic microscopy, optical microscopy, total internal reflection microscopy, interfacial imaging. Acknowledgements: This work is supported by TUBİTAK under project no: 120F099 References [1] Daniel Axelrod, “Cell-substrate contacts illuminated by total internal reflection fluorescence.” The Journal of cell biology vol. 89,1 (1981) [2] William M. Ash III and Myung K. Kim, "Digital holography of total internal reflection," Opt. Express 16, 9811-9820 (2008) [3] Etienne Cuche, Frédéric Bevilacqua, and Christian Depeursinge, "Digital holography for quantitative phase-contrast imaging," Opt. Lett. 24, 291-293 (1999)



60

Design and Numerical Analysis of Tapered Fiber RI Sensor

Rana M. Armaghan Ayaz1, Amin Balazadeh Koucheh1, Kursat Sendur*1 1Faculty of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University,

Orhanli-Tuzla, 34956, Istanbul Turkey corresponding author, E-mail: [email protected]

Abstract The vast number of benefits of optical fiber sensors in the industry leads researchers to work more on the sensitivity of these sensors. Achieving higher sensitivity is the primary goal of most researches in this area. Etching the cladding section to decrease its thickness causes more interaction of the evanescent field with the outer space, which results in higher sensitivity. Therefore, geometric parameters like waist length and diameter play an essential role in the sensitivity of the sensors. Fig. 1 shows a schematic of a tapered optical fiber with its different zones. The current study aims to find out the effect of the mentioned parameters on the sensor's sensitivity. Furthermore, the impact of implementing different materials with various optical properties will be investigated in this study.

Figure 1: The different zones of a tapered optical fiber

To do this first, 3 µm taper waist diameter at an excitation wavelength of 1.55 µm is simulated by the finite element method (FEM) to find the effect of different external refractive indexes on the neff of LP01 mode. Besides, a finite difference time domain method (FDTD) is employed to validate the results of the FEM simulations. The results of both methods have good agreements. They indicate that as the RI difference between the core and the external environment is reduced, the LP01 mode stays confined and directed in the core, the number of higher order modes decrease. The neff of LP01 grew closer to the core refractive index. The frequency-domain analysis of a tapered fiber RI sensor with a waist-length of 20 µm taper is done at the same wavelength. The transmission at the output port reveals a linear range of operation in the RI range, indicating that the RI sensor with the set parameters can detect external compounds such as ethylene glycol and sucrose because their RIs fall within this operational range. The 2 nm taper waist diameter has a maximum sensitivity of about 0.31 trans. (A.U)/RIU. The sensitivity of the RI sensor is found to be inversely proportional to the taper waist diameter. The decreased interaction of the evanescent field with the external medium and its reduced penetration depth in it for thicker taper waists are the causes responsible for this. As a final step, the impact of the optical loss constant is investigated in 3 µm diameter, and it indicates a linear reduction in sensitivity from 0.12 trans. (A.U)/RIU to 0.05 trans. (A.U)/RIU when the optical loss constant is assumed from 0 to 0.04. Keywords: Tapered Optical Fiber Sensors, Finite Element Method, Finite Difference Method. References [1] Zhao, Y., & Liao, Y. (2002). Novel optical fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and salinity. Sensors and Actuators B: Chemical, 86(1), 63-67. [2] Dikovska, A. O., Atanasov, P. A., Andreev, A. T., Zafirova, B. S., Karakoleva, E. I., & Stoyanchov, T. R. (2007). ZnO thin film on side polished optical fiber for gas sensing applications. Applied Surface Science, 254(4), 1087-1090. [3] Wang, Y., Tan, B., Liu, S., Tian, T., Xu, G., & Cai, B. (2020). An optical fiber-waveguide-fiber platform for ppt level evanescent field-based sensing. Sensors and Actuators B: Chemical, 306, 127548.



