Femtosaniye lazer ile ince metal filmler üzerinde nano boyutta yapilar oluşturma
Nano fabrication on thin metal films with femtosecond laser
Yazar: BURAK SOYLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. LEVENT OVACIK ; DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan optik = Nonlinear optics ; Lazerler = Lasers ; Nano yapı = Nano structure ; Yüzey plazmonları = Surface plasmons

Özet:
Lazerlerin teknolojik gelişmelerde önemli bir rol üstlendiği şu dönemlerde, femtosaniye (fs) darbeli lazerler (1 fs s) üstün özellikleri ile kendine ayrı bir yer edinmiştir.Fs lazerler, darbe sürelerinin son derece kısa olması nedeniyle çok hassas ve yüksek çözünürlükte işleme imkanı vermektedir. Bu lazerlerin malzeme işlemedeki en büyük avantajı termal difüzyon sürelerinden çok daha kısa süreye sahip darbe genişliklerinin olmasıdır. Bu özelliği sayesinde kusursuz malzeme işleme imkanı verir. Bu tip lazerler özellikle cam üzerinde kırılma indisi değiştirerek dalga kılavuzu oluşturma, saydam malzemeler üzerinde işleme, hassas dokularda (göz gibi) en az zararlı kesme gibi çok büyük hassasiyet gerektiren uygulama alanlarında aktif olarak kullanılmaktadır.Bu çalışmada, doğrusal olmayan optik yöntemlerden de yararlanıldı. İkinci harmonik üretimi ve frekans toplanması yöntemleri kullanılmıştır. Fs lazerin harmoniklerinin (lazer frekansının 2, 3 ve 4 katının) elde edilmesi ile daha kısa dalgaboyları, dolayısıyla daha yüksek işleme çözünürlüğü elde edilmiştir. Bu harmonikler temel lazer bileşeninin BBO (Beta Baryum Borat) kristali içerisinden geçirilmesiyle elde edildi. İkinci, üçüncü ve dördüncü harmoniklerin maksimum verimleri sırasıyla %25, %2 ve %0.7 dolaylarında elde edildi. Bu verimler düşük gibi görünmesine rağmen, bu harmoniklerden elde edilen enerji malzeme üzerinde mikro ve nano boyutta işleme yapmak için yeterli seviyededir.Bilindiği üzere lazerler genel olarak Gauss hüzme profilleri üretirler. Bu tez çalışmalarında malzeme işlemedeki önemli katkılarının olacağı öngörüldüğü için mevcut hüzme aksikon mercek yardımı ile şekillendirilerek Bessel hüzmesi elde edildi. Bessel hüzmelerinin kırınımsız ilerleme özelliği nedeniyle deneysel çalışmalardan büyük avantaj sağlamıştır. Bessel hüzmenin odaklanma mesafesinin Gauss hüzmesine göre çok daha uzun olması, lazerin ilerleme yönündeki hizalama problemlerinin malzeme işleme üzerindeki olumsuz etkisini ortadan kaldırır.Cam üzerine ince altın film kaplanarak elde edilen numuneler üzerinde nanometre hassasiyetinde yapılar elde etmek için lazerin elde edilen bütün harmonikleri Bessel hüzmelerine dönüştürüldü. Bu hüzmelerin hepsi malzeme işlemede kullanıldı. Lazerin dalgaboyundan daha küçük bir boyuta odaklanamaması nedeniyle, malzemenin aşındırma eşiğine yakın çalışılarak 200 nm'nin altında yapılar elde edildi. Bu işleme tekniği ile malzeme üzerinde periyodik yapılar oluşturarak plazmonik yapıların elde edilebileceği gösterildi. Böylelikle, plazmonik yapıların üretiminde, litografik yöntemlere alternatif olabilecek etkin bir yöntem geliştirilmiştir.

Abstract:
In this period when lasers play an important role in technological developments, femtosecond laser (1 fs s) has obtained a significant place with its superior qualities.Since its pulse durations are extremely short, femtosecond laser enables processing in much finer and high resolutions. The major advantage of this laser in processing materials is that it has much shorter pulse duration than thermal diffüsion length. Owing to this feature, it enables excellent processing. This type of laser is used actively in application areas, which require much greater precision such as creation of waveguide by changing the refractive index on glass, process on transparent materials and the least harmful transection on sensitive tissues (e.g. eye tissues).In this thesis, nonlinear optical methods are also made use of. Second harmonic generation and sum frequency methods are used. With the obtainment of femtosecond laser harmonics (2, 3 and 4 times of laser frequencies), shorter wavelengths and thus higher process resolution are obtained.As is known, lasers generally generate Gaussian beam profiles. Bessel beam is obtained by structuring the existing beam with the help of axicon lens since it is predicted that it would have significant contributions in the processing of materials. Due to nondiffracting propagation feature, Bessel beams had a substantial advantage in the experimental studies.In order to get nanometer precise structures on the samples obtained by plating thin gold film on glass, entire harmonics of the laser are converted to Bessel beams. All these beams are used in material processing. Because of the reason that the laser cannot focus on a smaller dimension than the wavelength, structures under 200 nm are obtained by being studied close to the ablation threshold of the material. With this process technique, it is demonstrated that plasmonic structures can be obtained by generating periodic structures on the material. Therefore, in the production of plasmonic structures, an efficient method, which can be an alternative to lithography, is developed.