Şekillendirilmiş lazer hüzmelerinin yüksek saçılmalı ortamla etkileşimleri
Interactions of shaped laser beams with highly scattering media
Yazar: TANSU ERSOY
Danışman: DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Işık bir ortamda ilerlediği zaman, ortamın ve ışığın özelliklerine göre farklı etkiler ortaya çıkabilir. Bu etkilerden biri ışığın saçılmasıdır ve bazı uygulamalar için kritik rol oynayabilmektedir. Örneğin saçılmanın ve hüzme kırınımının kontrollü olarak azaltılması, saçıcı ortamda daha derinlerden görüntü alabilmek için yeni yöntemlerin gelişmesine öncü olabilir. Işık hüzmesinin şiddet profilini şekillendirmek bazı uygulamalar için istenen sonucu verebilir. Şekillendirilen hüzmelerden en yaygın olarak kullanılan ve kırınımsız hüzmeler olarakta bilinen Bessel ve Airy hüzmelerinin kendini yeniden iyileştirme özelliği sergilediği bilinmektedir. Bu özelliklerinin, saçıcı ortamda ilerlerken Gaussiyen hüzmelere göre farklılıklar ortaya çıkaracağı düşünülmüştür. Bu amaçla, sunulan bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, doğrusal optik rejimde, profilleri farklı şekillendirilen lazer hüzmelerinin sıvı fantom içeren saçıcı ortamdaki ilerleme davranışları incelenmiştir. Bessel ve 1B Airy hüzmelerinin, Gaussiyen ve 2B Airy hüzmelerine göre, saçıcı ortamda daha yavaş zayıfladıkları bulunmuştur. Bu sonuç, kendini iyileştirme özelliği olan bu hüzmelerin merkezlerine; Bessel hüzmesi için halkalardan, Airy hüzmeleri için ise yan saçaklardan sürekli bir enerji akışının olmasının hüzme şiddetindeki zayıflamayı yavaşlattığı şeklinde yorumlanmıştır. Bununla beraber, saçıcı ortamda kaydedilen hüzme profillerinden yapılan hesaplamalara göre mod profilindeki en büyük bozulma Bessel hüzmesinde en az ise Gaussiyen hüzmede gözlenmiştir. Saçıcı ortamda hüzmenin kapladığı hacim arttıkça daha çok saçıcıyla karşılaştığı için moddaki bozulma daha hızlı gerçekleşmektedir. Dolayısıyla şekillendirilmiş hüzmelerin saçıcı ortamda daha derinlerde yüksek şiddetlerin gerektiği uygulamalarda etkin olarak kullanılabileceği söylenebilir. Ancak uygulamanın amacına göre hüzmenin saçıcı ortamdaki bütün özelliklerinin dikkate alınması gerekir. Hüzme şekillendirme, uygun optik elemanlar kullanılarak yapılabilir. Bunun yanında, ışık modülatörü kullanarak, uygun fazın sıvı kristal göstergeye uygulanmasıyla çok daha kolay bir şekilde ışığın profili şekillendirilebilir. Bu bölümde ayrıca geçirgen bir ışık modülatörü kullanılarak hüzme şekillendirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Modülatörü en etkin haliyle kullanabilmek için seçilen dalgaboyuna göre kalibrasyonu yapılmış, faz ve şiddet modülasyonları ölçülmüştür. 

