LAZERLER

Lazer Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi 2006

SUNU PLANI

• Lazer Nedir?

• Lazerin Tarihçesi • Lazerlerin Kullanım Alanları • Lazer Çeşitleri • LATARUM’da kullanılan ve kullanılması tasarlanan lazerler

LAZER NEDİR?

Light Amplification Stimulated Emission Radiation

LASER

Uyarılmış Işıma ile Kuvvetlendirilmiş Işık

Albert Einstein (1916)

LAZER NEDİR?

Basitleştirişmiş tipik bir lazer şeması

LAZER NEDİR?

Basitleştirişmiş tipik bir lazer şeması

LAZERİN TARİHÇESİ

1916 ALBERT EINSTEIN – Uyarılmış ışıma kavramı.

Işığın yayılma teorisi. 1928 RUDOLPH W LANDENBURG – varlığının kanıtlanması ve negatif soğurma.

Uyarılmış ışımanın 1940 VALENTIN A FABRIKANT – tersiniminin olma olasılığı. Sayı yoğunluğu 1947 WILLIS E LAMB R C RETHERFORD – Uyarılmış ışımanın ilk gösterimi.

1951 CHARLES H TOWNES, ARTHUR SCHAWLOW, ALEXANDER PROKHOROV, NIKOLAI G BASOV, JOSEPH WEBER – İlk MAZER yapıldı.

LAZERİN TARİHÇESİ

1960 THEODORE MAIMAN – Yakut (ruby) kristali ile yapılan ilk çalışan LAZER’in keşfi. 16 Mayıs 1960, Hughes Araştırma Laboratuarları.

LAZERİN TARİHÇESİ

1960 PETER P SOROKIN, MIREK STEVENSON – İlk Uranyum LAZER - Yapılan lazerlerin ikincisi, IBM Lab.

LAZERİN TARİHÇESİ

1961 ALI JAVAN, WILLIAM BENNET JR. , DONALD

HERRIOT - Bell Laboratuarlarında HeNe LAZER’in keşfi. 1962 ROBERT HALL General Elektrik Laboratuarlarında yarı-iletken LAZER’in keşfi.

LAZERİN TARİHÇESİ

1964 J. E. GEUSIC, H. M. MARKOS, L G VAN UITEIT-

Bell Laboratuarları ilk çalışan Nd:YAG LAZER

LAZERİN TARİHÇESİ

1964 KUMAR N PATEL - Bell Laboratuarlarında CO 2 LAZER’in keşfi. 1964 WILLIAM BRIDGES - Hughes Laboratuarlarında Argon İyon LAZER’in keşfi.

1965 G PIMENTEL&J V V KASPER –

Kaliforniya Berkley ilk kimyasal LAZER

1966 W SILFVAST &G FOWLES AND HOPKINS -

üniversitesinde ilk metal buhar LAZER - Zn/Cd Utah

1966 PETER SOROKIN, JOHN LANKARD

Laboratuarlarında ilk boya lazer.

IBM

LAZERİN TARİHÇESİ

1969 G M DELCO -

Otomobil uygulamaları için üçlü lazerlerin ilk endüstriyel donanım 1970 NIKOLAI BASOV GRUBU - Moskova Lebedev Laboratuarlarında Xenon (Xe) ile yapılan ilk Excimer LAZER 1974 J J EWING &C BRAU - Avco Everet Laboratuarlı ilk nadir gaz halojenür excimer. 1977 JOHN M J MADEY GRUBU - Stanford Üniversitesinde ilk serbest elektron lazeri.

1980 G PERT GRUBU - İngiltere Hull Üniversitesinde X ışını lazer etkisinin ilk raporu.

LAZERİN TARİHÇESİ

1981 A SCHAWLOW & N BLOEMBERGEN - Lineer olmayan optik ve spektroskopide Nobel fizik ödülü.

1984 D MATTHEW GRUBU - Lawrance Livermore Laboratuarlarında ilk X-ışını lazer gözlendi.

Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan X-ışını X-ışını lazerin bir plazma ile etkileşimi X-ışını lazerler litografide ve Hohlaryum plazmaların incelenmesinde kullanılır

LAZER ÇEŞİTLERİ

Gaz Lazerleri

•Atom Lazerleri Helyum-Neon Lazeri •Molekül Lazerleri

CO 2 Lazeri

Nitrojen Lazeri Uzak kızıl-altı Lazeri Excimer Lazeri •İyon Lazerleri Argon İyon Lazeri Kripton İyon Lazeri •Metal Buharı Lazerleri Bakır Buharı Lazeri Altın Buharı Lazeri

Sıvı Lazerleri

•Boya Lazerleri

Katı-hal Lazerleri

Yakut Lazeri

Nd-YAG Lazer Ti-Safir Lazeri Diğer Lazerler

•X-Işını Lazerler •Serbest Elektron Lazerleri •Fiber Lazerler

Yarı-İletken Lazerler Diyot Lazeri

LAZERLERİN KULLANIM ALANLARI

• Tıpta • Endüstride • Savunma Sanayisinde • Telekomünikasyonda • Mikro Biyolojide • Uzay Teknolojilerinde • Oyuncak ve Eğlence Sektöründe

Nd-YAG Lazerler

Nd:YAG lazer: Neodyum katkılı Yitriyum-Aluminyum-Garnet ortama sahip bir katı hal lazeridir.