61

Reduction of Parasitic Absorption in The Rear Side Metal Reflector of Solar Cells by Organically Modified Silica Aerogels

Damla KOCAK1, Deniz TURKAY2, Konstantin TSOI1,3, Mehmet KOC1,3, Ergi

DONERCARK1,3, Rasit TURAN3,4, Hulya OZGUR5, Selcuk YERCI1,3 1 Micro and Nanotechnology Department Middle East Technical University, Universiteler

Mahallesi, Cankaya Ankara 06800, Turkey 2 École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Rte Cantonale, Lausanne 1015, Switzerland

3 METU GUNAM Center Middle East Technical University Ankara 06800, Turkey 4 Physics Department Middle East Technical University, Universiteler Mahallesi, Cankaya Ankara

06800, Turkey 5 ASELSAN, Yenimahalle-Ankara 06200, Turkey

Damla KOCAK, E-mail: [email protected] Full area metal contacts at the rear side of silicon solar cells parasitically absorb evanescent p-polarized light, which decreases the short-circuit current density and the efficiency of the devices. To reduce this parasitic effect, a rear dielectric reflector can be inserted between silicon and the rear metal contact layer. Low refractive index materials reflect a greater portion of the scattered light in the IR region, provided it is thick enough to ensure that the evanescent wave coming to the rear side of the cell decays before it reaches the rear metal.[1]. Organically modified silica aerogel is suitable to use as a rear reflective layer in solar cells due to its high degree of porosity, leading to a low refractive index. Silica aerogels are the structures that consist of mesopores formed by SiO2nanospheres with a diameter of a few nanometers, resulting in a very low refractive index. This study aims to improve the efficiency of the silicon solar cell by reflecting the scattered light in the region IR absorbed parasitically by the rear metal contact to the absorber layer using a thin aerogel film [2] [3]. In this study, aerogel thin films were studied which have different refractive indexes and thicknesses by optimizing the parameters of the synthesis process (molar ratio of methyltrimethoxysilane to solvent) and the fabrication technique (spin coating), respectively. The improvement in the efficiency and short circuit current density by inserting aerogel thin film between the rear transparent conductive oxide (TCO) and metal contact layers was achieved in Silicon heterojunction solar cells. Keywords: Organically modified aerogel, parasitic absorption, solar cell, short-circuit current, Silicon Heterojunction, transparent conductive oxide References: [1] Z. C. Holman, S. De Wolf, and C. Ballif, “Improving metal reflectors by suppressing surface plasmon polaritons: A priori calculation of the internal reflectance of a solar cell,” Light Sci. Appl., vol. 2, no. OCTOBER, p. 0, 2013, doi: 10.1038/lsa.2013.62. [2] N. Program, “ORGANICALLY MODIFIED SILICA BASED NANOMATERIALS FOR FUNCTIONAL SURFACES,” 2012. [3] M. Boccard Et Al., “Low-Refractive-Index Nanoparticle Interlayers to Reduce Parasitic Absorption in Metallic Rear Reflactors of Solar Cells,” Vol. 1700179, No. 10, 2017, Doi: 10.1002/Pssa.201700179.


62

High Performance Navigation Grade IFOG with a Sensing Coil with Reduced Mechanical Stress

Aylin Yertutanol1,2,*, Tuğba Andaç1,3, Serdar Öğüt1,4, Ekmel Özbay1,3,4 and Abdullah Ceylan2

1Nanotechnology Research Center-NANOTAM, Bilkent University, Ankara, Turkey 2 Department of Nanotechnology and Nanomedicine, Hacettepe University, Ankara, Turkey

3 Department of Physics, Bilkent University, Ankara, Turkey 4Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, Ankara, Turkey

*[email protected]

