Femtosaniye Lazer İle Titanyum Mikroişleme

Abstract

Geçtiğimiz son 20 yıl içerisinde femtosaniye lazerlerin uygulama alanlarında hızlı bir artış gözlemlenmektedir. Bu tip lazerler çok kısa süreli darbeler ürettikleri için çok yüksek güç değerlerine ulaşabilmekte ve bu da eşsiz avantajlar sağlamaktadır. Ayrıca nanobilim çok küçük ölçekli yapıların, partiküllerin üretilmesini gerektirmektedir ki bu da geleneksel teknolojilerle pratik olmamaktadır. Bu nedenle, femtosaniye lazerler geleneksel mikroişleme yöntemlerine iyi bir rakip olmaktadır. Femrosaniye lazer ile mikroişlemenin çok hızlı genişleyen uygulama alanları bulunmaktadır. Çeşitli malzemeler, örneğin metaller, yarıiletkenler, transparant malzemeler, kompozitler femtosaniye lazerlerle işlenebilmektedir. Çok kısa süreli darbeler üretmesinden dolayı, lazer hüzmesi ile malzemenin etkileştiği bölgenin etrafına zarar verilmemektedir. Bu açıdan femtosaniye lazerlerin, hassas delik delme, kesme, mikro/nano yapılandırma ve biyomedikal cihazların üretimi gibi önemli uygulama alanları bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, sanayide ve biyomedikal uygulamalarda çok iyi özelliklerinden dolayı sıkça kullanılan, titanyum malzemesi femtosaniye lazer ile mikroişlenmiştir. Sistematik bir şekilde deneyler yapılmış ve ablasyon derinliği, darbe enerjisi, tarama hızı ve tekrarlı taramalar ile karakterize edilmiştir. Dolayısıyla, tezin amacı, ablasyon derinliğinin, değişen parametreler ile karakteristiğini ortaya koymak ve pürüzsüz kanalların açılması için gerekli olan optimum parametreleri elde edebilmektir. Ayrıca, titanyum yüzeyinde ve kanalların içerisinde mikroyapıların oluşumu gözlemlenmiştir. Bu yapılar biyomedikal implantların vücut içerisindeki dayanımını ve performansını arttırmakta, ayrıca mikro kanallar içerisinde hücre ayrıştırması için tuzak olarak kullanılabilmektedir. Sonuç olarak bu tez çalışması kapsamında ablasyon derinliğinin, değişen parametrelerle olan karakteristiği ortaya konulmuş ve pürüsüz kanallar açılmıştır. Ayrıca, mikro yapıların oluşum sebepleri irdelenmiştir.

In the last two decades, there is a rapid increase in the femtosecond laser applications. Since this type of lasers produce ultrashort pulse durations, which means high peak powers can be obtained, they provide unique advantages. Also, nanoscale science requires structures, which are not possible to fabricate by conventional technologies. Recently, femtosecond lasers are getting a good attention by many researchers in diverse applications such as precise hole drilling, microchannel cutting, micro/nanostructuring, and biomedical devices using metals, semiconductors, composites and transparent materials. In this thesis, a femtosecond laser is used in order to micromachine titanium, which is a widely used material in industrial and biomedical applications due to its exceptional properties. Several experiments performed systematically in order to characterize the ablation depth with pulse energy, translation speed, and the consecutive passes over the channels. The main purpose of this study is to obtain the optimum parameters to cut, smooth microscale channels without accumulated debris. During the study, formations of microcolumns, called spikes, are also observed on titanium surface which can enhance biomedical implants’ performance in human body, and these could be used as traps so as to capture specific cells in the microchannels for various biological studies. The characteristics of the ablation depth as a function of cut parameters are investigated and channels having smooth surfaces are obtained. Moreover, the reason behind the formations of microcolumns is discussed.