Flaş lambası veya diyotlar ile uyarılır. Lazer ışığının dalga boyu 1.06μm (kızılaltı bölge) ve oluşan demet optik fiber kullanılarak istenilen noktaya taşınır.

•Dc ark lambaları ile uyarılan Nd-YAG lazerler, 5kW’a kadar güce sahip sürekli dalga boylu lazer ışığı üretebilir.

•Flaş lambaları ile uyarılan atımlı Nd-YAG lazerleri, ortalama gücü yaklaşık 600 W olan ve atım süresi 1ms ile 50 ms arasında değişen lazer atımları üretebilir.

Xenon veya Kripton lamba ile pompalanan lazer

Yansıtıcı oyuk Beslemeli ayna (Yansıtıcı) Ön ayna (Kısmi yansıtıcı) Nd:YAG çubuk Lazer çıkışı Lamba

Nd-YAG Lazerler

•Metal yüzeyler tarafından soğurulması CO 2 lazerden daha iyi olduğu için Nd:YAG lazerlerin kullanılması daha uygundur.

•Nd:YAG lazerin ışıması optik fiber yoluyla çalışılacak parça üzerine taşınabilir. Bu kullanmayı kolaylaştırır ve demet anahtarlaması, bölüştürülmesi ve şekillendirilmesi için olasılıkları oluşturur.

Kaynak

•Sanayide metalleri özellikle de yansıtıcı metalleri kesme, delme işlemlerinde tercih edilir. Seramik gibi metal olmayan materyalleri işlemede de kullanılır.

•Nd:YAG lazerler küçük parçaların veya ince malzemelerin kaynak işlemlerinde kullanım avantajına sahiptir.

Kesme Delme

CO

2

Lazerler

CO2 lazeri, kızıl-altı bölgede, aktif ortamı karbon dioksit olan lazerlerdir. Dalga boyu 10.6 micron olan CO2 lazeri 40 kW’a kadar güce sahip olabilir. Rezonatör içinde yüksek gerilim ile uyarılan gaz sonucu oluşan demet, bir noktaya aynalar veya mercekler ile taşınır. İşlemedeki başarı gazın saflığına bağlıdır.

Endüstride özellikle 2-12 kW’a kadar güç gerektiren uygulamalarda lazeri kullanılır. CO2 birçok metal, plastik, ağaç, kuvars, seramik ve cam işlemede tercih edilmektedir Eksenel gaz akışlı lazer Aynalar Lazer demeti Lazer demet ekseni Lazer aktif ortamı Gaz akışı Elektriksel deşarj

Ti-Saphire Lazerler

Femtosaniye (10 -15 ) atım süresine sahip lazerlerdir • • Femtosaniye lazerlerin malzeme işlemede kullanılması ile üretimi yapılan Malzemelerin boyutları nanometre (nm) mertebelerine kadar indirilmiştir. Fotolitografi tekniği kullanılarak sadece düzlemsel yüzeyler işlenebilirken femtosaniye lazerler kullanılarak 100 nm mertebelerinde 3 boyutlu metal ve dielektrik malzemeler işlenebilmektedir 100 fs süreli bir atım insan saçının küçük bir bölümünü kat ederken, ışık bir saniyede dünyanın çevresini 7,5 kez dolaşır.

• Femtosaniye lazer atımları ile malzeme işlemenin temel avantajları: • İ ) Verim, hızlı ve yerel enerji aktarımı.

• İİ ) İyi tanımlanmış deformasyon ve aşındırma.

• İİİ ) Minimum ısısal ve mekanik zarar.

Ti-Saphire Lazerler ile üretilebilen fs lazerlerin kullanım alanları

Paslanmaz çelikte 10 µm çapında delikler. Plastik medikal alet üzerine açılmış delik (~80um) ve lazerle kaynak edilmiş ameliyat bileşeni Nöron büyümesi (730 nm) Hücre çekirdeği (850 nm) Büyüyen polen (930 nm)

X-ışını lazerler

X-ışını lazerler, lazerle oluşturulan yüksek yoğunluklu plazmalar kullanılarak üretilir.

Hedef Ekseni Döner ayna

Dalga boyları 35 Å ile 400 Å arasında değişim gösterir.

ÜRETİM ÇEŞİTLERİ 1. Tekrar-birleşme ile pompalanan 2. Çarpışma ile pompalanan

-Yarı kararlı durum

(QSS) pompalaması

-Çok kademeli atımlı

pompalama

-Geçici pompalama -Optik alan iyonlaşma

(OFI) pompalaması

-Kılcal tüpte deşarj Pinhole kamera OAS

HEDEF

CCD Kristal spektrometre OAP CCD Uzaysal çözücü eksenel spektrometre

X-ışını lazerlerin uygulama alanları

LİTOGRAFİ PLAZMA İNCELEME 0.25 μm yapılar 0.2 μm yapılar GÖRÜNTÜLEME MİKROSKOBUNDA X ray mikroskobu ile elde edilen kök sperm hücresi

Fiber Lazerler

•Fiber Lazerler, halen yoğun bir şekilde kullanılmakta olan CO 2 ve Nd-YAG malzeme işleme lazerlerine etkin bir alternatif oluşturmaktadır.

