Seydi Yavaş,Koray Eken

Teknolojinin hızla geliştiği günümüzde ölçüm, görüntüleme ve malzeme işleme  teknikleri de bu gelişmeye paralel olarak daha yüksek hız ve hassasiyet gerektirmektedir. Bu hız ve hassasiyete ulaşabilecek yöntemler arasında en çok öne çıkan, umut vadeden ve bu tarz uygulamalarda yer bulmaya başlayan teknoloji ultrahızlı lazer teknolojisidir.

 

Ultrahızlı lazer sistemleri

Şekil-1. Ultrahızlı lazerler ile nanometre hassasiyetinde malzeme işlemek mümkün

Lazerler genel olarak iki gruba ayrılabilir: Sürekli dalga lazerler ve atımlı lazerler. Atımlı lazerler de üretilen atımların uzunluğuna göre sınıflandırılır; mikrosaniye, nanosaniye gibi. Ultahızlı lazerler pikosaniye ve femtosaniye lazerlere verilen genel addır. Femtosaniye ve pikosaniye büyüklük olarak bakıldığında sırasıyla saniyenin katrilyonda biri ve trilyonda biri mertebesinde sürelere denk gelir. Bu sürenin ne kadar kısa olduğunu gözümüzde canlandırmak açısından örnek vermek gerekirse;  saniyede dünyanın etrafını 7.5 kez dönebilen ışık 100 femtosaniyelik sürede ancak insan saçının kalınlığının üçte biri kadar(30 µm) yol alır. Ultrahızlı lazerler femtosaniye mertebesinde sürelerde megawatt ve gigawatt tepe güç seviyelerine ulaşır ki bu da nükleer enerji santrallerinin ürettiği güce denktir. Bu kadar yüksek güçleri bu kadar kısa sürelerde elde edebilmesi sebebiyle ultrahızlı lazerler, hassas malzeme işleme, biyomedikal görüntüleme, çok hızlı fotokimyasal olayların ölçümü, faz uyumlu x-ışını üretimi, metrolojik uygulamalar(hassas frekans ve zaman ölçümü) gibi birçok alanda kullanılmaktadır.  Bu alanların içinde hassas malzeme işleme, endüstrinin büyüklüğü nedeniyle, ayrı bir öneme sahiptir.

 

ultrafast lasers

Şekil-2. Malzeme işlemede nanosaniye vs. femtosaniye atımların karşılaştırması

Lazerin icadından bu yana lazer ile malzeme işleme önemli bir araştırma konusu ve belki de lazerin ilk endüstriyel uygulaması olmuştur. Bu nedenle de günümüzde lazerin en çok geliştiği ve uygulama alanı bulduğu sektör malzeme işlemedir. Bu alanda lazerler; kesme, güçlendirme, kaynatma, delme, markalama gibi farklı şekillerde uygulanmaktadır. Ancak endüstriyel bütün cihazlarda küçülmeye yönelik eğilimin artması ve bu cihazların daha küçük bileşenlere ihtiyaç duyması daha hassas işleme yeteneğini gerekli kılmıştır. Yaygın olarak kullanılan lazerlerle yapılan işlemlerde hassasiyet özellikle metal malzemelerde termal ve mekanik hasar mekanizmalarıyla (erime, çatlakların oluşumu, malzeme morfolojisinin değişimi, vs. ) sınırlanmaktadır. Bu sınırların aşılması ve lazer ile işleme sırasında işlenen yerin çevresine verilen zararın en düşük seviyede tutulması femtosaniye ve pikosaniye sistemlerle mümkün olmaktadır. Bu nedenle çok hassas işleme gerektiren, örneğin patlayıcı malzemelerin işlenmesi, stentlerin üretilmesi, göz ameliyatları yapılması, güneş hücrelerinin üretimi gibi hassasiyet gerektiren uygulamalarda ultrahızlı lazerler kullanım alanı bulmaktadır.

