Lazer Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi 2006

... konulu sunumlar: "Lazer Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi 2006"— Sunum transkripti:

1 Lazer Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi 2006
LAZERLER Lazer Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi 2006

2 SUNU PLANI Lazer Nedir? Lazerin Tarihçesi Lazerlerin Kullanım Alanları
Lazer Çeşitleri LATARUM’da kullanılan ve kullanılması tasarlanan lazerler

3 LAZER NEDİR? Light Amplification Stimulated Emission Radiation LASER
Uyarılmış Işıma ile Kuvvetlendirilmiş Işık Albert Einstein (1916)

4 LAZER NEDİR? Basitleştirişmiş tipik bir lazer şeması

5 LAZER NEDİR? Basitleştirişmiş tipik bir lazer şeması

6 LAZERİN TARİHÇESİ 1916 ALBERT EINSTEIN – Işığın yayılma teorisi. Uyarılmış ışıma kavramı. 1928 RUDOLPH W LANDENBURG – Uyarılmış ışımanın varlığının kanıtlanması ve negatif soğurma. 1940 VALENTIN A FABRIKANT – Sayı yoğunluğu tersiniminin olma olasılığı. 1947 WILLIS E LAMB R C RETHERFORD –Uyarılmış ışımanın ilk gösterimi. 1951 CHARLES H TOWNES, ARTHUR SCHAWLOW, ALEXANDER PROKHOROV, NIKOLAI G BASOV, JOSEPH WEBER – İlk MAZER yapıldı.

7 LAZERİN TARİHÇESİ 1960 THEODORE MAIMAN – Yakut (ruby) kristali ile yapılan ilk çalışan LAZER’in keşfi. 16 Mayıs 1960, Hughes Araştırma Laboratuarları.

8 LAZERİN TARİHÇESİ 1960 PETER P SOROKIN, MIREK STEVENSON – İlk Uranyum LAZER - Yapılan lazerlerin ikincisi, IBM Lab.

9 LAZERİN TARİHÇESİ 1961 ALI JAVAN, WILLIAM BENNET JR. , DONALD HERRIOT - Bell Laboratuarlarında HeNe LAZER’in keşfi. 1962 ROBERT HALL General Elektrik Laboratuarlarında yarı-iletken LAZER’in keşfi.

10 LAZERİN TARİHÇESİ 1964 J. E. GEUSIC, H. M. MARKOS, L G VAN UITEIT- Bell Laboratuarları ilk çalışan Nd:YAG LAZER

11 LAZERİN TARİHÇESİ 1964 KUMAR N PATEL - Bell Laboratuarlarında CO2 LAZER’in keşfi. 1964 WILLIAM BRIDGES - Hughes Laboratuarlarında Argon İyon LAZER’in keşfi. 1965 G PIMENTEL&J V V KASPER – Kaliforniya-Berkley ilk kimyasal LAZER 1966 W SILFVAST &G FOWLES AND HOPKINS - Utah üniversitesinde ilk metal buhar LAZER - Zn/Cd 1966 PETER SOROKIN, JOHN LANKARD IBM Laboratuarlarında ilk boya lazer.

12 LAZERİN TARİHÇESİ 1969 G M DELCO - Otomobil uygulamaları için üçlü lazerlerin ilk endüstriyel donanım 1970 NIKOLAI BASOV GRUBU - Moskova Lebedev Laboratuarlarında Xenon (Xe) ile yapılan ilk Excimer LAZER 1974 J J EWING &C BRAU - Avco Everet Laboratuarlı ilk nadir gaz halojenür excimer. 1977 JOHN M J MADEY GRUBU - Stanford Üniversitesinde ilk serbest elektron lazeri. 1980 G PERT GRUBU - İngiltere Hull Üniversitesinde X-ışını lazer etkisinin ilk raporu.

13 LAZERİN TARİHÇESİ 1981 A SCHAWLOW & N BLOEMBERGEN - Lineer olmayan optik ve spektroskopide Nobel fizik ödülü. 1984 D MATTHEW GRUBU - Lawrance Livermore Laboratuarlarında ilk X-ışını lazer gözlendi. Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan X-ışını X-ışını lazerler litografide ve Hohlaryum plazmaların incelenmesinde kullanılır X-ışını lazerin bir plazma ile etkileşimi

14 Yarı-İletken Lazerler
LAZER ÇEŞİTLERİ Gaz Lazerleri Katı-hal Lazerleri Sıvı Lazerleri Atom Lazerleri Helyum-Neon Lazeri Molekül Lazerleri CO2 Lazeri Nitrojen Lazeri Uzak kızıl-altı Lazeri Excimer Lazeri İyon Lazerleri Argon İyon Lazeri Kripton İyon Lazeri Metal Buharı Lazerleri Bakır Buharı Lazeri Altın Buharı Lazeri Yakut Lazeri Nd-YAG Lazer Ti-Safir Lazeri Boya Lazerleri Yarı-İletken Lazerler Diğer Lazerler Diyot Lazeri X-Işını Lazerler Serbest Elektron Lazerleri Fiber Lazerler

