Nanosaniye ve femtosaniye lazerlerin tarihi kağıtlar üzerindeki temizleme performanslarının karşılaştırılması

Gelişen bilim ve teknoloji ile lazerler yeni özellikler kazanırken kullanım alanları da artmıştır. Optik teknolojisindeki bu hızlı ve büyük gelişmeler, lazerlerin disiplinler arası kullanımını da yaygınlaştırmıştır. Lazer teknolojisinde oldukça önemli bir gelişme olan ultra hızlı ve hızlı lazerler belirli bir dalga boyunda çalışabilme ve kısa süreli darbeler üretip termal etkileri azaltma konusunda çok başarılı olduğu için doğrusal olmayan optik, biyomedikal görüntüleme, yüzey işleme gibi farklı sektörlerde tercih edilmektedirler. Sahip olduğu özellikler dolayısıyla bu tür lazerlerin kullanımının tercih edildiği bir alan da konservasyon alanıdır. Darbeli lazerler adından da anlaşılacağı üzere sürekli lazerlerin çalışma modunun aksine ışını belirli sürelerde, atımlar şeklinde üretirler. Darbeli lazerler sürekli lazerlerden farklı olarak pik gücü, darbe süresi (darbe genişliği) ve darbe tekrarlama frekansı gibi temel karakteristik özelliklere sahiptirler. Bu lazerler endüstride kesme, delme, işaretleme ve yüzey iyileştirme gibi geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Isı transferini minimize eden çalışma prensipleri ile işlem yapılan materyale telafisi olmayan zararlar vermedikleri için tercih edilirlikleri çoktur. Nanosaniye lazerler nanosaniye mertebesinde (1 ns = 10⁻9 s) atım yapan lazerlerdir. Ns lazerler q - anahtarlama denilen özel bir teknolojik metot ile çalışırlar. Bu metot lazerin resonatörünün içerisine kazancı azaltan bir cihaz yerleştirilerek oluşturulur. Kovuk içerisinde kazancı zayıflatan cihaz q faktörünü azaltmak için çalışır. Yüksek q faktör demek kovuğun içindeki her bir turda düşük rezonatör kayıpları demektir ve bu amaçla kullanılan, kazanç azaltan cihaza q anahtarlama adı verilir. Bu yöntemin kullanılarak atım üretilen lazerlere de q - anahtarlı nanosaniye lazerler denilir. Q - anahtarlama ile darbeli lazer üretimi için çeşitli yöntemler vardır. Başlıca üç yöntem saymak gerekirse: mekanik kapaklar, elektro - optik kapaklar ve pasif kapaklar. Femtosaniye lazerler femtosaniye mertebesinde (1 fs = 10⁻15 s) atım yapan lazerlerdir. Fs lazerlerin kovukları içerisinde frekansları farklı olan elektromanyetik dalga dağılımları bulunur. Bu dağılımların her birine mod adı verilir. Modları aynı faza sokmaya ya da eş zamanlı salınıma zorlayan özel bir teknik vardır ve bu teknik mod - kilitleme olarak adlandırılır. Bu teknik ile kovuğun içerisindeki her elektromanyetik modun fazı sabit tutulur. Femtosaniye ve nanosaniye lazerler yüzey ablasyonu işlemi için çok tercih edilen lazerlerdir. Bir materyali işlemek ve yüzeyine zarar vermeden işlemi sürdürmek oldukça zordur. Bu işte materyale fiziksel ve kimyasal yapısının bozulmayacağı seviyede termal geçiş göz ardı edilebilir fakat kabul edilebilir denilen seviyeyi tutturmak zahmetli ve ön çalışma gerektiren bir iştir. Yüzeyin fiziksel, kimyasal özellikleri ve yüzeyin bulunduğu ortam koşulları analiz edilip, alınan sonuçlara uygun bir darbeli lazer seçildiğinde ablasyon işleminden en uygun sonuçların elde edildiği gözlemlenmiştir. Darbeli lazerlerin yüksek enerji kapasiteleri ve çok kısa zaman aralıkları boyunca yüzeyle etkileşebilme özellikleri neden ablasyon işi için tercih edildiklerinin cevabıdır. Lazer kovuklarında genel olarak Hermite-Gauss veya Laguerre-Gauss modlarında hüzmeler üretilirler. Her iki durumun da temel modu TEM₀₀ olarak adlandırılır ve uygulamalarda en çok bu mod kullanılır. Bir elektromanyetik dalganın enine elektrik alan ve şiddet dağılımları Gauss fonksiyonu formuna sahipse bu elektromanyetik dalga Gauss hüzmesi olarak adlandırılır. Paraksiyal yaklaşımla elde edilen Helmholtz denkleminin çözümü Gauss hüzmelerini verir. Elektrik ve manyetik alan şiddetlerinin birinci dereceden daha yüksek kuvvetlerinin etkin rol oynadığı bölge doğrusal olmayan optik bölgesi olarak adlandırılır. Doğrusal olmayan optiğin en temel olayı ikinci harmonik