Optik Elemanlar Ġçin Malzeme Seçimi

Belirlenen optik sitem gereksinimlerini sağlamak üzere tasarlanacak olan lazer spot takip sistemi kubbe, filtre ve lens optik elemanlarından oluĢacaktır. Optik tasarıma baĢlanmadan önce belirlenen optik gereksinimler dikkate alınarak kubbe, filtre alttaĢı ve lens malzemelerinin seçilmesi gerekmektedir.

Optik elemanlar için malzeme seçimi yapılırken dikkate alınması gereken özellikler malzemenin optik, mekanik ve kimyasal özellikleridir. Bunlara ek olarak seçilen malzemenin kullanılabilirliği ve maliyeti de maliyet etkin bir tasarım elde edilebilmesi için malzeme seçimi aĢamasında dikkate alınması gereken diğer iki önemli parametredir.

49

Optik Özellikler: Tasarlanacak olan sistem tek dalgaboyunda çalıĢacağı için seçilecek optik eleman malzemesinin dikkate alınması gereken en önemli optik özellikleri malzemenin ilgili dalgaboyundaki kırma indisi ve geçirgenliğidir. Kırma indisi değerleri üretici firmaların kataloglarında benzer Ģekilde verilirken, geçirgenlik değerleri bazı kataloglarda iç geçirgenlik olarak bazı kataloglarda toplam geçirgenlik olarak verilmektedir. Ġç geçirgenlik malzeme yüzeyinin iki tarafındaki ortamların kırma indislerinden bağımsızdır ve yalnızca malzeme içerisindeki geçirgenliği tanımlar (Daniels 2010). Toplam geçirgenlik (veya dıĢ geçirgenlik) ise yüzeylerin iki tarafındaki ortamların kırma indislerine bağlıdır ve belirli bir kalınlıktaki örneğin ölçümünden elde edilen geçirgenliği tanımlar. Ġç geçirgenlik değeri tamamen malzemenin kimyasal yapısına bağlıdır ve değiĢtirilemez; ancak toplam geçirgenlik değeri yansıma önleyici kaplamalar kullanılarak artırılabilmektedir. ÇalıĢma kapsamında kubbe malzemesi seçimi aĢamasında toplam geçirgenlik; filtre alttaĢı ve lens malzemesi seçimi aĢamasında iç geçirgenlik verileri dikkate alınacaktır. Sistemin algılama mesafesi gereksiniminin sağlanabilmesi için seçilen malzemenin ilgili dalgaboyundaki geçirgenliğinin mümkün oldukça yüksek olması gerekir.

Mekanik Özellikler: Optik elemanların malzemeleri seçilirken dikkate alınması gereken temel mekanik özellikler ısıl genleĢme katsayısı, özkütle ve sertliktir. Optik malzemenin sıcaklık değiĢimleri altında zarar görmemesi için optik malzeme ve optik malzeme ile etkileĢimde olan mekanik malzemenin uyumlu Ģekilde genleĢmesi veya daralması gerekir. Bu uyum malzemelerin ısıl genleĢme katsayıları dikkate alınarak sağlanabilir. Lazer spot takip sisteminde optik elemanlar ile etkileĢimde olacak mekanik parçaların malzemesi ısıl genleĢme katsayısı 23.6x10^-6/Cº olan alüminyum olacaktır.

Optik eleman malzemelerinin genleĢme katsayıları alüminyuma göre daha küçüktür ve aynı değere sahip malzeme bulmak mümkün değildir. Bu nedenle seçilen malzemelerin ısıl genleĢme katsayısının alüminyum ile olabildiğince benzer olması gerekmektedir.

Bir diğer mekanik özellik seçilen malzemenin ağırlığını belirleyecek olan özkütledir.

