Şekillendirilmiş lazer hüzmelerinin yüksek saçılmalı ortamla etkileşimleri

Abstract

Işık bir ortamda ilerlediği zaman, ortamın ve ışığın özelliklerine göre farklı etkiler ortaya çıkabilir. Bu etkilerden biri ışığın saçılmasıdır ve bazı uygulamalar için kritik rol oynayabilmektedir. Örneğin saçılmanın ve hüzme kırınımının kontrollü olarak azaltılması, saçıcı ortamda daha derinlerden görüntü alabilmek için yeni yöntemlerin gelişmesine öncü olabilir. Işık hüzmesinin şiddet profilini şekillendirmek bazı uygulamalar için istenen sonucu verebilir. Şekillendirilen hüzmelerden en yaygın olarak kullanılan ve kırınımsız hüzmeler olarakta bilinen Bessel ve Airy hüzmelerinin kendini yeniden iyileştirme özelliği sergilediği bilinmektedir. Bu özelliklerinin, saçıcı ortamda ilerlerken Gaussiyen hüzmelere göre farklılıklar ortaya çıkaracağı düşünülmüştür. Bu amaçla, sunulan bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, doğrusal optik rejimde, profilleri farklı şekillendirilen lazer hüzmelerinin sıvı fantom içeren saçıcı ortamdaki ilerleme davranışları incelenmiştir. Bessel ve 1B Airy hüzmelerinin, Gaussiyen ve 2B Airy hüzmelerine göre, saçıcı ortamda daha yavaş zayıfladıkları bulunmuştur. Bu sonuç, kendini iyileştirme özelliği olan bu hüzmelerin merkezlerine; Bessel hüzmesi için halkalardan, Airy hüzmeleri için ise yan saçaklardan sürekli bir enerji akışının olmasının hüzme şiddetindeki zayıflamayı yavaşlattığı şeklinde yorumlanmıştır. Bununla beraber, saçıcı ortamda kaydedilen hüzme profillerinden yapılan hesaplamalara göre mod profilindeki en büyük bozulma Bessel hüzmesinde en az ise Gaussiyen hüzmede gözlenmiştir. Saçıcı ortamda hüzmenin kapladığı hacim arttıkça daha çok saçıcıyla karşılaştığı için moddaki bozulma daha hızlı gerçekleşmektedir. Dolayısıyla şekillendirilmiş hüzmelerin saçıcı ortamda daha derinlerde yüksek şiddetlerin gerektiği uygulamalarda etkin olarak kullanılabileceği söylenebilir. Ancak uygulamanın amacına göre hüzmenin saçıcı ortamdaki bütün özelliklerinin dikkate alınması gerekir. Hüzme şekillendirme, uygun optik elemanlar kullanılarak yapılabilir. Bunun yanında, ışık modülatörü kullanarak, uygun fazın sıvı kristal göstergeye uygulanmasıyla çok daha kolay bir şekilde ışığın profili şekillendirilebilir. Bu bölümde ayrıca geçirgen bir ışık modülatörü kullanılarak hüzme şekillendirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Modülatörü en etkin haliyle kullanabilmek için seçilen dalgaboyuna göre kalibrasyonu yapılmış, faz ve şiddet modülasyonları ölçülmüştür. İnsan dokusu, ışık için saçıcı bir ortamdır ve hem dokunun hem de ışığın özellikleri ışık-doku etkileşim süreci için son derece belirleyicidir. Lazer doku etkileşimi uygulamalarında istenen amaca göre uygun lazer parametrelerinin kullanılması gerekir. Üçüncü bölümde, lazer doku etkileşim süreçleri özetlenmiştir. Bu tez çalışmasının dördüncü bölümünde, femtosaniye (fs) atımlı lazerin biyomedikal alandaki yumuşak dokuyla ilgili bazı uygulamalarına yer verilmiştir. Çok kısa atım süreleri sayesinde gerçekleşen fotobozulma süreciyle, bu lazerlerle yumuşak dokuların içerisinde mikro boşluklar oluşturmak mümkündür. Böylece bu mikroboşluklar birleştiğinde herhangi bir mekanik temasa gerek kalmadan dokular ayrılabilir. Bu amaçla öncelikle katı fantom agar jeli içerisinde fs lazer ile mikrobaloncuk serileri oluşturulmuş, genellikle oftalmolojide kullanılan bu uygulama daha sonra koyun korneasında tekrarlanmıştır. Deney sonucunda lazerle korneanın üzerinden ince bir doku tabakası kaldırılabilmiştir. Ayrıca Bessel hüzmesiyle de agar jeli ablasyon deneyi