İnsan dokusu, ışık için saçıcı bir ortamdır ve hem dokunun hem de ışığın özellikleri ışık-doku etkileşim süreci için son derece belirleyicidir. Lazer doku etkileşimi uygulamalarında istenen amaca göre uygun lazer parametrelerinin kullanılması gerekir. Üçüncü bölümde, lazer doku etkileşim süreçleri özetlenmiştir. Bu tez çalışmasının dördüncü bölümünde, femtosaniye (fs) atımlı lazerin biyomedikal alandaki yumuşak dokuyla ilgili bazı uygulamalarına yer verilmiştir. Çok kısa atım süreleri sayesinde gerçekleşen fotobozulma süreciyle, bu lazerlerle yumuşak dokuların içerisinde mikro boşluklar oluşturmak mümkündür. Böylece bu mikroboşluklar birleştiğinde herhangi bir mekanik temasa gerek kalmadan dokular ayrılabilir. Bu amaçla öncelikle katı fantom agar jeli içerisinde fs lazer ile mikrobaloncuk serileri oluşturulmuş, genellikle oftalmolojide kullanılan bu uygulama daha sonra koyun korneasında tekrarlanmıştır. Deney sonucunda lazerle korneanın üzerinden ince bir doku tabakası kaldırılabilmiştir. Ayrıca Bessel hüzmesiyle de agar jeli ablasyon deneyi yapılmıştır. Bessel hüzmeleri Gaussiyen hüzmelerden farklı olarak uzun mesafe odaklı oldukları için jelin yüzeyinde ablasyon gerçekleşmiştir. İlk bölümde sunulan Bessel bölgesi sınırlandırma deneylerindeki gibi gelen hüzmenin önüne engeller konularak Bessel hüzmesinin oluşması geciktirilebilir ve böylece jelin yüzeyinde değil içinde ablasyon işlemi yapılabilir.

Oftalmoloji alanında çalışılan bir diğer konu göz içi lenslerle ilgilidir. Katarakt hastalığı gibi herhangi bir nedenle göz içindeki doğal lens zarar görmüş olabilir ve bu durumda lens çıkartılıp yerine genellikle esnek polimer malzemelerden yapılmış yapay lensler takılır. Gözün doğal lensinin akomodasyon özelliği lensin odak uzaklığını değiştirebilmesini ve böylece hem uzak hem de yakındaki nesnelerin net olarak görülmesini sağlar. Bununla beraber, göze takılan yapay göz içi lens (GİL) sadece bir odak uzaklığına sahiptir. Bu lensleri takan hastalar yakın görüş için gözlüğe ihtiyaç duymaktadırlar. Bu sorunun üstesinden gelebilmek için çok odaklı GİL'ler geliştirilmektedir. Bu projede tek odaklı bir GİL'in üzerinde fs lazer ablasyonuyla Fresnel bölge plakası (FBP) oluşturarak çok odaklı hale getirmek için çalışılmıştır. İlk denemelerde lazer hüzmesi bir galvo sistem ile halka şeklinde hareket ettirilerek kontakt lens üzerinde FBP oluşturulmuş ve bu işlenen lensten 633 nm ışık geçirildiğinde tasarlandığı gibi 47 mm'de ışığı odakladığı gözlenmiştir. Fakat bu yöntem GİL için kendini-odaklama etkisinden dolayı tam etkin olarak kullanılamamıştır. Bu nedenle, gelen lazer hüzmesine dik düzlemde lens örneğinin hareket ettirildiği yeni bir yönteme geçilmiştir. Bu şekilde GİL yüzeyinde daha kontrol edilebilir FBP deseni oluşturulmuştur. 

Beşinci bölümde, biyomedikal uygulamalarına sert doku örneği olarak fs lazer ile diş minesi aşındırma deneyleri yapılmıştır. Ortodonti alanındaki bazı tedavilerde diş minesi yüzeyine braket bağlamak için yüzeyin aşındırılması gerekmektedir. Lazerle aşındırma yöntemi, geleneksel olarak asitle aşındırma yöntemine göre önemli avantajlar sunmaktadır. Ancak lazer ışığı nedeniyle doku aşırı ısınırsa istenmeyen yan etkiler meydana gelebilir. Burada sunulan mine aşındırma deneylerinde atım süresi fs mertebesinde olan lazer sistemi kullanılmış ve bu şekilde işlem süresince dokuya ısı nüfuz etme olasılığı en aza indirilmiştir. Mikroskobik incelemeler sonucunda, lazer aşındırma sonrası mine yüzeyinde herhangi bir ısısal hasar veya mikroçatlak gözlenmemiştir. Bunun yanında lazerle aşındırılan yüzeylere braketler yapıştırılmış ve bağlanma kuvvetleri ölçülmüştür. Uygun lazer parametreleri ve ablasyon desenleri kullanılarak asit aşındırma kontrol grubuyla elde edilenlere çok yakın sonuçlara ulaşılabileceği bulunmuştur. Ayrıca Bessel hüzmesiyle mine aşındırma deneyi yapılmış ve hüzmeyi taramadan yüzeyde halkalar şeklinde ablasyon deseni oluşturmaya çalışılmıştır. Fakat merkezden dış halkalara doğru gidildikçe şiddet çok azaldığı için halkaların ablasyona neden olmadığı görülmüştür.