üretimidir. Doğrusal olmayan optik etkileşimler içerisinde ikinci harmonik üretiminin yanı sıra frekans ayrılması ve birleştirilmesi, faz eşlemesi gibi konular da önem taşırlar. Kağıt, resim, heykel gibi kültürel mirasların korunması nesilden nesile aktarılabilmesi için var olan konservasyon bilimi son zamanlarda bilim ve teknolojiden sıklıkla yararlanmaktadır. Bu alandaki araştırmacılar materyalin bozunma mekanizmasını, sebebini belirleme ve elde edilen bulgulara uygun yeni konservasyon uygulamaları geliştirme, uygulama konularına yoğunlaşmışlardır. Lazer teknolojisinin konservasyon işine girmesi de araştırmacıların yeni yöntemler arayışının bir sonucudur. Sorunun çözümüne uygun özelliklerde lazerler tercih edildiğinde kullanılan geleneksel yöntemlere göre daha verimli sonuçlar elde edildiği deneyimlenmiştir. Özellikle kırılgan yapıda olan kağıt eserlerin fiziksel ve kimyasal yapısının bozulmadan temizlenebilmesi için atımlı lazerlerin kullanımı son zamanların en popüler konularından biridir. Çalışmanın ilk kısmında deney sırasında kullanılacak kağıt örnekler hazırlanılmıştır. Burada amaç temizleme işlemi yapılacak örneğin temizlenebilmesi hedeflenen asıl esere olan benzerliğini kimyasal ve fiziksel olarak arttırmaktır. Arşivlerde bulunan Osmanlı eserlerinden ilham alınarak hazırlanan örneklerde üç farklı ahar türü kullanılmıştır. Mısır, buğday ve şaplı yumurta aharlarının en uygun ve yaygın olduğuna karar verilmiştir. Aharlanan her bir kağıda mühreleme işlemi de uygulanmıştır. Bunlara ek olarak hiç bir ahar türünün kullanılmadığı örnekler de bu çalışmada kullanılmıştır. Yapay olarak hazırlanması hedeflenen örnekleri kirletmek için iki farklı kir türü seçilmiştir. Bu türlerden biri grafit tozu diğeri de kütlece 1:1 oranında hazırlanmış grafit tozu - kaolin kili karışımıdır. Yüzeye uygulanan her katman kir için yüzey tekrar tekrar mührelenmiştir. Yüzey kirinin mührelenmediği bir örneğin hazırlanması da ihmal edilmemiştir. Aharları yapılan ve kirletilme işleri biten örnekler belirlenen ASTM D 4714 ve TAPPI 544 cm −08 standartlarınca eskitilmişlerdir. Hazırlanan örneklerin temizlenmesi için iki farklı deney düzeneği kullanılmıştır. Düzeklerin birinde 1030 nm dalga boyuna sahip Yb: Cam femtosaniye kullanılmıştır. Her iki düzenek için üç boyutta hareket edebilen konumlayıcı kullanılmıştır ve örnekler bu konumlayıcı üzerine yüzeylerine lazer hüzmesi düşebilecek şekilde yerleştirilmiştirler. Femtosaniye lazerin kullanıldığı deney düzeneğinde lazer ışını 25 mm odak uzaklığına sahip bir silindirik lens ile örneğin üzerine odaklanmıştır ve örnek bilgisayar kontrolü altında hareket ettirilerek yüzeyin taranması sağlanmıştır. Atım enerjsinin 100 μJ' den 200 μJ'e yirmişer yirmişer çıktığı düzenekte her bir enerji seviyesi için örnek üzerinde 15 × 15 mm²'lik alanlar taranmıştır. Diğer düzenekte ise 1064 nm dalga boyuna sahip q - anahtarlı Nd: YAG nanosaniye lazer tercih edilmiştir. Dört farklı harmoniğe sahip bu nanosaniye lazer için düzenekte iki farklı lens kullanılmıştır. Temel ve ikinci harmonik için odak uzaklığı 100 cm olan ıraksak lens tercih edilirken, üçüncü ve dördüncü harmonik için odak uzaklığı 20 cm yakınsak lens tercih edilmiştir. Dört farklı harmonik için dört farklı fluens kaydedilen düzenekte her bir fluens yüzeyin üzerine 1 atım ve 10 atım olarak uygulanmıştır. Kağıt örneklerin yüzeylerine sürülen aharın yüzeyde yaklaşık olarak nasıl bir kalınlaşma meydana getirdiği bilgisine ulaşabilmek için ayrı örnekler hazırlanmıştır. Aharlanan, kirletilip eskitilen sonrasında da temizlenen örneklerle aynı tür kağıt kullanılmıştır. Aharın bu anlamdaki etkisi araştırılmadan önce yüzeyin kendisinin sahip olduğu pürüzlülüğe de bakılmıştır. Bu pürüzlülüğe bakmadan önce yüzeyin olması gerekenden biraz daha pürüzsüz olabilmesi için mühreleme işlemi uygulanmıştır. Burada amaç yüzey mührelense bile mutlaka bir pürüzlülüğe sahip olduğunu göstermektir. Aharlanmadan sadece mührelenen örneğin profilometresine bakıldığında iki referans noktası arasında ∼6μm