Femtosaniye Lazerlerin Metallerle Etkileşimlerinde Dalgakılavuzu Davranışlarının İncelenmesi

Abstract

Femtosaniye lazerlerin darbe süreleri, metallerin ısıl difüzyon sürelerinden daha kısa olduğundan, dağlama işleminde ısınma ve kayıplar azaltılabilmekte, düşük boyutlarda yüksek kaliteli ve tekrarlanabilir mikroişleme sağlanabilmektedir. Dağlamada lazer huzmelerinin metaller içerisindeki ilerleyişinin belirlenebilmesi için etkin ışık-madde etkileşim modellerine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada metallerin dağlanması dinamiği, şekillendirilmiş femtosaniye lazer huzmelerinin dalga kılavuzu içerisindeki davranışları hesaba katılarak, kuramsal ve deneysel olarak araştırılmıştır. Lazerle dağlama işlemi, optik dalga kılavuzu gibi etkiyen kovuklarda her lazer darbesinin derinlik oluşumuna katkısının olduğu bir pertürbasyon yaklaşımı ile modellenmiştir. Kuramsal çalışmalarda, gauss ve bessel tipi lazer huzmelerinin silindirik dalgakılavuzu içerisindeki karakteristik mod profili, eşleme ve zayıflama özellikleri belirlenerek, ilerleyişi sayısal olarak hesaplanmıştır. Farklı enerji ve odaklama seçenekleriyle oluşturulacak huzmelerin etkileri teorik olarak incelenmiştir. Geliştirilen model kullanılarak, olası silindirik kovukların üç boyutlu profilleri belirlenmiştir. Kuramsal modelin uygulanabilirliği, merceklerle şekillendirilen darbeli femtosaniye lazer huzmelerinin bakır ve aluminyumda yapılan deneysel dağlama ölçüm sonuçları ile karşılaştırılarak araştırılmıştır. Bunun için lazerin darbe sayısı, enerjisi ve huzme boyutları değiştirilerek, delinen kovuk profili ölçümleri alınmıştır. Deney ölçüm sonuçlarının hesaplamalarla benzerliği, teorik dalgakılavuzu modelimizi doğrulamaktadır. Farklı rejimlerdeki sonuçların karşılaştırılmasından, dalgakılavuzu modelinin dağlama eşiğine yakın enerjilerde etkin olarak kullanılabileceği görülmüştür. Soğurma nedeniyle oluşan zayıflama hesaplarına, saçılma kayıplarının da eklenmesi deneysel verilerle uyumu sağlamıştır. Femtosaniye lazerle dağlama işlemiyle metallerde oluşturulan kovukların, geriden gelen lazer darbeleri için etkin bir dalgakılavuzu oluşturduğu gösterilmiştir. Geliştirilen dalgakılavuzu etkilerine dayalı modelleme, dağlama işleminin detaylı anlaşılmasının ötesinde, işlem sonucu beklenen çıktıların tahmininde de kolay bir yol önermektedir.

Femtosecond lasers allow very high processing quality and repeatability in precision material ablation. Sub-picosecond pulse durations of these lasers are much shorter than the heat diffusion time in materials; which brings about advantages such as minimal collateral damage and high precision in micro-machining. Laser beam propagation through metals in ablation process involve complicated dynamics and therefore require detailed light-matter interaction modelling. Dynamics of femtosecond-laser drilling of metals is investigated in this thesis, both theoretically and experimentally, by taking the waveguide-like behaviors into account. Optical waveguide theory can be applied with a perturbation approach to simulate these effects in the drilled cavities. Mod profile, coupling and attenuation charateristics of Gauss and Bessel type laser beams in cylindrical waveguides were determined and their propagation was examined. Effect of beams with different energy and focusing were analyzed. 3D mapping of possible cylindrical holes were determined theoretically. Applicability of our theoretical model was investigated by comparing the obtained experimental data of shaped pulse laser beam ablations. Profile measurements were carried out in both copper and aluminum for various beams with different pulse number, energy and size. Similarity of experimental mesurements with calculated values justify our theoretical waveguide model. Results in different regimes reveal that the waveguide model is particularly effective at fluences close to ablation threshold. Inclusion of scattering losses to the attenuation in our model brings a quantitative match with experimental findings. It was shown that drilled holes in metal ablation act as an effective waveguide for following pulses. Developed model based on waveguide effects provides detailed understanding of femtosecond laser pulses with metals, while it provides a quick and intuitive way to estimate process outcomes.