Altıncı bölümde, kağıt eserlerin konservasyonu kapsamında eserlerin fs lazer temizliği ile ilgili çalışılmıştır. Lazer temizliğinin geleneksel yöntemlere göre temassız uygulanması, istenilen anda işlemin sonlandırılabilmesi, herhangi bir kimyasal malzeme kullanımına gerek olmaması gibi üstünlükleri vardır. Bununla beraber, özellikle kağıt gibi hassas ve kırılgan eserlerin temizliğinde, eseri şiddetli lazer ışığına maruz bırakırken dikkatli olunmalıdır. Uygun lazer parametreleri kullanıldığı takdirde eserin orjinalliğine zarar vermeden etkin bir temizlik yapılabilir. Bu projede, gerçek eserlerle çalışılmadan önce, örneği ışık altında tararken kullanılacak hızı, adım aralığını ve uygun lazer gücünü belirlemek ve kağıda zarar verilmediğinden emin olmak için yapay olarak kirletilen ve eskitilen kağıt modellerle deneyler yapılmıştır. Dört farklı kağıt tipi, iki farklı şekilde kirletilip eskitilmiş ve sonra farklı lazer güçleriyle temizlenmiştir. Osmanlı dönemine ait el yazması kağıt eserlerin çoğunda ahar adı verilen koruyucu tabaka kullanıldığı için aharlı kağıt örnekler de hazırlanmıştır. Hazırlanan bu kağıt örnekler ve gerçek kağıt eserler lazerle temizlendikten sonra renk ölçümleri yapılmıştır. Beklenildiği gibi bütün örnekler için kağıdın parlaklığının lazer gücüyle arttığı gözlenmiştir. Bununla birlikte, temizlik işleminde dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan biri eserin otantik rengini ve görünümü kaybetmemesidir. Ölçümler sonucunda düşük lazer güçleriyle işlem yapıldığı takdirde orjinal rengin korunabileceği görülmüştür. Diğer önemli bir konu ise, temizleme sürecinden sonra kağıdın mekanik dayanıklılığındaki değişimdir.  Çekme testleri sonucunda, lazer temizleme işleminden sonra kağıt dayanıklılığının azaldığı gözlenmiştir. Ancak kağıt dayanıklılığını belirleyen en önemli unsur kağıdın fiber yapısıdır. Yapılan mikroskobik ölçümler sonucunda, bütün lazer güçleri için kağıdın fiber yapısının zarar görmediği gözlenmiştir. Hatta çoğu durumda ahar tabakası bile yüzeyden kalkmamıştır. Bu sonuçlar, fs lazerin kağıt eser temizliği için çok kullanışlı olabileceğini göstermiştir. 