Abstract The fiber optic sensing coil is the heart of an optical sensor in which the mutually advancing light in system movement is measured with the effect known as the Sagnac Effect. Sensing coils, which are widely used especially in fiber optic gyroscope systems, are optical structures that are used to measure the amount of phase difference that occurs relative to each other due to the system movement of the counterpropagating light [1]. Time-dependent environmental factors such as temperature change and vibration can directly affect sensing coil performance [2]. In this study, the base material, curing agent, carbon black (C) and adhesion promoter were prepared and cured mixture is prepared with universal ISO-37.1 die cutter for preparation of sample adhesive mixture specimens for tensile stress tests at the beginning and the results are shown in Table 1 and Figure 1. Then 4 different sensing coil with using different adhesive mixing wound in a quadrupole winding pattern at low tension with 1100m length of polarization maintaining fiber (PMF). Coils were characterized as a function of temperature with respect to rate and the results are shown in Table 2. This study suggests that one coil can obtain a higher performance over a large temperature range by using accurate adhesive mixture is shown in Figure 3. Table 1: Young modulus table of adhesive mixture

Figure 2: Stress-strain graphic of adhesive

mixtures Table 2: Bias error of Fiber Coils with different adhesive mixtures

Figure 3: Bias error of Coil #4

Keywords: Fiber optic gyrcoscope, fiber coil, polarization extinction ratio, rate, temperature References [1] Lefévre, H. C. (1997). Fundamentals of the interferometric fiber-optic gyroscope. Optical review, 4(1A), 20-27. [2] Shupe, D. M. (1980). Thermally induced nonreciprocity in the fiber-optic interferometer. Applied optics, 19(5), 654-655.

Base material

(%)

Curing agent (%)

Cabon black (%)

Adhesive promoter

(%)

Young Modulus

(MPa)

Adhesive Mixture #1 91 9 - - 2.75

Adhesive Mixture #2 55 5 40 - 3.14

Adhesive Mixture #3 54 5 40 1 8.37

Adhesive Mixture #4 54 5 40 1 9.34

# of Coil Adhesive Bias Error (°/h)/(°C/min)

Coil #1 - 3.01

Coil #2 Adhesive Mixture #1 1.85



mailto:*[email protected]


63

An Image Analysis Protocol for the Assesment of Photothermal Mucosal Coagulation

Merve TURKER BURHAN*1,2, Serhat TOZBURUN1,2,3

1Izmir Biomedicine and Genome Center, Izmir, Turkey 2Izmir International Biomedicine and Genome Institute, Dokuz Eylul University, Izmir, Turkey

3Department of Biophysics, Faculty of Medicine, Dokuz EylulUniversity, Izmir, Turkey *[email protected]

Abstract This study presents a protocol to assess histology results of photothermally coagulated mucosa tissue by performing both bright field and dark field microscopy. H&E (hematoxylin and eosin) staining is considered as the gold standard for histological analysis of tissues in medical diagnosis. Hematoxylin stains cell nuclei as purple-blue while eosin stains cytoplasm and extracellular matrix to different shades of pink. Its inexpensive and quick procedure, which barely depends on fixative chemical and mode of application, makes H&E application as principal stain in histology. Although it helps to reveal structural details of most cells and tissues, it does not always provide sufficient contrast between some cell types and cellular structures, requiring specific stainings. Therefore, an analysis protocol for H&E stained specimens emphasizing cellular and structural differences may be a promising approach to facilitate histological investigation of tissues. In this study, we propose an analysis method which provides image enhancement with minimum digital intervention. A part of esophageal tissue was coagulated by implementation of laser surface scanning (Figure 1a). The tissue was fixed with 10% formalin solution and then embeedded in paraffin block. After that, 5 µm thick deparaffinized tissue specimens were stained with H&E and mounted for histological analysis. Stained specimens were investigated under microscope by using different illumination strategies. Under bright field illumination, normal and phorothermally coagulated tissue layers were partially identified regarding color and morphological changes. However, it was challenging to identify coagulated region precisely, especially for epithelium layer (Figure 1b). On the other hand, dark field illumination, which primarly relys on diffraction and refraction of light2 , provided more distinctive image with different colors representing separate parts of tissue (Figure 1c). More dense parts (e.g., nucleus) was seen in red while less dense parts (e.g., loose connective tissue) seen in blue. Additionally, coagulated part of tissue was seen as black. Despite the dark field microscopy image distinguished the separate tissue parts by increasing contrast, it lacked structural details.

