Yüksek enerjili, şekillendirilmiş lazer hüzmeleri ile saydam malzeme işleme ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of transparent materials with high power, shaped laser beams
Yazar: BERNA MOROVA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALEXANDR JONAS
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Femtosaniye (fs) darbeli lazerler etkin oldukları son derece kısa zaman süreçleri sayesinde benzersiz fiziksel özellik ve uygulama potansiyellerine sahiptir. Özellikle lazer-madde etkileşimi ve malzeme işleme alanında fs darbeli lazerler yeni bir çığır açmışlardır. Bu tez kapsamında fs lazer hüzmelerinin uzamsal ve zamansal olarak şekillendirilmesi, karakteristikleri ve saydam malzemeler ile olan etkileşimlerinin yanısıra mikroakışkan uygulamalarındaki kullanımları yer almaktadır. 
Tez kapsamında gerçekleştirdiğimiz çalışmalarda öncelikle Bessel ve Airy hüzmelerinin kuramsal incelemesini gerçekleştirdik. Ardından bu hüzmeleri deneysel olarak ürettik ve şiddet profillerini, ilerleme özelliklerini inceledik. Daha sonra fs lazer kullanarak bu hüzmelerin saydam malzemeler ile olan etkileşimlerini ortaya koyduk.   
Fs lazerlerin en çok kullanıldığı bir diğer uygulama alanı mikroakışkanlardır. Çalışmalarımızda fs lazer ile süperhidrofobik yüzey üzerinde ve aerojel kitle içerisinde mikroakışkan sistem üretimini, PDMS çip içerisinde damla temelli mikroakışkan sistem üretimini gerçekleştirdik. İlk olarak süperhidrofobik yüzey üzerinde hidrofilik mikrokanallar oluşturduk. Bu mikrokanallar üzerinde sıvı filament oluşturduk ve dalga kılavuzu özelliklerini inceledik. Ardından eşsiz özelliklere sahip hidrofobik silika aerojel içerisinde üç boyutlu mikrokanalı malzemeye zarar vermeden oluşturmayı başardık. Bu kanalın optoakışkan özelliklerini inceledik. Buna ek olarak PDMS çip içerisinde damla temelli sistemlerin fs lazer ile üretilebileceğini gösterdik. 
Zamansal olarak şekillendirilmiş lazer hüzmelerinin malzeme ışık etkileşiminde yüksek polarizasyon bağımlılığı gibi oldukça ilginç özellikleri mevcuttur. Bu özellikler uzay zaman bağlantıları (UZB) olarak adlandırılan etkiler kapsamında açıklanabilir. Bu çalışmada UZB etkilerini kontrollü olarak değiştirerek saydam malzeme işleme üzerindeki etkilerini ayrıntılı olarak inceledik ve fiziksel detaylarını ortaya koyduk. Sonuç olarak bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda ultrahızlı lazer- saydam malzeme etkileşiminin anlaşılmasının bilimsel değeri oldukça yüksektir.

Abstract:
Femtosecond (fs) pulsed lasers have extraordinary physical properties and application potentials thanks to their ultra short pulse durations. Fs pulsed lasers achieved a significant breakthrough especially in the area of laser-matter interaction and laser machining. In this thesis, we investigated spatial and temporal shaping of fs laser beams and their interactions between transparent materials. In addition, we used fs laser machining on microfluidic applications. 
Within the scope of thesis, we performed generation, characterization of Bessel and Airy beams. We used fs pulsed Bessel and Airy beams in order to obtain linear and curved reftactive index modifications inside the glass thanks to extended focal depth of Bessel and Airy beams.  At last, we performed the coupling experiments.
Another application that fs laser pulses used commonly is micro-machining. We used fs laser pulses to produce microchannels on the superhydrophobic surface (SHS) and inside bulk aerogel. Also, we generated microchannels inside the droplet-based microfluidics chips. Firstly, we demonstrated hydrophilic microchannels on the SHS and investigated optofluidic waveguide properties. After, we succeeded to obtain 3D microchannels inside the aerogel monolith without any damage. We demonstrated waveguiding and measured optical attenuation of these microchannels. Lastly, we fabricated droplet based microfluidic systems in PDMS using fs laser. 
Temporally shaped laser beams have quite interesting properties such as high polarization dependence during the interaction between fs laser and transparent materials. These effects can be explained via nonlinear effects called spatio temporal couplings (STCs). Within the scope of this thesis, we investigated STC in theoretical and experimental manner.