Havacılık uygulamalarında ağırlık oldukça önemli bir parametredir ve olabildiğince az olması amaçlanır. Bu nedenle seçilen malzemenin özkütlesinin mümkün oldukça az olması gerekmektedir. Malzeme seçiminde dikkate alınması gereken bir diğer mekanik özellik malzemenin sertliğidir. Sertlik, malzemenin zorlu dıĢ dünya koĢullarına

50

dayanıklılığını ifade etmektedir. Malzeme ne kadar sert ise çizilmeye ve dıĢ dünya koĢullarına dayanıklılığı da o kadar fazla olacaktır. Ancak malzemenin sertliği arttıkça yüzeye Ģekil vermek zorlaĢmakta ve bu da maliyeti artırmaktadır. Bu nedenle malzeme sertliği dikkate alınırken malzemenin çok sert veya çok yumuĢak olmasından kaçınılmalıdır.

Kimyasal Özellikler: Lens malzemelerinin kırma indisi, geçirgenlik gibi özelliklerini kimyasal bileĢimleri, üretim iĢlemleri ve yüzey bitirme iĢlemleri belirler (Fischer 2008).

Malzemelerin çevresel ve kimyasal etkilere karĢı dayanıklılığı dört temel parametre ile verilir. Bunlar iklimsel dayanıklılık (CR), leke dayanıklılığı (FR), asit dayanıklılığı (SR), alkali dayanıklılığı (AR) ve fosfat dayanıklılığıdır (PR) (Anonymous 2019).

Ġklimsel dayanıklılık, alkali dayanıklılığı ve fosfat dayanıklılığı 1-4 arasında, leke dayanıklılığı 0-5 arasında tam sayı değerler alır ve değer arttıkça malzemenin dayanıklılığı azalır. Asit dayanıklılığı x 1-5 arasında, y 51-53 arasında tam sayı olmak üzere x veya y.x formatında verilir ve her iki parametre için de diğer özelliklere benzer Ģekilde değer arttıkça dayanıklılık azalır (Anonymous 2019). Bu parametreler dıĢ dünya ile etkileĢimde olmayan optik elemanlar için önemli değilmiĢ gibi gözükse de hassas malzemeler optik elemanların temizlenmesi sırasında kullanılan kimyasallardan ve hatta saklama koĢullarından bile etkilenebilmektedir. Bu parametreler yalnızca Schott firmasının kataloglarında düzenli olarak verilmektedir. Bu nedenle malzeme seçimi yapılırken Schott firmasından seçilmeyen malzemelerin kimyasal özellikleri literatür taramasından elde edilen dayanıklılık verileri dikkate alınarak yüksek, normal ve düĢük olarak sınıflandırılacaktır.

Kullanılabilirlik: Optik eleman malzemeleri kullanılabilirlik açısından değerlendirildiğinde tercih edilen, standart ve talep üzerine üretilen malzemeler olmak üzere üç gruba ayrılır (Fischer 2008). Tercih edilen malzemeler yaygın olarak kullanılan ve üretici firmaların stoklarında her zaman bulundurduğu malzemelerdir. Standart malzemeler üretici firmalar tarafından stoklarda genellikle bulundurulan ve hızlı teslimat yapılabilen malzemelerdir. Talep üzerine üretilen malzemeler ise üretici firmaların stoklarında bulunmayan ve yalnızca talep edildiğinde üretilen malzemelerdir.

51

Maliyet: Optik eleman malzemesi seçilirken dikkate alınması gereken bir diğer önemli parametre de maliyettir. Seçilen malzemenin maliyetini kullanılabilirliği ve üretim aĢamasındaki süreçleri belirler. Malzemenin kullanılabilirlik seviyesi ne kadar az ise veya üretim aĢaması ne kadar zor ise maliyeti o kadar yüksek olacaktır. Örneğin, malzemenin sertliği yüksekse malzemeye Ģekil vermek zorlaĢacak maliyet artacaktır.

Benzer Ģekilde malzemenin kimyasal özellikleri üretim sırasında kullanılan yardımcı malzemelerin üretilen malzemeye özel olmasını gerektirebilmekte ve bu da maliyeti artırabilmektedir. OpticStudio veri tabanında malzemelerin maliyet değerleri yaygın olarak kullanılan N-BK7 malzemesinin maliyetinin katları olarak verilir (Anonymous 2018).