15 LAZERLERİN KULLANIM ALANLARI
Tıpta Endüstride Savunma Sanayisinde Telekomünikasyonda Mikro Biyolojide Uzay Teknolojilerinde Oyuncak ve Eğlence Sektöründe

16 Nd-YAG Lazerler Nd:YAG lazer: Neodyum katkılı Yitriyum-Aluminyum-Garnet ortama sahip bir katı hal lazeridir. Flaş lambası veya diyotlar ile uyarılır. Lazer ışığının dalga boyu 1.06μm (kızılaltı bölge) ve oluşan demet optik fiber kullanılarak istenilen noktaya taşınır. Dc ark lambaları ile uyarılan Nd-YAG lazerler, 5kW’a kadar güce sahip sürekli dalga boylu lazer ışığı üretebilir. Flaş lambaları ile uyarılan atımlı Nd-YAG lazerleri, ortalama gücü yaklaşık 600 W olan ve atım süresi 1ms ile 50 ms arasında değişen lazer atımları üretebilir. Xenon veya Kripton lamba ile pompalanan lazer Lazer çıkışı Lamba Yansıtıcı oyuk Ön ayna (Kısmi yansıtıcı) Beslemeli ayna (Yansıtıcı) Nd:YAG çubuk

17 Nd-YAG Lazerler Metal yüzeyler tarafından soğurulması CO2 lazerden daha iyi olduğu için Nd:YAG lazerlerin kullanılması daha uygundur. Nd:YAG lazerin ışıması optik fiber yoluyla çalışılacak parça üzerine taşınabilir. Bu kullanmayı kolaylaştırır ve demet anahtarlaması, bölüştürülmesi ve şekillendirilmesi için olasılıkları oluşturur. Sanayide metalleri özellikle de yansıtıcı metalleri kesme, delme işlemlerinde tercih edilir. Seramik gibi metal olmayan materyalleri işlemede de kullanılır. Nd:YAG lazerler küçük parçaların veya ince malzemelerin kaynak işlemlerinde kullanım avantajına sahiptir. Kaynak Kesme Delme

18 Eksenel gaz akışlı lazer
CO2 Lazerler CO2 lazeri, kızıl-altı bölgede, aktif ortamı karbon dioksit olan lazerlerdir. Dalga boyu 10.6 micron olan CO2 lazeri 40kW’a kadar güce sahip olabilir. Rezonatör içinde yüksek gerilim ile uyarılan gaz sonucu oluşan demet, bir noktaya aynalar veya mercekler ile taşınır. İşlemedeki başarı gazın saflığına bağlıdır. Eksenel gaz akışlı lazer Aynalar Lazer demeti Lazer aktif ortamı Elektriksel deşarj Gaz akışı demet ekseni Endüstride özellikle 2-12 kW’a kadar güç gerektiren uygulamalarda kullanılır. CO2 lazeri birçok metal, plastik, ağaç, kuvars, seramik ve cam işlemede tercih edilmektedir

19 Ti-Saphire Lazerler Femtosaniye (10-15) atım süresine sahip lazerlerdir Femtosaniye lazerlerin malzeme işlemede kullanılması ile üretimi yapılan Malzemelerin boyutları nanometre (nm) mertebelerine kadar indirilmiştir. Fotolitografi tekniği kullanılarak sadece düzlemsel yüzeyler işlenebilirken femtosaniye lazerler kullanılarak 100 nm mertebelerinde 3 boyutlu metal ve dielektrik malzemeler işlenebilmektedir 100 fs süreli bir atım insan saçının küçük bir bölümünü kat ederken, ışık bir saniyede dünyanın çevresini 7,5 kez dolaşır. Femtosaniye lazer atımları ile malzeme işlemenin temel avantajları: İ ) Verim, hızlı ve yerel enerji aktarımı. İİ ) İyi tanımlanmış deformasyon ve aşındırma. İİİ ) Minimum ısısal ve mekanik zarar.

20 Ti-Saphire Lazerler ile üretilebilen fs lazerlerin kullanım alanları
Paslanmaz çelikte 10 µm çapında delikler. Plastik medikal alet üzerine açılmış delik (~80um) ve lazerle kaynak edilmiş ameliyat bileşeni Nöron büyümesi (730 nm) Hücre çekirdeği (850 nm) Büyüyen polen (930 nm)

21 X-ışını lazerler X-ışını lazerler, lazerle oluşturulan yüksek yoğunluklu plazmalar kullanılarak üretilir. Dalga boyları 35 Å ile 400 Å arasında değişim gösterir. Hedef Ekseni OAP Döner ayna Pinhole kamera ÜRETİM ÇEŞİTLERİ 1. Tekrar-birleşme ile pompalanan 2. Çarpışma ile pompalanan Yarı kararlı durum (QSS) pompalaması Çok kademeli atımlı pompalama Geçici pompalama Optik alan iyonlaşma (OFI) pompalaması Kılcal tüpte deşarj HEDEF OAS Uzaysal çözücü eksenel spektrometre Kristal spektrometre CCD CCD