• Dalga boyu aralığı, güvenilirlik, yoğunluk, verim ve benzersiz performans parametreleri nedeniyle lazer teknolojilerinde geniş bir alanda uygulanabilir ve kullanılabilir olmaya adaydır.

•Yeni üretilen fiber lazerlerinin gücü 20W’a kadar ulaşmıştır.

•Lazer başlığının, deflector (saptırma) biriminin ve tedarik biriminin boyutlarının küçüklüğü, küçük makinelerin entegrasyonunu ve çizgilerin üretimini kolaylaştırır.

•Markalama kalitesi ve pek çok sayıdaki uygulama için daha kısa süre sağlayan, yüksek seviyede frekans kararlılığı ve mükemmel ışın kalitesine sahiptir. Tüm malzemelerim markalanmasında kullanılabilir.

•100.000 saat diyot ömrü •Az yer kaplar •Yüksek verim CO 2 - 10%, Nd-YAG - 2%, Fiber - 25% •Katı-hal lazer teknolojisi •Fiber optik dağıtıcı ile korunan yüksek kalitede ışın

Fiber Lazerler

Fiber Lazerlerin tercih edildiği malzeme işleme yöntemleri Kesme (Cutting) Yazı kazıma (Etching) Kaynak (Welding) Hibrit Kaynak (Hybrid welding)

Yarı-İletken Diyot Lazerler

•Yarı iletken lazerlerdir ve p-n ekleminden (p-n junction) elektrik akımı geçirilmesi ile elde edilen bir aktif ortama sahiptir.

•Yarı-iletken diyotlar önemli elektronik parçalardır. Yaklaşık 0.5 W gücündeki yarı iletken diyotlar, Telekomünikasyonda kolay monte edilebilir olması ve fiber optik iletişim ile kolaylıkla etkileşebilen ışık kaynakları olduğundan dolayı tercih edilirler.

•Rangefinder gibi ölçü aletelerinde, Barkot okuyucularda kullanılır. Görülebilir lazerler özellikle kırmızı ve yeşil lazer pointer olarak kullanılır.

• CD çalıcı, diyotlar kullanılır.

CD-ROMS ve DVD teknolojilerinde kızıl-altı ve kırmızı lazer •Mavi lazerler, HD-DVD ve Blu-Işın teknolojilerinde kullanılır. Yüksek güçlü lazer diyotlar (yaklaşık 100 W ile 2 kW arasında), ısıtma, kaplama, dikiş kaynak gibi endüstriyel uygulamalarda geniş olarak kullanılır.

• Yüksek hız ve düşük maliyet nedeniyle tercih edilirler.

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ LAZER TEKNOLOJİLERİ ARAŞTIRMA ve UYGULAMA MERKEZİ

Disiplinler Arası iş birliği Fizik Grubu

Latarum

Elektronik haberleşme Grubu Makina Grubu

LATARUM’da kullanılan ve kullanımı tasarlanan lazerler

• Nd-YAG lazer (ms) • Nd-YAG Lazer (ns) • X-Işını Lazer

LATARUM’da halen kullanılan

1.

lazer : JK760TR GSI LUMONICS Nd: YAG LAZER

Dalga Boyu: 1064 nm Ortalama Güç: 600 W Atım Enerjisi: 0.653 J – 100 J Atım Süresi: 0.5 ms – 20 ms Atım Tekrarlama Oranı: 5 Hz – 500 Hz Lazer Kafasının x-y-z Doğrultusunda Hareket Hızı : ≤50 mm/s

Lazer, fiber kablo aracılığıyla çalışılacak örnek üzerine taşınmaktadır.

JK760TR GSI LUMONICS Nd: YAG LAZER

KOÜ-LATARUM Nd: YAG Lazerle malzeme işleme

LATARUM’da halen kullanılan

2.

lazer : CONTINUUM SURELITE Nd: YAG LAZER

Dalga Boyu : 1064 nm Atım Enerjisi: 850 mJ Atım Süresi: 6 ns Atım Tekrarlama Oranı: 10 Hz

I. Harmonic :

Dalga boyu: 532 nm Atım Enerjisi: 425 mJ

II. Harmonic:

Dalga boyu: 355 nm Atım enerjisi: 225 mJ

SURELITE CONTINUUM Nd: YAG LAZER

Lazer ile hedef etkileşiminde ortamı incelemek üzere LATARUM’da üretilen aletler

Görünür bölge spektrometresi Pinhole kamera Kristal Spektrometre

Yararlanılan Kaynaklar

• W.T.Silfvast,Laser Fundamentals, Chambridge University Press, 1996.

• R. C. Elton, X-ray Lasers, 1990 • Laser Institute of America web page • www.metaldunyasi.com

• www.latarum.kou.edu.tr