4.3.1 Kubbe malzemesi seçimi

Kubbe, sistemin dıĢ dünya ile etkileĢimde olan ve sistemi dıĢ etkilerden koruyan geçirgen optik elemandır. Tasarımı yapılacak olan lazer spot takip sisteminde kullanılacak kubbe malzemesinin seçim sürecinde optik, mekanik ve kimyasal özelliklerin dikkate alınması gerekmektedir. Bunlara ek olarak düĢük maliyetli bir sistem tasarlanabilmesi için kullanılabilirlik ve maliyet özelliklerinin de dikkate alınması oldukça önemlidir. Kubbe malzemesi seçim sürecinde malzemeler aĢağıda verilen gereksinimlere göre değerlendirilmiĢtir:

 Belirlenen algılama mesafesi gereksiniminin sağlanabilmesi için seçilen kubbe malzemesinin 1064nm dalgaboyundaki geçirgenliğinin mümkün oldukça yüksek olması gerekmektedir. Yansıma önleyici kaplamalar kullanılarak geçirgenliğin artırılabileceği de dikkate alınmalıdır.

 Kubbenin sıcaklık değiĢimleri altında zarar görmemesi için termal genleĢme katsayısının alüminyum malzemesi ile mümkün oldukça benzer olması gerekmektedir.

52

 Kubbenin hafif olması için seçilen malzemenin özkütlesinin düĢük olması gerekmektedir.

 Kubbenin çizilme gibi dıĢ etkilere karĢı dayanıklı ve aynı zamanda düĢük maliyetli olması için sertliğinin ortalama bir değer olması gerekmektedir.

 Kubbenin dıĢ dünya koĢullarına maruz kaldığında ve temizlik süreçlerinde zarar görmemesi için kimyasal dayanıklılığının yüksek olması gerekmektedir.

 Maliyet etkin bir tasarım elde etmek için seçilen malzemenin maliyetinin düĢük olması gerekmektedir.

Lazer spot takip sistemlerinde kubbe malzemesi olarak genellikle Safir, Pyrex ve Boroflat 33 malzemeleri kullanılmaktadır. Bu malzemelerin optik özellikleri, mekanik özellikleri, kimyasal özellikleri ve maliyetleri çizelge 4.3’te verilmiĢtir ( Anonymous 2004, Anonymous 2013a, Anonymous 2013b). Çizelge 4.3’te verilen özellikler dikkate alındığında en yüksek termal genleĢme katsayısının Safir malzemesine ait olduğu görülmektedir; ancak Safir malzemesinin maliyeti diğer iki malzemeye göre çok yüksektir ve sistemin düĢük maliyetli olması gereksinimini sağlamamaktadır. Benzer Ģekilde Pyrex ve Boroflat 33 malzemelerinin tüm özellikleri neredeyse aynı olmasına karĢın Boroflat 33 malzemesinin maliyetinin Pyrex malzemesinden yüksek olduğu görülmektedir. Ancak günümüzde Pyrex malzemesi üretici firma tarafından üretilmemekte; lens üreten firmalar bu malzemenin mevcut stoklarını kullanmaktadır.

Dolayısıyla stoklar bittiğinde malzeme artık tedarik edilemeyen bir lens malzemesi haline gelecektir. Bu nedenle düĢük kırma indisine, yüksek geçirgenliğe, düĢük özkütleye, ortalama sertliğe, iyi kimyasal özelliklere ve normal maliyete sahip olan Boroflat 33 malzemesi kubbe malzemesi olarak seçilmiĢtir. Yüzeylerine yansıma önleyici optik kaplama uygulanmamıĢ Boroflat 33 malzemesinin dalgaboyuna karĢı geçirgenlik grafiği Ģekil 4.6’da verilmiĢtir.