yapılmıştır. Bessel hüzmeleri Gaussiyen hüzmelerden farklı olarak uzun mesafe odaklı oldukları için jelin yüzeyinde ablasyon gerçekleşmiştir. İlk bölümde sunulan Bessel bölgesi sınırlandırma deneylerindeki gibi gelen hüzmenin önüne engeller konularak Bessel hüzmesinin oluşması geciktirilebilir ve böylece jelin yüzeyinde değil içinde ablasyon işlemi yapılabilir. Oftalmoloji alanında çalışılan bir diğer konu göz içi lenslerle ilgilidir. Katarakt hastalığı gibi herhangi bir nedenle göz içindeki doğal lens zarar görmüş olabilir ve bu durumda lens çıkartılıp yerine genellikle esnek polimer malzemelerden yapılmış yapay lensler takılır. Gözün doğal lensinin akomodasyon özelliği lensin odak uzaklığını değiştirebilmesini ve böylece hem uzak hem de yakındaki nesnelerin net olarak görülmesini sağlar. Bununla beraber, göze takılan yapay göz içi lens (GİL) sadece bir odak uzaklığına sahiptir. Bu lensleri takan hastalar yakın görüş için gözlüğe ihtiyaç duymaktadırlar. Bu sorunun üstesinden gelebilmek için çok odaklı GİL'ler geliştirilmektedir. Bu projede tek odaklı bir GİL'in üzerinde fs lazer ablasyonuyla Fresnel bölge plakası (FBP) oluşturarak çok odaklı hale getirmek için çalışılmıştır. İlk denemelerde lazer hüzmesi bir galvo sistem ile halka şeklinde hareket ettirilerek kontakt lens üzerinde FBP oluşturulmuş ve bu işlenen lensten 633 nm ışık geçirildiğinde tasarlandığı gibi 47 mm'de ışığı odakladığı gözlenmiştir. Fakat bu yöntem GİL için kendini-odaklama etkisinden dolayı tam etkin olarak kullanılamamıştır. Bu nedenle, gelen lazer hüzmesine dik düzlemde lens örneğinin hareket ettirildiği yeni bir yönteme geçilmiştir. Bu şekilde GİL yüzeyinde daha kontrol edilebilir FBP deseni oluşturulmuştur. Beşinci bölümde, biyomedikal uygulamalarına sert doku örneği olarak fs lazer ile diş minesi aşındırma deneyleri yapılmıştır. Ortodonti alanındaki bazı tedavilerde diş minesi yüzeyine braket bağlamak için yüzeyin aşındırılması gerekmektedir. Lazerle aşındırma yöntemi, geleneksel olarak asitle aşındırma yöntemine göre önemli avantajlar sunmaktadır. Ancak lazer ışığı nedeniyle doku aşırı ısınırsa istenmeyen yan etkiler meydana gelebilir. Burada sunulan mine aşındırma deneylerinde atım süresi fs mertebesinde olan lazer sistemi kullanılmış ve bu şekilde işlem süresince dokuya ısı nüfuz etme olasılığı en aza indirilmiştir. Mikroskobik incelemeler sonucunda, lazer aşındırma sonrası mine yüzeyinde herhangi bir ısısal hasar veya mikroçatlak gözlenmemiştir. Bunun yanında lazerle aşındırılan yüzeylere braketler yapıştırılmış ve bağlanma kuvvetleri ölçülmüştür. Uygun lazer parametreleri ve ablasyon desenleri kullanılarak asit aşındırma kontrol grubuyla elde edilenlere çok yakın sonuçlara ulaşılabileceği bulunmuştur. Ayrıca Bessel hüzmesiyle mine aşındırma deneyi yapılmış ve hüzmeyi taramadan yüzeyde halkalar şeklinde ablasyon deseni oluşturmaya çalışılmıştır. Fakat merkezden dış halkalara doğru gidildikçe şiddet çok azaldığı için halkaların ablasyona neden olmadığı görülmüştür. Altıncı bölümde, kağıt eserlerin konservasyonu kapsamında eserlerin fs lazer temizliği ile ilgili çalışılmıştır. Lazer temizliğinin geleneksel yöntemlere göre temassız uygulanması, istenilen anda işlemin sonlandırılabilmesi, herhangi bir kimyasal malzeme kullanımına gerek olmaması gibi üstünlükleri vardır. Bununla beraber, özellikle kağıt gibi hassas ve kırılgan eserlerin temizliğinde, eseri şiddetli lazer ışığına maruz bırakırken dikkatli olunmalıdır. Uygun lazer parametreleri kullanıldığı takdirde eserin orjinalliğine zarar vermeden etkin bir temizlik yapılabilir. Bu projede, gerçek eserlerle