Mikro ve nano yapılı süper çözünürlük kırınım optiklerinin tasarımı ve üretimi
Design and production of micro and nano structured super resolution diffractive optics
Yazar: KEMAL RÜZGAR
Danışman: DOÇ. DR. AKIN BACIOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Geleneksel optik bileşenlerin çözünürlük sınırının aşılması amacıyla süper çözünürlük optikleri geliştirilmiştir. Bir süper çözünürlük uygulaması olarak mikro kırınım optikleri, ışığın kırılması ilkesi ile çalışan geleneksel optik bileşenlerin çözünürlük sınırının aşılmasında önemli bir yere sahiptir. Foton elekleri, mikro kırınım ilkesiyle çalışan bir optik bileşen tasarımıdır. Bu tezde foton eleklerinin tasarlanması ve mikro fabrikasyon yöntemi olan fotolitografi tekniği ile üretilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda yapılan çalışmalar iki ana başlık altında toplanmaktadır.
Birinci aşamada, süper çözünürlük özelliği gösteren kırınım optiklerinin tasarlanması ve tasarım sonucunda elde edilecek odaklama özelliklerinin araştırılması amacıyla bir simülasyon kodu geliştirilmiştir. Bu kod yardımıyla foton eleklerinin optik performansını belirleyen şiddet dağılımı ve çözünürlük özellikleri üzerinde araştırmalar yapılmıştır. Kullanım alanlarına göre, üç farklı foton eleği modeli tasarlanmış ve özellikleri incelenmiştir. Çözünürlük ve şiddet modülasyonun uygulama alanına göre değiştirebilen model sonuçları, referans foton eleği modelleri ile karşılaştırılmıştır. Buna göre, en yüksek çözünürlüğe sahip modelde, çözünürlükte % 10,5'lik bir artışa karşılık şiddette kayda değer bir düşüş gözlenmemiştir. Elde edilen diğer bir önemli sonuç ise, geliştirilen Tüm Değişken Boyutlu Foton Eleği çözünürlüğün % 2,7 artışı yanında şiddet seviyesinin % 57 artmış olmasıdır. Hem değişen d/w oranı bölgeleri hem de sabit delik çaplarına sahip hibrit bir tasarım için yürütülen üçüncü model, Parçalı Değişken Boyutlu Foton Eleği, simülasyonlarında ise, çözünürlüğün referans foton eleğine göre % 3,6 arttığı belirlenmiştir.
Tez kapsamında yapılan çalışmaların ikinci aşamasında, bir mikro fabrikasyon tekniği olan fotolitografi yöntemi ile, özel olarak düşürme ve ıslak kimyasal aşındırma alt yöntemleri ile foton eleklerinin üretilmesi gerçekleştirilmiştir. Çapları yaklaşık 15 - 150 µm arasında değişen iğne delikleri kullanılarak tasarlanan foton elekleri üretilmiştir. Üretim sürecinde fotolitografi tekniğinin özel bir uygulama aracı olan maskesiz lazer yazıcı kullanılmıştır. Her iki alt üretim yöntemi de foton eleği üretimi için optimize edilmiş, elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Üretimde oluşan hata mekanizmaları analiz edilmiş ve giderilmiştir.

Abstract:
Super resolution optics have been developed for surpassing the resolution limit of conventional optical components. As an application of the super resolution, micro diffraction based optical devices have an important role to exceed the resolution limit of the conventional components. Photon sieves are a design of optical components based on the principle of micro-diffraction optics. In this thesis, the design and production of photon sieves are aimed by using photolithography as a micro-fabrication method. In this context, the study is grouped under two main headings. 
In the first step, a simulation code was developed to design the diffraction optics and to investigate the focusing properties upon the design. With the help of this code, the intensity distribution and the resolution properties which determine the optical performance of photon sieves have been investigated. According to their usage areas three different photon sieve models were designed and their properties were examined. The results of the models which can vary according to the application area of the resolution and intensity modulation are compared with the control models. Accordingly, in the highest resolution model, there was no significant decrease in the intensity despite a 10.5 % increase in the resolution. Another important result obtained is that the resolution in the other model increased by 2.7 % besides the increase in the intensity by 57 %. 
In the second stage of the thesis, photon sieves were produced by means of photolithography method which is a micro fabrication technique, especially with drop and wet chemical etching methods. Photon sieves are produced by using pinholes with the diameters ranging from 15 to 150 µm. During the production processes, the mask-less laser writer, a special application of the photolithography technique, was used. Both sub-production methods were optimized for the photon sieve production, and the results were discussed. The error mechanisms in the production are analyzed and eliminated.