Ultrahızlı lazerlerin malzeme işlemedeki hassasiyeti daha uzun atımlı lazerlere ve sürekli dalga lazerlere göre işleme mekanizmasının farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Uzun atımlı lazerlerde (mikrosaniye, nanosaniye) temel işleme mekanizması emilim yoluyla sıcaklığın artırılarak malzemenin eritilmesi yoluyla ortamdan uzaklaştırılmasına dayanır. Buradaki sorun eriyen ve ortamdan uzaklaşmayan malzemenin sıvı fazdan katı faza tekrar geçtiğinde ortamda oluşturduğu şekillerin, kontrol edilememesi sebebiyle, işlenen alan etrafında istenmeyen yapılar oluşturmasıdır. Ultrahızlı atımlarla malzeme işlerken ise atımların süresi enerjinin sıcaklık olarak malzeme içinde transfer edilmesi için gerekli süreden daha kısa olduğu için malzeme ısınmaya fırsat kalmadan büyük bir enerji odaklanılan alanda birikmiş olacak ve bu da doğrudan malzemenin bağlarının kırılmasına ve bir nevi erime fazı gerçekleşmeden buharlaşmasına sebep olacaktır. Bu durum da, çok daha temiz ve ortamda kalıntılar olmayan bir malzeme işlemeyi sağlar. Hatta çoklu foton etkisi denilen ve ancak çok yüksek tepe güçlerde ortaya çıkan bir mekanizmayla normalde işleme dalga boyunda geçirgen olan malzemelerin bile işlenmesi femtosaniye atımlarla mümkündür. Bu sayede cam, polimerler, biyolojik hücreler odağın dışına hiç zarar vermeden üç boyutlu olarak işlenebilmektedir. Bu güç seviyelerini bu kadar kısa sürelerde günümüz teknolojisiyle ancak ultrahızlı lazerler sağlamaktadır.

 

lazer malzeme isleme

Şekil-3. Farklı süreli lazerlerin malzeme üzerindeki etkileri

Ultrahızlı atımları üretmek için katı, sıvı veya gazdan oluşmuş optik kazanç ortamları kullanılmaktadır. Ancak bu ortamlardan hepsi kimyasal kararlılık, uzun çalışma ömrü, mekanik dayanıklılık gibi ticari lazerlerde olması gereken özelliklere sahip değildir. Günümüzde femtosaniye ve pikosaniye atım üretmekte en çok kullanılan lazerler katı hal lazerler ve son zamanlarda da fiber lazerlerdir. Katıhal lazerler (örneğin Ti:yakut lazerler) geniş bant aralıkları sayesinde çok kısa atım sürelerine ulaşabilmekte, yüksek atım enerjilerinde atımlar oluşturabilmektedir. Ancak bu sistemlerim oldukça büyük ve pahalı olmasının yanı sıra mekanik bileşenlerin fazlalığı dolayısıyla da kararlılığı düşüktür ve çevresel etkiler sebebiyle çalışması sekteye uğrayabilmektedir. Fiber lazerler ise son senelerde en revaçta olan sistemlerdir. Lazer ışını tamamen fiberin içinde ilerlediği için mekanik bileşen sayısı azdır ve bu da sisteme hem kararlılık hem de esneklik kazandırır. Bu da daha küçük ve uzun süre sorunsuz çalışan sistemlerin yapılmasını mümkün kılar. Son senelerde fiber teknolojisinde yaşanan gelişmelerle birkaç sene önce yalnızca katıhal lazerlerle ulaşılabilen atım başına enerji düzeyleri (atım başına miliJul) ve atım süreleri (30 femtosaniye) fiber lazerlerle de gerçekleştirilmiştir ve bu da fiber lazerlerin endüstride ve araştırmada kullanılan katıhal lazerlerin yavaş yavaş yerini almasını sağlamaktadır.

 

Şekil-4. Katıhal Ti:Yakut lazer ve fiber lazer

Şekil-4. Katıhal Ti:Yakut lazer ve fiber lazer

FiberLAST, yurtdışına da ithal edilen ve seri olarak ürettiği NanoMARK serisi nanosaniye atımlı fiber lazerler ve lazer markalama sistemleri  yanında, üniversitelerle işbirlikleri sayesinde ultrahızlı fiber lazer teknolojisindeki teknolojik gelişmeleri de yakından takip etmektedir. Nanosaniye atımlı fiber lazerlerden de elde edilen tecrübe ve bilgi birikimi sayesinde, bugün, müşterilerin istediği uygulamalara özel ve istenilen parametrelerde ultrahızlı lazerler geliştirerek spektroskopi, THz dalga üretimi ve görüntüleme, transparan malzeme işleme gibi birçok uygulama için gerek yurtiçi, gerekse yurtdışında kullanıma sunmaktadır.