Üç boyutlu faz hologram uygulamaları için foto-termo-refraktif camların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of photo-thermo-refractive glasses for three dimensional phase hologram applications
Yazar: ORHAN KIBRISLI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Mor ötesi bölgede ışığa duyarlılık, yüksek görünür bölge ve yakın kızılötesi geçirgenliği, kimyasal kararlılık, mekanik dayanım ve işlenebilirlik, kolay, ucuz ve her boyutta üretilebilirlik, sıcaktan etkilenmeyen kırılma indisi ve yüksek optik zarar eşiği sayesinde yüksek güç lazer ışımalarından etkilenmeyen yapısı ile foto-termo-refraktif (FTR) camlar, fotonik uygulamaları için yüksek kullanım potansiyeline sahiptir.
Holografik veri kayıt malzemelerinin ideal holografik kayıt malzemesinden beklenen özellikleri karşılayamaması, holografik veri kayıt teknolojisinin gelişmesinin önündeki en büyük engellerden birisidir. Foto-termo-refraktif camlar sahip oldukları üstün özellikler sayesinde ideal bir holografik veri kayıt malzemesi olmaya aday konumdadır. Literatürde foto-termo-refraktif camların çeşitli fotonik uygulamalarda kullanımına yönelik kapsamlı araştırmalar bulunmakta olup; veri depolamaya yönelik kullanımları incelenmemiştir. Bu tez çalışmasında foto-termo-refraktif camların ısıl, optik, faz ve mikroyapısal özellikleri incelenerek holografik veri kayıt malzemesi olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. 
Foto-termal prosesin değişkenleri olan UV pozlama ve ısıl işlem koşullarının foto-termo-refraktif camların optik, ısıl, fiziksel, faz ve mikroyapısal özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla ergitme döküm yöntemi ile üretilen FTR cam numunelere farklı UV pozlama ve ısıl işlem parametreleri ile foto-termal proses uygulanmıştır. Elde edilen numunelerin optik, ısıl, faz ve mikroyapı karakterizasyonları gerçekleştirilmiş ve ölçülen yoğunluk değerleri kullanılarak molar hacim (VM), oksijen molar hacim (VO) ve oksijen paketlenme yoğunluğu (OPD) değerleri hesaplanmıştır.  Döküm sonrası numunenin ısıl analizinden elde edilen veriler ile foto-termo-refraktif camların cam geçiş sıcaklığı (Tg), kristalizasyon onset sıcaklığı (Tc) ve kristalizasyon pik sıcaklığı (Tp) belirlenmiştir. Foto-termal proses sonrası gerçekleşen kırılma indisi değişimi elipsometrik ve interferometrik yöntemler ile belirlenmiştir. SEM ve XRD teknikleri ile foto-termal proses sonrası yapıda oluşan NaF kristalitlerinin faz ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. 550 °C sıcaklıkta ön çekirdeklendirilen foto-termo-refraktif cam numunenin kinetik incelemeleri 10, 20 ve 40 °C/dk ısıtma hızları ile, diferansiyel termal analiz cihazında, izotermal olmayan yöntem ile gerçekleştirilmiştir. Bu bilgiler ışığında Avrami sabiti (n) ve kristalizasyon aktivasyon enerjisi (EA) değerleri hesaplanmıştır. 
Foto-termal proses sonucu NaF kristalitlerinin cam matris içerisinden oluştuğu tespit edilmiştir. Artan UV pozlama süresi, ısıl işlem sıcaklığı ve ısıl işlem süresi ile NaF kristalitlerinin boyutlarının arttığı gözlemlenmiş ve bunun sonucunda kırılma indisi değişiminin 10-2 seviyelerinde olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuçlar değerlendirildiğinde, foto-termo-refraktif camların kalıcı kırılma indisi değişimi özelliği göstermeleri nedeniyle umut vaat eden bir holografik veri kayıt malzemesi olduğu görüşüne varılmıştır.

Abstract:
Photo-thermo-refractive (PTR) glass is a promising photonic material due to its photosensitivity in UV region, high transmittance in visible and infrared region, chemical stability, high strength, processability, easy and economic producibility in wide dimensional range, temperature independent refractive index and high optical damage threshold properties.
The insufficiency of holographic recording materials to meet the properties expected from the ideal holographic recording material is one of the most important drawbacks of holographic data storage technology. Photo-thermo-refractive glass is a candidate holographic recording material with its superior properties. Comprehensive researches on the use of photo-thermo-refractive glass in various photonic applications take place in the literature but its use for holographic data storage has not been investigated. In this thesis study, usability of photo-thermo-refractive glass as a holographic data recording material has been investigated by examining its thermal, optical, phase and microstructural properties.
In this work, effects of UV exposure and thermal treatment parameters on photo-thermo-refractive glass' optical, thermal, physical, phase and microstructural properties have been investigated. For this purpose, different photo-thermal processes have been applied to photo-thermo-refractive glasses which have been prepared with conventional melt and quench technique. Densities of as-cast and photo-thermal processed samples have been measured and molar volume (Vm), oxygen molar volume (VO), and oxygen packing density (OPD) values have been calculated. Optical, thermal, phase and microstructure characterizations have been performed on prepared samples. Glass transition (Tg), crystallization onset (Tc) and crystallization peak (Tp) temperatures have been determined by using the thermal analysis data of as-cast sample. Refractive index change after photo-thermal process have been measured by using interferometric and ellipsometric techniques. NaF crystals which causes the refractive index change have been investigated by scanning electron microscope and X-ray diffraction techniques. Kinetic investigations of samples pre-nucleated at 550 °C have been performed by using heating rates of 10, 20, 40 °C/min and non-isothermal technique in differential thermal anaylsis device. In the light of this information Avrami constant (n) and crystallization activation energy (EA) have been calculated. 
NaF crystallites have been located as a result of photo-thermal process. An increment in the size of NaF crystallites has been observed with the increasing heat treatment temperature and UV exposure and heat treatment time. As a result of that, refractive index change has been observed in the order of 10-2. By evaluation of these results, it is believed that PTR glass has great potential as a holographic data recording material due to its permanent refractive index change property.