Polimer malzeme üzerinde lazer kullanarak mikrolens dizlerinin oluşturulması
Formation of microlens array using laser on polymer material
Yazar: MUSTAFA DOĞAN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SARI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Polimerler = Polymers

Özet:
Mikrolens dizileri, dalga cephesi algılayıcılar, ışık alanı kameraları, algılayıcı dizileri, fiber optik eşleştiricileri ve daha birçok uygulamada optik cihazların vazgeçilmez parçalarıdır. Mikrolens dizilerinin geniş uygulama alanları, çeşitli tipte, şekil, boyut ve optik performansa sahip olan mikrolensler gerektirmektedir. Bu nedenle, mikrolens dizisi üretimi için çeşitli üstünlük ve yetersizliklere sahip olan birçok üretim tekniği geliştirilmiştir. Bu üretim tekniklerinden biri olan doğrudan lazer ile yazma, günümüzde daha pratik, esnek ve uygun maliyet avantajı sunmaktadır.
 
Polimer malzeme üzerine doğrudan lazer ile yazma tekniğinde mikrolens oluşumu, polimer malzemenin delinme eşiğinden düşük ve belirli enerji yoğunluğunda lazer ışığının altında polimerlerin uzun moleküler zincirleri koparak daha kısa molekül zincirlerine dönüştürmesine dayanır. Moleküler yapıdaki değişim, hacimsel genleşme ve kalıcı şekil değişimine yol açarak malzeme üzerinde dış bükey mikrolens yapıları oluşturur.

Bu tezde, polimer malzeme olarak polimetil metakrilat (PMMA) üzerinde doğrudan lazer ile yazma tekniği çalışılmıştır. Bilgisayar destekli sonlu eleman analizi ile benzetim modeli oluşturulmuş ve teorik yaklaşım modeli, 1070nm sürekli dalga boyuna sahip lazer kullanarak farklı kalınlıklardaki PMMA üzerinde yapılan deneyler ile doğrulanmıştır. Bu çalışmanın sonucu olarak, lens çapları 149μm ile 323μm ve odak uzaklıkları 0.3mm ile 3.7mm arası değişen mikrolens dizileri üretilmiştir. Geçmişte yapılan çalışmalarda atımlı lazerler kullanılarak gerçekleştirilen mikrolens dizisi üretimi bu çalışma ile sürekli dalga lazer kullanılarak da gerçekleştirilebileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Microlens arrays are essential parts of optical devices such as wavefront sensors, light field cameras, sensor arrays, fiber optic couplers and more. Wide application areas of microlens arrays are required to various type microlenses that are shapes, sizes and optical performance. Therefore, many manufacturing methods, which have various advantages and disadvantages, were developed. Direct laser writing is one of the manufacturing techniques and offers a more practical, flexible and cost effective advantages for today.

Formation of microlens with direct laser writing technique on polymer material bases on breaking and transforming long polymer molecule chains to smaller molecule chains by laser beam at specific energy density, which is smaller than ablation threshold. Change in molecular structure causes volumetric expansion and permanent deformation and forms convex lens shaped hump on the surface of the polymer.

In this thesis, direct laser writing technique was studied on poly methyl methacrylate (PMMA) used as a polymer material. Simulation model was constructed using by computer-aided finite element analysis (FEA) software. Theoretical approximation model was confirmed by experiments using with 1070nm continuous wave laser and various thickness PMMA sheets. As the result of this study, aspheric microlens arrays, which have different size microlens diameter between 149 to 323μm and focal length between 0.3 to 3.7mm, were manufactured on PMMA sheets. It has been shown that the production of microlens array using pulsed lasers in the previous studies can be realized by using continuous wave laser.