Yedinci bölümde metal işleme uygulamalarına yer verilmiştir. Lazer ile malzemelerin mikro ve hatta nano ölçeklerde işlenmesi son derece ilgi çeken bir araştırma konusudur. Metallerin ısı iletkenlikleri çok yüksek olduğu için kısa (nanosaniye (ns) mertebesinde) atımlı lazerlerle işlem yapıldığında geniş bir hacim ısıdan etkilenir. Lazer işleme konularından biri olan lazerle metal delme işleminde ultrahızlı lazerlerin kullanılmasıyla kaliteli ve ısısal hasarı çok az olan delikler elde edilebilmiştir. Fakat ablasyon sırasında oluşan plazma nedeniyle ışığın saçılması veya soğurulması ve delik duvarlarındaki saçılmalar delik yapısını ve derinliğini belirler. Bu bölümün ilk kısmında bakır delme deneyinde, bu saçılmalar nedeniyle oluşan olumsuz etkileri azaltmak için bazı yöntemler denenmiştir. İlk yöntemde; mikroişleme sırasında örnek belli hızlarda ve yönlerde hareket ettirilmiştir. Ancak bütün durumlarda örneğin sabit olduğu deneyde elde edilen ile yaklaşık aynı delik derinlikleri elde edilmiştir. İkinci yöntemde; dairesel kutuplu lazer hüzmesi kullanılmıştır. Dairesel kutuplu hüzmeyle çizgisel kutuplu lazer hüzmesine göre ~20 um daha az derinlikler elde edilmiştir. Üçüncü yöntemde; lazerin hem temel dalgaboyu hem de ikinci harmoniği aynı anda kullanılmıştır. Fakat bu durumda tek dalgaboyunun kullanıldığı duruma göre çok daha az derin delikler oluşmuştur. Dördüncü yöntemde ise, lazer hüzmesi ikiye ayrılıp tekrar yüzeyde aynı noktaya odaklanarak delme işlemi yapılmıştır. Farklı yollar izleyen bu hüzmelerin atımları arasında farklı zaman aralıkları oluşturulmuştur. Bu zaman farkının delik derinliğini etkilediği görülmüştür. Ancak hüzmeler arasında zaman farkı yokken elde edilen durumdan daha derin delikler oluşmamıştır. Yedinci bölümün ikinci kısmında ise, Bessel-girdap hüzmeleriyle altın ince film üzerinde dairesel mikroyapılar üretilmiştir. Bu yapılar, lazerin gücüne bağlı olarak tekli veya çoklu halkalar şeklinde oluşmuştur. Ablasyon desenin ortasındaki dairesel yapının boyutu ise lazerin gücüyle ters orantılı olarak değişmektedir.

Abstract:
When light propagates in a medium, different effects can emerge depending on properties of light and medium. One of these effects is light scattering and in some applications the scattering can play critical role. For instance, if scattering and beam seperation is reduced controlledly, new methods can be developed to investigate deeper in turbid media. Shaping of intensity profile of light beam can give better results for certain applications. Laser cavities produce beams with Gaussian profiles. A Gaussian beam propagating in media diffracts. The beam size almost does not change along the certain distance called as Rayleigh range. Rayleigh range varies inversely proportional to the square of the beam size. Therefore, when beam is focused to smaller size, it will diffract much faster and diffraction angle will be larger.

In the last decades, there have been various developments to obtain "non-diffraction (or diffraction-free) beams" by virtue of spatially shaping transverse profiles of laser beams. Among the most commonly used nondiffraction beams is the Bessel beams. While propagating, their spot size do not change over long distances in comparison to Gaussian beams with the same spot sizes. Another intriguing nondiffraction beam type is Airy beam. The main lobe of Airy beam moves along a parabolic path instead of a straight line. Due to this exotic behaviour, Airy beams are usually called as "accelerating beams". In addition to, Bessel and Airy beams exhibit "self-healing" (self-reconstruction) characteristic. When the beams encounter an obstacle, they reproduce their original intensity profiles after brief propagation. We considered that these properties of shaped laser beams can reveal differences according to Gaussian beam when propagating in highly scattering media.

