Silindirik odaklı lazer hüzmeleri ile yüzey temizleme ve cam işleme çalışmaları
Surface cleaning and glass processing studies with cylindrical focused laser beam
Yazar: TUĞBA TUNAY
Danışman: DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan optik = Nonlinear optics

Özet:
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.

Abstract:
Today, optics and photonics constitute the principle structure of technology. Rapid and great growths in optical industry has led to the extensive use of lasers. In this respect, femtosecond (fs) lasers have been gaining importance in laser technology since many scientific and technological applications requires a laser system running at a particular wavelength and producing short pulses. Precision metrological applications, measurement of photochemical processes, biological display, nonlinear optics, cleaning processes and micromachining are between the uses of fs lasers. In particular, surface cleaning and glass processing studies with fs laser beams have high potential to develop in optical issues.
Femtosecond lasers have ultrashort laser pulses which reduces used laser energy, thus, thermal and mechanical damages in peripheral structures are minimized.  Another advantage of the ultrafast laser beams is that it can be used on various types of materials from transparent substances to reflective ones. Besides, when the infrared beams are focused into a line by a cylindrical lens, it is possible to write many points at a time. Therefore, in this study cylindrical focused fs laser beams will be used in order to ablate contamination on historical papers precisely and to write Bragg gratings in the pure glass.
The main concern of conservation of the historical arts is the cleaning process. The written sources that have historical, artistic and religious significance shows the way to the unknown past. Paper is the basic material of the written sources. In order to save the breakable organic materials like the old paper arts without changing the colour and the mechanical stability, the contamination should be cleaned efficiently. Ultrafast lasers have been quite attractive for cleaning historical arts since it is contactless and clean process. In this process, there is no need to use any solvent and chemical, it can work with micro sensitivity and it is possible to observe the cleaning process simultaneously. Controlling the parameters like the wavelength and the power of the laser light as well as the spatial beam profile determines the efficiency of the conservation.
In the first part of the study, both historical and artificial paper samples were cleaned by using femtosecond pulsed laser. The laser source was Yb: Glass femtosecond laser at central wavelength of 1030 nm. The samples were placed on the micrometer-precision stage which can move in three dimensions. Gaussian laser beams were focused on the surface of sample by using cylindrical lens. For effective cleaning without changing the original colour of sample and damaging the surface, optimum parameters were determined by changing the laser power, speed of stage, step distance of stage and focal length of the cylindrical lens.
In recent years, the fabrication of optical waveguides as well as buried reflective gratings in transparent materials and generating three dimensional photonic devices are required for many applications in optics, also. By writing fiber Bragg gratings in the glass core of the fiber with firmly focused laser beams, new optical devices can be generated successfully.
Many investigations of generating Bragg Gratings in glasses by UV beams have been handled before. However, laser damage by fs laser beams has received little attention because of its low photon energy. The development of high energy density ultrashort pulse lasers, however, has encouraged the researches of the potential for inducing multiphoton reactions and optical devices in glass. In the second part of the study, the technique of Bragg grating inscription in glass and optical fibers with ultrafast infrared radiation and cylindrical lenses has proven to be as simple as the traditional UV laser grating writing techniques.
The physics behind the FBGs mechanism is that if a glass sample were heated by intense laser beams, the absorption coefficient would increase due to multiphoton interactions and ionization. Therefore optical properties such as refractive index of the glass structure will change. The laser-induced refractive-index change is the base for FBG fabrication since most of the optical fibers have glass cores. Fabricated transparent damage lines inside the glass fiber core will reflect a specific wavelength: Bragg wavelength. In addition, the period of the grating structures will shift when any change occurs in the temperature or the strain. By this way, Bragg gratings inscribed in the glass fibers can be used to measure optical properties and constants by analysing the Bragg wavelength. Therefore, FBGs' optical, thermal and mechanical properties makes them effective for sensing, storing and nonlinear applications.
At present, the UV technologies have been well established to fabricate refractive ındex modulations in samples, however, their application is restricted to the photosensitivity of glass. In order to increase the UV photosensitivity of the sample extra processes like germania dopant or hydrogen photosensitization may be required. Another point is that in thermal applications high temperatures may cause any erasure in the UV-induced refractive index modulation.
However, in recent years, a technique based on ultrafast infrared laser pulses has been demonstrated. The fs inscription method for FBGs goes beyond the limitation of the UV photosensitivity.  The interaction between ultrashort pulses and transparent materials results in a refractive index change without the need of any impurities in the optical host.  When femtosecond laser pulses are tightly focused into a bulk transparent material, nonlinear absorption in the focal volume will take place, leading to optical breakdown and microplasma formation. This infrared radiation induced visible, transparent structures are also stable at high temperatures.  Thus, it can be said that fs Bragg grating inscription methods in optical fibers are more versatile than excimer laser ones.
This new situation has made it necessary to deeply investigate and properly characterize the devices made using the infrared laser beam fabrication technology.  With the goal of being able to create optical devices for both optical and photonic innovations it is appropriate to explore the effects of femtosecond laser radiation in the glass and fiber optics. Consequently, a 1030 nm Yb: Glass laser that emits 550-fs, 1-kHz pulses and delivers an average power of 75 mW was used for the glass processing study. The beam was focused through 25mm and 75 mm cylindrical lenses and injected into 1 mm thickness glass and 60μm diameter fiber core.  The average energy of the laser beam at the sample location was 75 μJ. With the help of a micro precision XYZ stage, the samples were moved in three dimensions. The exposure time was controlled with a PC connected shutter and it was 100 ms for every gratings. By focusing the laser beam through cylindrical lenses, we successfully wrote transparent and periodic Bragg gratings inside glasses and optical fiber cores. In order to characterize the structures on the glass Mach Zehnder interferometer was used. And Ava Spec 3648 fiber optic spectrometer was set up for the characterization measurements of fiber Bragg gratings. Spectrometric analysis results of the structures both in the glass and the fiber core were compared with the theoretical expectations. 
Our research has demonstrated that surface cleaning of historical papers by astigmatic focused femtosecond laser beams gives good results. Furthermore, writing stable Bragg gratings by creating interference in the fiber core with ultrashort pulses can be applied easily compared with the standard UV laser.