Çizelge 4.3 Kullanılabilir kubbe malzemelerinin optik, mekanik, kimyasal özellikleri ve maliyet bilgileri

53

ġekil 4.6 Yüzeylerine yansıma önleyici optik kaplama uygulanmamıĢ Boroflat 33 malzemesinin dalgaboyuna karĢı geçirgenlik grafiği (Anonymous 2013b)

4.3.2 Dar bant geçirgen filtre alttaĢ malzemesi seçimi

Dar bant geçirgen filtre, optik sistemin performansını artırmak için dedektöre yalnızca 1064nm dalgaboyundaki ıĢınların iletilmesini ve elektromanyetik spektrumun dedektörün duyarlı olduğu diğer bölgelerine ait ıĢınların engellenmesini sağlayan optik elemandır. ġekil 4.5’te sistemde kullanılmak üzere seçilen dedektörün 400-1100nm dalgaboyu aralığındaki tepkisellik grafiği verilmiĢtir. Grafikten de görülebileceği gibi dedektör 400-1100nm dalgaboyu aralığına duyarlıdır ve sinyal/gürültü oranının azaltılarak sistem performansının artırılması için 1064nm dıĢındaki dalgaboyu aralığının dar bant geçirgen filtre ile engellenmesi gerekmektedir.

Dar bant geçirgen filtreler seçilen bir alttaĢın üzerine çok katmanlı dielektrik optik kaplama yapılarak oluĢturulur. AlttaĢ malzemesinin iç geçirgenliği malzeme seçiminde dikkate alınması gereken en önemli özelliktir. AlttaĢ malzemesinin geçirgenlik özellikleri uygun Ģekilde seçildiğinde optik kaplamanın tasarım zorluğu ve maliyeti azalmakta, verimi artmaktadır. Lazer spot takip sisteminde kullanılacak filtrenin alttaĢı seçilirken dedektörün duyarlı olduğu 400-1100nm dalgaboyu aralığının olabildiğince geniĢ bir kısmını engelleyen ancak 1064nm dalgaboyunda yüksek geçirgenliğe sahip

54

olan bir alttaĢ malzemesi seçilmelidir. Bu tip alttaĢ malzemeleri filtre camları olarak isimlendirilir. AlttaĢın üzerine dielektrik kaplama yapılacağı için alttaĢın diğer optik özellikleri alttaĢ seçimi seviyesinde dikkate alınmayacaktır.

Tasarımı yapılacak olan lazer spot takip sisteminde kullanılacak filtre alttaĢ malzemesini seçmek amacıyla filtre camı malzemesi üreten Schott firmasının filtre camı katalogları incelenmiĢtir. Schott firmasına ait filtre camları ve iç geçirgenlik eğrileri Ģekil 4.7’de verilmiĢtir. Grafikten de görülebileceği gibi 1064nm dalgaboyunda yüksek geçirgenliğe sahip olan filtre camları RG780, RG830 ve RG850’dir. Bu üç malzemenin optik, mekanik ve kimyasal özellikleri maliyet bilgisi ile birlikte çizelge 4.4’te verilmiĢtir. Çizelgedeki değerler incelendiğinde malzemelerin geçirgenlik dıĢındaki tüm parametrelerinin neredeyse aynı olduğu görülmektedir. Bu nedenle üç malzeme 400-1100nm dalgaboyu aralığındaki geçirgenliklerine göre değerlendirilmiĢtir. Bu değerlendirme yapıldığında RG850 malzemesinin geçirgenliğinin yaklaĢık 750nm dalgaboyunda baĢladığı ve 400nm-750nm dalgaboyu aralığını kendiliğinden engellediği görülmektedir. RG780 ve RG830 malzemeleri ise sırasıyla 650nm ve 400nm-730nm dalgaboyu aralıklarını engellemektedir. Bu özellikler dikkate alınarak RG850 malzemesi dar bant geçirgen filtre alttaĢ malzemesi olarak seçilmiĢtir.