Figure 1: (a) Gross anatomy of phototermally coagulated esophageal tissue. (b) Bright field microscopy image and (c) dark field microscopy image from cross-sectional area of coagulated tissue. (d) Result of image subtraction process.

That’s why, we subtracted the image of dark field microscopy from that of bright field microscopy (Figure 1b, 1c) to obtain high contrast image having also morphological details (Figure 1d). By using color subtraction approach (e.g., magenta – red = blue), normal and coagulated tissue parts could be easily perceived by nonspecialists eyes. In concequence, this simple, quick, and effective strategy for image processing may hold promise for ease of histological assessment of different tissue types. Keywords: Histological analysis, bright field microscopy, dark field microscopy, image processing, contrast enhancement Acknowledgements: This work was supported partially by TUBITAK grant No [117E985]. Merve Turker Burhan was supported by a Turkish Council of Higher Education 100/2000 doctoral scholarship and BIDEB 2211-A doctoral scholarhsip. References [1] Gill, G, [Cytopreparation: Principles & Practice, Essentials in Cytopathology] Springer Science+Business Media, New York, 207-215 (2013). [2] Hayden, EJ, “Adventures on the Dark Side: An Introduction to Darkfield Microscopy,” Biotechniques 32(4), 756-761 (2002).


64

Multifuntional Beamsplitter Metasuface

Veysel Erçağlar*1,2, Hodjat Hajian1, Andriy E. Serebryannikov3, Ekmel Özbay1,2,4 1NANOTAM-Nanotechnology Research Center, Bilkent University, 06800 Ankara, Turkey

2Department of Electrical and Electronics Engineering, Bilkent University, 06800 Ankara, Turkey 3Faculty of Physics, Adam Mickiewicz University, 61-614 Poznan, Poland

4Department of Physics and UNAM-Institute of Materials Science and Nanotechnology, Bilkent University, Ankara, Turkey

*corresponding author, E-mail: [email protected] Abstract Two dimensional (2D) metamaterials are considered metasurfaces [1]. Customizable nature of metasurfaces offers plenty of applications, such as metamirros, absorbers etc [2]. By arranging surface phase gradient, beam splitting can be achieved either in reflection or transmission mode according to generalized Snell’s Law [3]. In this work, we are proposing a multifunctional beamsplitter metasurface enabled by surface phase gradient and phase change material in addition to graphene layer [4].

Figure 1: Schematic view of the metasurface beamsplitter. i-VO2 case transmission intensities excited (a) TM (b) TE

polarized beam. m-VO2 case reflection intensities excited (a) TM (b) TE polarized beam.

By changin the temperature of vanadium oxide (VO2) operation mode of beamsplitter can be switced between reflective and transmittive modes. VO2 has transition temperatureat around 68 °C [5], below transition temperature, VO2 goes into insulation phase (i-VO2) which permitting light to be transmitted and above transition temperature, VO2 goes into metalic phase (m-VO2) which is reflecting the incident light. Additional graphene layer is allowing us to tune and modulate the response that we can achive perfect absorption as well. As a result, in the cold state metasurface beamsplitter (MBS) is operating in transmission mode splitting the wave with 45.54° angle at 0.7 THz and in the hot state MBS is operating in reflection mode splitting the wave with 70.63° angle at 1.6 THz. By changing chemical potention of the graphene layer signal canbe tuned and modulated in such a way that reaching the perfect absorption. Keywords: Metamaterial, metasurface, beamsplitter, tunable, multifunctional, phase change material, graphene Acknowledgements This work is published in the journal Optics Letters vol. 46 no. 16, pg. 3953-3956 (2021) by authors Veysel Erçağlar, Hodjat Hajian, Andriy E. Serebryannikov, Ekmel Özbay. Referanslar / References [1] F. Aieta, P. Genevet, N. Yu, M. A. Kats, Z. Gaburro, and F. Capasso, Nano Lett. 12, 1702 (2012). [2] Z. Ma, S. M. Hanham, P. Albella, B. Ng, H. T. Lu, Y. Gong, S. A. Maier, and M. Hong, ACS Photon. 3, 1010 (2016). [3] N. Yu, P. Genevet, M. A. Kats, F. Aieta, J.-P. Tetienne, F. Capasso, and Z. Gaburro, Science 334, 333 (2011). [4] V. Erçağlar, H. Hajian, A. E. Serebryannikov, E. Ozbay, Opt. Lett. 46, 3953 (2021). [5] H. Kocer, A. Ozer, S. Butun, K. Wang, J. Wu, H. Kurt, and K. Aydin, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 25, 4700607 (2019).