çalışılmadan önce, örneği ışık altında tararken kullanılacak hızı, adım aralığını ve uygun lazer gücünü belirlemek ve kağıda zarar verilmediğinden emin olmak için yapay olarak kirletilen ve eskitilen kağıt modellerle deneyler yapılmıştır. Dört farklı kağıt tipi, iki farklı şekilde kirletilip eskitilmiş ve sonra farklı lazer güçleriyle temizlenmiştir. Osmanlı dönemine ait el yazması kağıt eserlerin çoğunda ahar adı verilen koruyucu tabaka kullanıldığı için aharlı kağıt örnekler de hazırlanmıştır. Hazırlanan bu kağıt örnekler ve gerçek kağıt eserler lazerle temizlendikten sonra renk ölçümleri yapılmıştır. Beklenildiği gibi bütün örnekler için kağıdın parlaklığının lazer gücüyle arttığı gözlenmiştir. Bununla birlikte, temizlik işleminde dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan biri eserin otantik rengini ve görünümü kaybetmemesidir. Ölçümler sonucunda düşük lazer güçleriyle işlem yapıldığı takdirde orjinal rengin korunabileceği görülmüştür. Diğer önemli bir konu ise, temizleme sürecinden sonra kağıdın mekanik dayanıklılığındaki değişimdir. Çekme testleri sonucunda, lazer temizleme işleminden sonra kağıt dayanıklılığının azaldığı gözlenmiştir. Ancak kağıt dayanıklılığını belirleyen en önemli unsur kağıdın fiber yapısıdır. Yapılan mikroskobik ölçümler sonucunda, bütün lazer güçleri için kağıdın fiber yapısının zarar görmediği gözlenmiştir. Hatta çoğu durumda ahar tabakası bile yüzeyden kalkmamıştır. Bu sonuçlar, fs lazerin kağıt eser temizliği için çok kullanışlı olabileceğini göstermiştir. Yedinci bölümde metal işleme uygulamalarına yer verilmiştir. Lazer ile malzemelerin mikro ve hatta nano ölçeklerde işlenmesi son derece ilgi çeken bir araştırma konusudur. Metallerin ısı iletkenlikleri çok yüksek olduğu için kısa (nanosaniye (ns) mertebesinde) atımlı lazerlerle işlem yapıldığında geniş bir hacim ısıdan etkilenir. Lazer işleme konularından biri olan lazerle metal delme işleminde ultrahızlı lazerlerin kullanılmasıyla kaliteli ve ısısal hasarı çok az olan delikler elde edilebilmiştir. Fakat ablasyon sırasında oluşan plazma nedeniyle ışığın saçılması veya soğurulması ve delik duvarlarındaki saçılmalar delik yapısını ve derinliğini belirler. Bu bölümün ilk kısmında bakır delme deneyinde, bu saçılmalar nedeniyle oluşan olumsuz etkileri azaltmak için bazı yöntemler denenmiştir. İlk yöntemde; mikroişleme sırasında örnek belli hızlarda ve yönlerde hareket ettirilmiştir. Ancak bütün durumlarda örneğin sabit olduğu deneyde elde edilen ile yaklaşık aynı delik derinlikleri elde edilmiştir. İkinci yöntemde; dairesel kutuplu lazer hüzmesi kullanılmıştır. Dairesel kutuplu hüzmeyle çizgisel kutuplu lazer hüzmesine göre ~20 um daha az derinlikler elde edilmiştir. Üçüncü yöntemde; lazerin hem temel dalgaboyu hem de ikinci harmoniği aynı anda kullanılmıştır. Fakat bu durumda tek dalgaboyunun kullanıldığı duruma göre çok daha az derin delikler oluşmuştur. Dördüncü yöntemde ise, lazer hüzmesi ikiye ayrılıp tekrar yüzeyde aynı noktaya odaklanarak delme işlemi yapılmıştır. Farklı yollar izleyen bu hüzmelerin atımları arasında farklı zaman aralıkları oluşturulmuştur. Bu zaman farkının delik derinliğini etkilediği görülmüştür. Ancak hüzmeler arasında zaman farkı yokken elde edilen durumdan daha derin delikler oluşmamıştır. Yedinci bölümün ikinci kısmında ise, Bessel-girdap hüzmeleriyle altın ince film üzerinde dairesel mikroyapılar üretilmiştir. Bu yapılar, lazerin gücüne bağlı olarak tekli veya çoklu halkalar şeklinde oluşmuştur. Ablasyon desenin ortasındaki dairesel yapının boyutu ise lazerin gücüyle ters orantılı olarak değişmektedir.