gibi bir fark okunmuştur. Aharın oluşturduğu kalınlığa bakabilmek içinse kağıdın bir kısmına ahar uygulanırken diğer kısmı temiz bırakılmıştır. Temiz bölge ve aharlı bölgenin birbirinden ayrıldığı ince çizginin gözlemlenebilirliğinin kolay olması umularak profilometre (Veeco DEKTAK 150 Profilometre) ile ölçümler alınmıştır. Elde edilen verilerin grafiğe dökülmesi ile birlikte birbirinden ayrılan iki bölgenin hemen üzerinde olması gerekenden fazla bir pürüzlülük gözlenmiştir. Bunun sebebi fırça ile sürülen aharın tam olarak o bölgede birikmesidir. Bu birikim göz ardı edildiğinde ahar sürülen bölge ile temiz bölge arasında ∼14μm yükseklik farkı gözlemlenmektedir. Buradan çıkarılabilecek yorum sürülen aharın yüzeyde ∼14μm bir kalınlaşma yarattığıdır. μm seviyesindeki bu kalınlaşma lazerin temizleme performansını mutlaka etkileyecektir. Yüzeye sürülen her bir ahar türünün örnek üzerine düşürülen ışının ne kadarını geçirdiğini ya da ne kadarını soğurduğunu saptayabilmek amacı ile morötesi spektrometre (Agilent 8453) ile ölçümler yapılmıştır. Işın geçirgenliği az olan aharın kağıdın lif yapısını daha iyi koruyacağı en iyi bilinen sonuçlardan biridir. Yapılan ölçümlerin grafiklerine bakıldığında mısır aharının geçirgenliğinin diğer ahar türlerine göre daha az olduğu gözlemlenmektedir. Buğday aharının geçirgenliği mısır aharından daha yüksekken, en yüksek geçirgenlik seviyesine şaplı yumurta aharının sahip olduğu görülmektedir. Renk ölçümleri de elde edilen bu sonuçları destekler niteliktedir. Renk ölçümlerinde de mısır aharının kullanıldığı örneklerde en uygun temizlik yapıldığı sonucu elde edilmektedir. Yapılan temizlik işleminden sonra temizlenen her bölgeye spektrofotometre ile renk ölçme işlemi uygulanmıştır ve CIE L∗a∗b∗ renk sisteminden faydalanılmıştır. Bu uygulama her bir temiz hücrenin L∗, a∗ ve b∗ değerlerini ölçüp kaydetmek için kullanılmıştır. Önceden belirlenen referanslar ile karşılaştırabilinmesi için uygun bir matlab kodu yazılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Femtosaniye ve nanosaniye lazerler ile farklı fluensler kullanılarak temizlenen bölümleri 20x büyütme altında mikroskop görüntüleri (Nikon, Eclipse, LV150L) alınmıştır. Bu işlem her bir örnek için yapılmıştır. Burada amaç kağıt örneklerin lif yapılarına bakarak ne kadar temizlendikleri hakkında bilgi sahibi olabilmektir. Femtosaniye lazer için fluens azaltıldıkça temizleme kapasitesinin de azaldığı rahatlıkla gözlenmektedir. Nanosaniye lazerin temel ve ikinci harmonikleri için de sonuç aynıdır. Fluensin yüksek olduğu yerlerde kirin temizlenme oranının daha yüksek olduğu gözlenmektedir. Üçüncü ve dördüncü harmonikler için de sonuçlar değişmiyormuş gibi gözükse de bu harmoniklerin enerjilerinin örneklerin lif yapılarına zarar verebilecek seviyede olmasından kaynaklanan sonuçlar elde edilmiştir. Fiber bağlarının kopması ile yüzeyde gözle görülebilir seviyede pamuklanmalar oluşmuştur.Bu durumdan ötürü üçüncü ve dördüncü harmonikler deney esnasında kullanılan kağıt örneklerin kimyasal yapılarına uygun değildir. Nanosaniye lazer ile temizlenen örnekler için değerlendirilmesi gereken bir diğer durum da deney esnasında kullanılan atım sayılarıdır. Her bir fluensin 10 atım şeklinde uygulanması ile elde edilen veriler 1 atım olarak uygulandığı zaman elde edilen verilere göre örneklerin daha iyi temizlendiğini göstermektedir. Bu çalışmalar ile elde edilen verilere bakıldığında femtosaniye ve nanosaniye lazerlerin kağıt temizliği için uygun olduğu sonucuna varılmaktadır. Deneylerde kullanılan, termal etkiyi minimize etme özellikli lazerler, üzerinde kullanılacak kağıdın bir çok özelliği göz önünde bulundurularak dikkatlice seçilmelidir. Elde edilen verilere göre kağıdın ahar türü, kirin türü ve kirin mühreli olup olmayışı temizlik işini ciddi anlamda değişikliğe uğratabilen parametrelerdir. Bu parametreler göz önünde bulundurularak seçilecek uygun lazer ile yapılacak temizlik işlemleri kağıt eserlerin bir çok nesile daha tahrip edilmeden ulaşmasını sağlacaktır.