65

Fiber Bragg Izgara Sensörlerin Optik Haberleşme ve Mikrodalga Haberleşmesindeki Performans Analizi

Ömer Özgün1, N. Özlem Ünverdi*2

1İstanbul Kültür Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi

Elektrik - Elektronik Mühendisliği Bölümü, 34158 Bakırköy, İstanbul, Türkiye E-posta : [email protected]

2Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik - Elektronik Fakültesi

Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, 34220 Esenler, İstanbul, Türkiye E-posta : [email protected]

Özet Sensörler, elektromagnetik alan, dielektrik sabiti, magnetik geçirgenlik, iletkenlik, nem, porozite, basınç ve kimyasal özelliklerin belirlenmesinde kullanılan devre elemanlarıdır. Sensörlerin iletim hızları ve genlikleri, frekans domeninde değerlendirilir. Bu çalışmada, THz’ler mertebesindeki frekanslarda çalışan optik fiber sensörler ve GHz’ler mertebesindeki frekanslarda çalışan mikrodalga sensörleri karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Fiber Bragg ızgara tabanlı sensör, OptiSystem 18.0 simülasyon programı ile incelenmiştir. Beyaz ışık kaynağı ile beslenen düzenekte, fiber Bragg sensör ve optik gecikme yapılarından yararlanılmıştır. Her bir devre elemanının frekans domenindeki davranışı, optik spektrum analizörü ile irdelenmiştir. WDM FBG (Wavelength Division Multiplexing - Fiber Bragg Grating, Dalgaboyu Bölmeli Çağullamalı Fiber Bragg Izgara) sensörün dalgalanma hareketlilikleri izlenmiştir. Kayıplı optik fiber kullanılarak düzenek üzerinde iletim hattı oluşturulmuş ve modellenen mekanizma değerlendirilmiştir [1-3]. AWR Microwave Office simülasyon programı ile filtre yapısında oluşturulan sensör incelenmiştir. Sirkülatörün band durduran filtre ile bağlantısı sağlanarak mikrodalga frekanslarında çalışan bir sensör elde edilmiş ve sensörün çalışma mekanizması araştırılmıştır. Mikrodalga düzeneğinde, FBG sensör yapısı ve mikrodalga filtre tasarımı üzerinde çalışılmıştır. GHz bandındaki çalışma frekans aralığında filtre yapısında çalışan bir iletim hattı tasarlanmış ve düzenek analiz edilmiştir [4]. Çalışmada, optik frekanslarda ve mikrodalga frekanslarında çalışan sensörlerin performansları karşılaştırılmıştır. Optik fiber sensörlerin, mikrodalga sensörlerine göre daha hızlı bir yapıya sahip olduğu belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: İletişim teknolojileri, optik haberleşme, optik fiber, fiber Bragg ızgara sensör, optik fiber sensör, mikrodalga sensörü Referanslar [1] J. Haus, “Optical Sensors : Basics and Applications”, Wiley & VCH, Weinheim, 2010. [2] L. Karaman, “Fiber Bragg Izgara Tabanlı Optik Sensörlerin Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2009. [3] S. Alkoçak, N. Ö. Ünverdi, “Fiber Bragg Izgaraların Analizi ve Uygulamaları”, IEEE 26. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı (SİU - 2018), Çeşme - İzmir, 2-5 Mayıs 2018. [4] H. Eskelinen, P. Eskelinen, “Microwave Component Mechanics”, Artech House, Norwood, 2003.

Documents

FOTONİK 2021