Plazmonik ve opto-akışkan platformların teorik, hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle incelenmesi

Son yıllarda optik ve fotonik alanlarındaki teorik ve teknolojik gelişmeler yeni dalların ortaya çıkmasına zemin hazırlamıştır. Bu gelişmeler farklı disiplinlerin bir araya gelmesini ve disiplinler arası çalışmaların yapılmasını sağlamıştır. Bu alanlardan bir tanesi plazmonik bir diğeri ise opto-akışkan sistemlerdir. Plazmonik metallerle elektromanyetik dalgaların etkileşimini inceleyen bilim dalıdır. Metallerin serbest elektron salınımlarının kuantası ise plazmon olarak isimlendirilir. Plazmonlar elektromanyetik dalgalar tarafından uyarılarak rezonans durumu sağlanır. Bu duruma yüzey plazmon rezonansı denir. Yüzey plazmonlarının doğrudan ışıkla uyarılması mümkün olmadığı için rezonansın sağlanması için bazı koşullar gerekmektedir. Bu koşulların elde edilmesi için bir takım metotlar geliştirilmiştir. Geliştirilen metotlardan en yaygın olarak kullanılanları Kretchman konfigürasyonu ve ızgara yöntemidir. Kretchman kofigürasyonunda bir ışık kaynağı metalle rezonans açısı yapacak şekilde bir prizma içerisinden gönderilir. Metal-cam ara yüzünde meydana gelen sönümlenen dalgaların metal-hava ara yüzündeki plazmonları uyarması sağlanır. Bu rezonans açısı yansıyan ışığın şiddetinin belli bir açıda dip yapması ile belirlenmektedir. Bir diğer metot ise ızgara yöntemidir. Bu metotta ise bir dielektrik üzerinde kesikli metal yapılar oluşturulması ve bu şekilde hazırlanmış bir yapıdan elektromanyetik dalga gönderilmesiyle yüzey plazmonlarının uyarımı sağlanır. Yaptığımız çalışmalarda ızgara yöntemi üzerinde durulmuştur. Mevcut çalışmalardan farklı olarak plazmonik yapıları üretmek için femtosaniye lazer hüzmeleri kullanılmıştır. Öncelikle ince altın film kaplı bir cam üzerinde femtosaniye lazer ile altın nano çubuklar oluşturacak şekilde ablasyon sağlanmıştır. Plazmonik yapıların genel üretim yöntemi olan litografiyle karşılaştırıldığında, doğrudan femtosaniye lazer ablasyonu çok daha kolay ve hızlı bir yöntemdir. Elde edilen sistem karakterize edilerek plazmonik özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Bununla beraber elde edilen yapılar zaman bölgesinde sonlu farklar metodu (FDTD)'nu kullanan LumericalTM şirketi tarafından piyasaya sürülmüş FDTD Solutions modülü ile modellenerek elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. FDTD metot ile incelenen sistem Yee hücreleri adı verilen küçük kutulara bölünür ve bölünen kutucuklarda her bir zaman adımı için Maxwell denklemleri çözülerek sistem hakkında bilgielde edilir.Simülasyon sonucunda elde ettiğimiz veriler ile deneysel sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür. Optik ve mikro-akışkan disiplinlerinin bir araya gelmesi ile ortaya çıkmış bir diğer nano fotonik dalı olan opto-akışkan platformlar gelişmekte olan bir alandır. Opto-akışkan sistemlerin en yaygın kullanım alanlarından bir tanesi opto-akışkan dalga kılavuzlarıdır. Dalga kılavuzu özelliği gösteren opto-akışkan sistemlerde tam yansıma koşulunun sağlanabilmesinde kullanılan materyallerin kırıcılık indisleri etkin rol oynamaktadır. Son zamanlarda aerojeller düşük kırma indisleriyle bu tip sistemlerde kullanılmaktadır. Ancak bu malzemeleri mekanik yöntemlerle işlemek, delmek veya şekillendirmek kırılgan yapıları nedeniyle çok zordur. Bu zorluklar aerojellerin hassas ve hasarsız bir şekilde işlenebilmesi için alternatif yontemlerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur.Yaptığımız çalışmalarda hidrofobik silika aerojel kitlesi içerisinde üç boyutlu doğrusal mikrokanalları femtosaniye lazer ile oluşturulması amaçlanmıştır. Femtosaniye lazerler etki sürelerinin çok kısa olması sebebi ile aerojel üzerinde bu kanalların hassas bir şekilde oluşturulabilmesine olanak sağlar. Çalışmalarımızda, femtosaniye lazer hüzmesini Galvo aynalar ile yönlendirilerek, tarama merceğiyle odaklanmış ve kitlenin hedeflenen bölgesinde ablasyon sağlanmıştır. Bu yöntemle aerojel içerisinde üç boyutlu doğrusal kanal malzemeye zarar vermeden oluşturulmuştur. Femtosaniye lazer ile aerojel içerisinde elde edilen üç boyutlu doğrusal mikrokanala, dalga kılavuzu özelliklerini incelemek amacı ile etilen glikol sıvısı doldurulmuş ve fiber ile 632nm dalgaboyuna sahip bir diyot lazeri eşlenmiştir. Fiberin kanal içindeki konumu değiştirerek kanal çıkışındaki şiddet dağılımı CCD kamera ile görüntülenmiştir. Yaptığımız ölçümler sonucunda ilerleme kaybı 9.9 dB/cm olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç aerojel içerisinde açılan kanalların opto-akışkan dalgakılavuzu olarak kullanılmasına elverişli olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak bu çalışma, hidrofobik silika aerojellerin femtosaniye lazer ile mekanik yöntemlerden daha yüksek duyarlılıkla işlenebildiğini ve elde edilen kanalların opto-akışkan dalga kılavauzu olarak kullanılabildiğini gösterir.