Therefore, in the second chapter of the thesis, we experimentally investigated behaviour of shaped laser beams, propagating in scattering media. We generated Bessel and Airy beams by using appropriate optical elements. Liquid phantoms with variable density intralipid solutions were prepared as scattering media. Change in maximum intensities of the beams and self-healing of the profiles were compared. We observed that maximum intensities of Bessel and one dimensional Airy beams decrease slower with increasing scatterer density. Due to self-healing property, an energy flow occurs from rings to beam center for Bessel beam and from fringes to main lobe for Airy beam. However, in highly scattering media, the beam profiles of shaped beams deteriorate more than the profile of Gaussian beam. The highest deterioration was observed for Bessel beam. As occupied volume of the beam in scattering media increases, the beam will encounter more scatterers and the beam profile will deteriorate faster. Consequently, shaped beam can be used to obtain intense light deeper into highly scattering media. However, all properties of the beam in turbid media have to be considered according to purpose of application. Laser beam can be shaped by using spatial light modulator (SLM) as well as various optical elements. SLM based on liquid crystal technology controlling by applying a voltage. When a direct voltage is applied to molecule in liquid crystal, molecule changes orientation and then the index of refraction of this region of the crystal changes. Thereby, the phase of part of the beam passing through that region retards. In this chapter, laser beam shaping experiments were performed by transmissive SLM. To optimize the modulator, phase and intensity modulations were measured for chosen wavelength.

Human tissue is a scattering medium for the light and both properties of tissue and light determine process of laser-tissue interaction. In the third chapter, laser-tissue inetraction mechanisms were summarized. In laser-tissue applications, appropriate laser parameters such as wavelength, power, pulse duration have to be used according to desired result. The fourth chapter of the thesis includes several biomedical applications about interaction between soft tissue and femtosecond pulsed laser. Ultrashort laser pulses can generate microbubbles in soft tissues. This interaction type is called as photodisruption. These microbubbles split tissue without the need for mechanical contact. In this study, firstly, microbubble patterns were formed in agar gel of solid phantom. This application used in ophthalmology field was also repeated for ovine cornea. After femtosecond laser exposure, a thin tissue layer could be removed from the surface of cornea. Furthermore, laser ablation experiment in agar gel was done by using Bessel beam. Since Bessel beams exhibit much longer compared to Rayleigh distances of focused Gaussian beams, surface of agar gel was ablated. Bessel beam starts from the end of axicon. According to results of restriction of Bessel zones experiments presented in fisrt chapter, arising of Bessel beam can be retarded by placing blocks in coming beam. Thus, laser ablation can occur inside the phantom not surface. 

Another studied topic in ophtalmology field is about ablation of intraocular lenses. If eye's natural lens is damaged by cataract or any reason, the natural lens is removed and an artificial lens called as intraocular lens is placed inside eye surgically. In general, intraocular lenses are produced from flexible, foldable and transparent polymer material. Accommodation ability of natural lens provides to view both distant and near objects. In other words, natural lens can change its shape and thus it can change optical power. However, when intraocular lens is implanted in patient's eye, patient needs glasses or contact lens for near vision. For this reason, multifocal intraocular lenses are developed to overcome this problem. Our purpose in the project is to convert a monofocal intraocular lens to multifocal through femtosecond laser ablation patterning in the form of Fresnel zone plates. A Fresnel zone plates is a circular diffraction grating. Consecutive transparent and opaque rings comprise Fresnel zone plates. In the first experiments, laser beam was scanned shaped like ring on the surface of contact lens by using scanning Galvo system. When light of wavelength 633 nm was passed through this patterned contact lens, we observed that the lens focused light at 47 mm as designed. However, this method could not be used for intraocular lens efficiently because of self-focusing effect. Therefore, in the next experiments, sample was moved in perpendicular plane to the incoming beam. The sample was placed on two dimensional stage controlled by computer. Thus, Fresnel zone plates were formed on the surface of intraocular lens in more controlable way.