ġekil 4.7 Schott firmasına ait filtre camlarının iç geçirgenlik eğrileri (Anonymous 2013c)

55

Çizelge 4.4 Dar bant geçirgen filtre alttaĢ malzemelerinin optik, mekanik, kimyasal özellikleri ve maliyet bilgileri (Anonymous 2013c)

Malzeme n1064 T1060

Lazer spot takip sisteminde kullanılan lens, sisteme ulaĢan 1064nm dalgaboyundaki lazer ıĢınlarını kırarak dedektör üzerinde uygun boyutta lazer spotu oluĢturulmasını sağlayan optik elemandır. Tasarımı yapılacak olan lazer spot takip sisteminde kullanılacak lens malzemesinin seçim sürecinde optik, mekanik ve kimyasal özelliklerin dikkate alınması gerekmektedir. Bunlara ek olarak kullanılabilirlik ve maliyet özelliklerinin de dikkate alınması düĢük maliyetli bir sistem tasarlanabilmesi için oldukça önemlidir. Lens malzemesi seçim sürecinde malzemeler aĢağıda verilen gereksinimlere göre değerlendirilmiĢtir:

 Tasarımı yapılacak lazer spot takip sisteminde tek lens kullanılacağı için seçilen malzemenin kırma indisinin mümkün oldukça yüksek olması gerekmektedir.

 Belirlenen algılama mesafesi gereksiniminin sağlanabilmesi için seçilen lens malzemesinin 1064nm dalgaboyundaki iç geçirgenliğinin mümkün oldukça yüksek olması gerekmektedir.

 Lensin sıcaklık değiĢimleri altında zarar görmemesi için termal genleĢme katsayısının alüminyum malzemesi ile mümkün oldukça benzer olması gerekmektedir.

 Lensin hafif olması için seçilen malzemenin özkütlesinin düĢük olması gerekmektedir.

 Lensin çizilme gibi dıĢ etkilere karĢı dayanıklı ve aynı zamanda düĢük maliyetli olması için sertliğinin ortalama bir değer olması gerekmektedir.

 Lensin sıcaklık değiĢimlerinde ve temizlik süreçlerinde zarar görmemesi için kimyasal özelliklerine karĢılık gelen değerlerin mümkün oldukça düĢük olması gerekmektedir.

56

 Maliyet etkin bir tasarım elde etmek için seçilen malzemenin tercih edilen ve düĢük maliyetli olması gerekmektedir.

Tüm bu gereksinimler dikkate alınarak tasarımı yapılacak olan lazer spot takip sisteminde kullanılacak lens malzemesini seçmek amacıyla lens malzemesi üreten Schott firmasının katalogları ve firmanın OpticStudio’daki veri tabanı incelenmiĢtir.

Ġncelemeler yapılırken öncelikle kullanılabilir lens malzemeleri belirlenmiĢtir.

Belirlenen malzemelerin kırma indisleri dikkate alınarak 1064nm dalgaboyundaki kırma indisi en yüksek olan 10 malzeme seçilmiĢtir. Seçilen malzemelerin optik özellikleri, mekanik özellikleri, kimyasal özellikleri ve N-BK7 referans malzemesine göre maliyetleri çizelge 4.5’te verilmiĢtir. Çizelge 4.5’te verilen özellikler dikkate alındığında yüksek kırma indisine, yüksek geçirgenliğe, yüksek genleĢme katsayısına, düĢük özkütleye, ortalama sertliğe, çok iyi kimyasal özelliklere ve düĢük maliyete sahip olan N-SF57 malzemesi lens malzemesi olarak seçilmiĢtir.

Çizelge 4.5 Kullanılabilir lens malzemelerinin optik, mekanik, kimyasal özellikleri ve maliyet bilgileri (Anonymous 2017)

Dedektör ve optik eleman malzemeleri seçildikten sonra optik sistem gereksinimleri de dikkate alınarak sistemin sahip olması gereken optik açıklık çapının belirlenmesi amacıyla radyometrik hesaplamaların yapılması gerekmektedir. Radyometrik hesaplamalar hedef üzerindeki güç yoğunluğunun, hedef tarafından toplanan ıĢımanın,