Silindirik odaklı lazer hüzmeleri ile yüzey temizleme ve cam işleme çalışmaları

Günümüzde, optik ve fotonik teknolojinin temel yapısını teşkil etmektedir. Optik teknolojisindeki hızlı ve büyük gelişmeler, lazer kullanımının yaygınlaşmasına yol açmıştır. Özellikle, bilimsel ve teknolojik uygulamalarda, belirli bir dalga boyunda çalışan ve kısa süreli darbeler üreten kaynaklara duyulan yaygın ihtiyaç femtosaniye (fs) lazer uygulamalarının önemini arttırmaktadır. Fs lazer tekniği hassas metroloji uygulamaları, biyomedikal görüntüleme, doğrusal olmayan optik, yüzey temizleme ve mikroişleme çalışmaları gibi pek çok alanda kullanılmaktadır. Bilhassa, ultrahızlı lazerle yüzey temizleme ve cam işleme çalışmaları gelişim göstermek için yüksek potansiyele sahiptir. Femtosaniye lazerler ultra kısa atımlar yapar. Bu şekilde, her atımın kullandığı lazer enerjisi az olur ve çevresel dokularda ısısal ve mekanik hasarlar minimize edilmiş olur. Kısa darbeli lazerlerin bir diğer avantajı ise geçirgen yapılardan metal gibi yansıtıcı yüzeylere kadar pek çok malzeme üzerinde, foto duyarlılığa gereksinim olmadan kullanılabiliyor olmasıdır. Diğer yandan, bu yoğun, kızılötesi ışınlar silindirik bir mercek ile çizgisel odaklandığında bir seferde pek çok noktayı işlemek mümkün olur. Bu nedenle, bu çalışmada, fs lazer ışınlarını astigmatik odaklayarak tarihi kâğıtlar üzerindeki kirlerin hassas temizliği ve cam çekirdekli fiberlere Bragg ızgaralar yazımı üzerinde durulmuştur. Tarihi eserlerin korunması var olan hasarları ortadan kaldırmak ve gelecekte oluşabilecek hasarların önüne geçmek ilkesine dayanır. Bu bağlamda eser temizliği konservasyon sürecinin önemli bir konusudur. Özellikle eski kâğıt eserler çok hassas ve kırılgan yapıda olduğundan, kâğıda mekanik hasar vermeden, fiziksel ve kimyasal özelliklerini bozmadan dikkatle temizlemek gerekir. Lazer ile ablasyon onlarca yıldır tarihi eser temizliğinde kullanılmakta ve başarılı sonuçlar vermektedir. Bu yöntemin temassız ve kimyasalsız oluşu, hassas ve kırılgan yüzeyleri işlemede geleneksel yöntemlerin önüne geçmesi, yakın zamanda tarihi değeri olan kâğıtların korunumunda da kullanılmasını gündeme getirmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında, femtosaniye lazerlerin kâğıda fiziksel ve kimyasal zarar vermeden, yüzeydeki kirleri temizlemede etkin bir yöntem olarak kullanılabileceği gösterilmeye çalışılmıştır. Lazerle temizleme işlemi sonrasında kâğıdın rengi, kimyasal yapısı, selüloz liflerinin bütünlüğü ve mekanik gücü gibi özellikleri üzerinde meydana gelebilecek değişimler araştırılmıştır. Lazer kaynağı olarak 1030 nm dalga boylu Yb: Cam femtosaniye lazeri kullanılmış ve örnekler bilgisayarla hassas kontrolü sağlanarak üç boyutta hareket ettirilebilen motor üzerine yerleştirilmiştir. Gaussiyen lazer hüzmesinin örnek üzerine çizgisel odaklanabilmesi için silindirik mercek kullanılmıştır. Lazerin gücü, motorun hızı, motorun adım aralığı ve silindirik merceğin odak uzaklığı değiştirilerek örneğin orijinal yapısını bozmadan etkin bir temizlik yapabilmek için uygun parametreler belirlenmiştir. Son yıllarda, optik dalga kılavuzları, şeffaf malzemelere gömülü yansıtıcı ızgaralar ve üç boyutlu fotonik cihazların üretilmesi de birçok optik uygulama için gerekli hale gelmiştir. Sıkıca odaklanmış lazer ışınları ile fiberin cam çekirdeği içine Bragg ızgaraları yazarak bu yeni optik cihazlar başarıyla oluşturulabilir. Şu anda, ultraviyole (UV) ışın teknolojisi ile camda kırılma indisi değişimi oluşturulabilmektedir; ancak, UV uygulamaları camın fotoduyarlılığı ile sınırlıdır. Örneklerin UV ışığa duyarlılığını arttırmak için germanyum katkılama ya da hidrojenle fotosensitizasyon gibi ilave işlemler gerekli olabilir. Ayrıca, UV ışınla oluşturulmuş kırılma indisi modülasyonları çok yüksek sıcaklıklarda silinebilmektedirler. Bununla birlikte, son yıllarda yeni bir teknik orta atılmıştır: Ultra hızlı lazer darbeleriyle fiberde Bragg ızgara yazımının UV ışığın sınırlarının ötesine geçtiği görülmüştür. Bu sayede, herhangi bir yabancı madde kakılamaya gerek kalmadan, şeffaf malzeme içinde kırılma indisi değişikliği meydana getirilebilir. Çünkü, fs lazer hüzmeleri geçirgen bir malzemeye sıkı odaklandığında, doğrusal olmayan bir emilim gerçekleşir; optik kırılmalar ve mikro plazmalar oluşumuna sebep olur. Ayrıca, kısa darbeli lazerle oluşturulan ızgaralar yüksek sıcaklıklara dayanıklılık göstermektedir. Bu nedenlerle, kızılötesi ışınla Bragg ızgara yazım tekniğinin UV ışın tekniğinden daha kapsamlı olduğu görülmektedir. Cam işleme çalışmasında kullanılan Yb: Cam fs lazerinin tekrarlama frekansı 1kHz, darbe süresi 550 fs ve dalga boyu 1030 nm'dir. 75 mW ortalama güçte çalışılmıştır. Hüzmeler 25 mm ve 75 mm'lik silindirik lensler ile 1 mm kalınlığında camlara ve 60μm çaplı fiber çekirdeğine odaklanmıştır. Mikron hassasiyetinde hareket edebilen plakalar sayesinde örneklerin üç boyutlu hareketi sağlanmıştır. İşleme süresi bilgisayara bağlı bir perde ile kontrol edilmiş ve her ızgara için 100 ms olarak ayarlanmıştır. Cam örneklerin karakterizasyonu için Mach-Zehnder spektrometresi, fiberdeki yapıların karakterizasyonu için Ava Spec 3648 fiber optik spektrometre kullanılmıştır. Araştırmalarımız ortaya koymuştur ki, astigmatik odaklı femtosaniye lazer hüzmeleri ile aharlı ve aharsız kâğıt yüzeyi temizliği başarılı sonuçlar vermektedir. Ayrıca, IR ışın yayan fs lazerler ile fiber çekirdeğinde girişim oluşturarak Bragg ızgaralar yazmanın, standart UV lazeri ile FBG yazımı teknikleri kadar kolay uygulanabildiği gösterilmiştir.