Furthermore, bovine teeth were etched via femtosecond laser as an example of hard tissue ablation and experimental results were also reported in the fifth chapter. Laser etching offers significant advantages as compared to conventional acid etching method. However, excessive increase in tissue temperature during laser irradiation can cause undesirable side effects such as microcracks. In these laser etching experiments, we used femtosecond laser system to minimize probability of heat diffusion to dental tissue. Therefore, intrapulpal temperatures were measured during laser treatments and measured the temperature increases were below the threshold for possible histological changes. In consequence of microscopic investigations, thermal damage or microcracks were not be observed on enamel surfaces of samples. Afterwards, brackets widely used in orthodontic treatments were bonded to the etched samples. Bond strength od each tooth sample was measured during debonding. Debonding force is the most significant parameter to evaluate achievement of etching process. For laser etching experiments using appropirate laser powers and ablation patterns, measured debonding forces were similar to acid etching method. Besides, after debonding process, it is prefered that no resin remain on enamel surface. In this study, quite clean surfaces were obtained after bracket debonding. The possible depth of etched enamel is ranging from 10 to 50 um according to literature. Average ablation depths measured in our study were 11 um and obtained maximum depth was 14.5 um. Therefore, this amount of enamel loss is definitely acceptable. In conclusion, femtosecond laser etching method is very suitable for enamel roughening and this method is fast, highly controllable and chemical or water-free dissimilar to classical acid etching method. In addition to, we tried to etch tooth surface using Bessel beam without laser beam scanning. We aimed to obtain ablation pattern composed of rings on the surface. We observed that the central spot of Bessel beam caused ablation but rings did not. Because energy of Bessel beam decreases from center to outer rings, thus the energies of rings are below ablation threshold of dental tissue.

In the sixth chapter, we studied fs laser cleaning of historical papers as part of art conservation. Laser cleaning has certain advantages as compared to conventional cleaning methods. For instance, laser method is applied without contact and using chemical. Besides, it is more easier to control the process. Laser light can clean fragile paper artworks without damaging to their orginalities as long as proper laser parameters are used. In experiments, laser beam was shaped to bring to line focus. Therefore, sample surfaces were scanned in the shape of ablation lines. To determine appropriate scan speed, scan pitch between lines and laser power, we used artificially contaminated and aged paper models before cleaning original historical papers. Four paper types were soiled with two different contaminants and aged under same conditions. Since papers with sizing were used especially in Islamic handwritten documents, we also prepared papers with sizing. These prepared papers and historical papers were cleaned using various laser powers. Afterwards, color of all papers were measured. We observed that brightness of all the samples were enhanced as increasing laser power. On the other hand, other colors usually changed slightly for low laser powers. Minimal variations in colors are very important in respect to retain originality of artifact. Additionally, fiber structure of the paper sample should be undamaged after laser cleaning. Microscopic investigations demonstrated that fiber chains were not broken even when high laser powers were used. Also, we measured mechanical strengths of paper samples. In all cases, laser cleaning diminished mechanical strength inevitably. But this is acceptabable unless fibers do not be damaged. Consequently, fs laser cleaning is very effective technique in order to clean historical papers.

The seventh chapter involves applications on metal machining. In the first part, we tried to decrease light scattering effect during metal drilling. Plasma formation and roughness on hole walls cause scattering of incoming light during laser ablation. Therefore, scattering leads to decrease intensity of light in hole and limits achievable hole depth. In this study, we used various methods in order to decrease scattering effect and obtain deep holes on copper metal during femtosecond laser ablation. Firstly, to decrease roughness of hole wall, copper sample was moved during laser machining. However, we observed that there was no difference between depths of moving and fixed samples from profile measurements. Secondly, holes were drilled by means of circularly polarized laser light. These holes were lesser deeper than the holes fabricated by linearly polarized laser light. Thirdly, two fs laser beams that have different wavelengths were used together during ablation process. But, deeper holes were not obtained. Finally, incoming laser beam was divided into two beams by Michelson interferometer and these beams were focused on the metal surface. Time difference between two pulse trains was changed from 200 fs to 66.7 ps. We observed hole depths depends on separation of pulses.  

In the second part of the seventh chapter, micro and nanoscale circular structures were formed on gold thin films using Bessel-vortex laser pulses. Since Bessel beams have long focal distances, micromachining with these beams is easier than Gaussian beams due to convenience in sample alignment. We showed that structure size depends on laser power. Also, ablation profiles depend on laser power. In other words, single or multiple rings can be obtained via adjusting laser power.