22 X-ışını lazerlerin uygulama alanları
LİTOGRAFİ PLAZMA İNCELEME 0.25 μm yapılar 0.2 μm yapılar GÖRÜNTÜLEME MİKROSKOBUNDA X-ray mikroskobu ile elde edilen kök sperm hücresi

23 Fiber Lazerler Fiber Lazerler, halen yoğun bir şekilde kullanılmakta olan CO2 ve Nd-YAG malzeme işleme lazerlerine etkin bir alternatif oluşturmaktadır. Dalga boyu aralığı, güvenilirlik, yoğunluk, verim ve benzersiz performans parametreleri nedeniyle lazer teknolojilerinde geniş bir alanda uygulanabilir ve kullanılabilir olmaya adaydır. Yeni üretilen fiber lazerlerinin gücü 20W’a kadar ulaşmıştır. Lazer başlığının, deflector (saptırma) biriminin ve tedarik biriminin boyutlarının küçüklüğü, küçük makinelerin entegrasyonunu ve çizgilerin üretimini kolaylaştırır. Markalama kalitesi ve pek çok sayıdaki uygulama için daha kısa süre sağlayan, yüksek seviyede frekans kararlılığı ve mükemmel ışın kalitesine sahiptir. Tüm malzemelerim markalanmasında kullanılabilir. saat diyot ömrü Az yer kaplar Yüksek verim CO2 - 10%, Nd-YAG - 2%, Fiber - 25% Katı-hal lazer teknolojisi Fiber optik dağıtıcı ile korunan yüksek kalitede ışın

24 Fiber Lazerler Fiber Lazerlerin tercih edildiği malzeme işleme yöntemleri Kesme (Cutting) Yazı kazıma (Etching) Kaynak (Welding) Hibrit Kaynak (Hybrid welding)

25 Yarı-İletken Diyot Lazerler
Yarı iletken lazerlerdir ve p-n ekleminden (p-n junction) elektrik akımı geçirilmesi ile elde edilen bir aktif ortama sahiptir. Yarı-iletken diyotlar önemli elektronik parçalardır. Yaklaşık 0.5 W gücündeki yarı iletken diyotlar, Telekomünikasyonda kolay monte edilebilir olması ve fiber optik iletişim ile kolaylıkla etkileşebilen ışık kaynakları olduğundan dolayı tercih edilirler. Rangefinder gibi ölçü aletelerinde, Barkot okuyucularda kullanılır. Görülebilir lazerler özellikle kırmızı ve yeşil lazer pointer olarak kullanılır. CD çalıcı, CD-ROMS ve DVD teknolojilerinde kızıl-altı ve kırmızı lazer diyotlar kullanılır. Mavi lazerler, HD-DVD ve Blu-Işın teknolojilerinde kullanılır. Yüksek güçlü lazer diyotlar (yaklaşık 100 W ile 2 kW arasında), ısıtma, kaplama, dikiş kaynak gibi endüstriyel uygulamalarda geniş olarak kullanılır. Yüksek hız ve düşük maliyet nedeniyle tercih edilirler.

26 ARAŞTIRMA ve UYGULAMA MERKEZİ
KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ LAZER TEKNOLOJİLERİ ARAŞTIRMA ve UYGULAMA MERKEZİ

27 Latarum Disiplinler Arası iş birliği Fizik Grubu
Elektronik haberleşme Grubu Makina Grubu

28 LATARUM’da kullanılan ve kullanımı tasarlanan lazerler
Nd-YAG lazer (ms) Nd-YAG Lazer (ns) X-Işını Lazer

29 LATARUM’da halen kullanılan 1. lazer :
JK760TR GSI LUMONICS Nd: YAG LAZER  Dalga Boyu: 1064 nm Ortalama Güç: 600 W Atım Enerjisi: J – 100 J Atım Süresi: 0.5 ms – 20 ms Atım Tekrarlama Oranı: 5 Hz – 500 Hz Lazer Kafasının x-y-z Doğrultusunda Hareket Hızı : ≤50 mm/s Lazer, fiber kablo aracılığıyla çalışılacak örnek üzerine taşınmaktadır.

30 JK760TR GSI LUMONICS Nd: YAG LAZER

31 KOÜ-LATARUM Nd: YAG Lazerle malzeme işleme

32 LATARUM’da halen kullanılan 2. lazer :
CONTINUUM SURELITE Nd: YAG LAZER Dalga Boyu : 1064 nm Atım Enerjisi: 850 mJ Atım Süresi: 6 ns Atım Tekrarlama Oranı: 10 Hz I. Harmonic : Dalga boyu: 532 nm Atım Enerjisi: 425 mJ II. Harmonic: Dalga boyu: 355 nm Atım enerjisi: 225 mJ

33 SURELITE CONTINUUM Nd: YAG LAZER

34 Lazer ile hedef etkileşiminde ortamı incelemek üzere LATARUM’da üretilen aletler
Kristal Spektrometre Görünür bölge spektrometresi Pinhole kamera

35 Yararlanılan Kaynaklar
W.T.Silfvast,Laser Fundamentals, Chambridge University Press, 1996. R. C. Elton, X-ray Lasers, 1990 Laser Institute of America web page