Laser-Hedef Etkileşmesi

Laser-hedef etkileşiminin, ilk aşamasında laser demeti hedef yüzeyi üzerine odaklanır. Ablasyon lazer pulslarının hedef malzeme ile ilk etkileşimi, hedef malzemenin özelliklerine ve ablasyon lazer pulslarına bağlıdır.

İdeal bir hedef:

 Laser pulsunun ilk kısmının hızlı bir şekilde hedef yüzeyin altına ulaşması için, ablate edici laser dalgaboylarını soğurucu özellikte olmalıdır.

 Sınırlı bir alan içerisinde enerji soğurulumunu sağlamak amacıyla, laser dalga boyu için kısa soğurma derinliğine sahip olmalıdır.

 Ablate edici lazer pulsundan enerji sağlamak için düşük bir termal iletime sahip olmalıdır.

Lazer-hedef etkileşimleri püskürtme terimi ile açıklanabilir. Termal püskürtme sırasında hedefin yüzey sıcaklığı, tipik olarak ablasyon yapılan malzemenin kaynama noktasının üzerindedir. Yüksek akı yoğunluğunda ve kısa bir tek laser pulsu pulssüresince, hedefteki bütün elementler buharlaşma sıcaklığına kadar hızla ısıtılır. Daha sonra, malzemeler hedef yüzeyden ayrıştırılır ve hedefte olduğu gibi stokiyometrik olarak ablasyon edilir. Tipik olarak, laser-hedef etkileşimleri nanaosaniyeler içerisinde meydana gelirken, arka plan gaz basıncı içerisinde demet genişlemesi mikro saniye seviyesinde gerçekleşir. Laser-hedef etkileşim süreci Şekil 2.19 da şematik olarak ifade edilmektedir.

Şekil 2. 19. Laser-hedef etkileşimi

A) Laser puls, hedefe vurur. B) Hedef yüzey erimeye başlar. C) Laser puls devam edip sıcaklık belirli bir seviyeye yükselince, ısı hedef malzeme içinde derine doğru yayılır ve malzeme buharlaşmaya başlar. Bu ilk aşamada, çıkarılan malzeme hala nispeten saydamdır ve lazer puls hedef yüzeyi ısıtmaya devam eder. D) Laser puls devam ettikçe ve yüzey sıcaklığı maksimum düzeye çıktıkça, hedef alandan daha fazla malzeme püskürtülür. Çıkarılan malzeme, lazer pulsların enerjisini doğrudan soğurabilecek yoğunluktadır. Böylece, laser pulsların enerjisi plazma içerisine girmek için soğurulur ve çıkarılan malzeme iyonize edilerek bir demet gibi hedef yüzeyden uzağa doğru genişler.

Laser ışını, hedef yüzeyden tarafından soğurulduğunda, malzemelerin yüzey sıcaklığındaki artış; malzemenin optik yayınım derinliğine, hedefin ısı iletkenliğine ve fotonların sağlandığı hıza bağlıdır. Lazer pulsları hedefi ışınlamaya devam ederken, eriyen yüzey tabaka buharlaşır. Hedef malzemenin tüm bileşenlerinin aynı anda etkili bir şekilde salındığı uyumlu buharlaşma sağlanır. Laser enerjisi, 5 ns gibi kısa bir süre boyunca yüzeye uygulandığı için ve laser puls süresi içerisinde çok yüksek sıcaklıklara ulaşılma ile yapıda bulunan bütün numunelerin buharlaşma ısılarının üzerinde bir sıcaklık değerine hızla çıkıldığı için, bütün numuneler aynı anda çıkarılır ve çıkarılan malzemenin depozit edilmesinden sonra ekde edilen ince film hedef malzemenin ile aynı stokiyometride olması sağlanır.

Lazer demeti katı bir yüzey tarafından soğurulduğunda, elektromanyetik enerji, buharlaşma ve plazma oluşumuna neden olmak için kimyasal, mekanik ve termal enerjinin yanı sıra elektronik uyarım gerçekleşir ve bir çok durumda bir laser pulsu içerisinde iyonlaşma süreci tamamlanmış olur. Hedefin ablasyon edilmesi sonucunda, enerjik atomlar, elektronlar, iyonlar ve moleküllerden oluşan bir plazma demeti oluşur. Laser tarafından ablate edilmiş türlerin ortalama kinetik enerjileri, tipik olarak 100-1000 kT aralığında değişmektedir. Belirli bir lazer akı eşiğinin üstünde, bu etki, malzemenin içindeki atomların ısınmasına yol açar ve malzeme çıkışını sağlar. Hedef, laser enerjisi tarafından daha fazla enerji soğururken, enerji etkileşimi hedef malzemenin çıkış hızını arttırmaya zorlar ve plazma demeti oluşur.

Laser spotun boyutu demetin biçimini etkilemektedir; geniş laser spotu hedef yüzeye çoğunlukla dik yönlenen demet oluşumuna sebep olurken, küçük laser spotu hedef yüzeye paralel yönde daha fazla genişleyen demet oluşmasını sağlar. Şekil 2.20, hedef yüzeye paralel ve dik yönlerde hedef yüzeyinden farklı mesafelerde demet bileşenlerinin nispi hızlarının bir vektör temsilini içermektedir (May-Smith, 2005).

Laser akısı, demetin başlangıç özelliklerini ve dolayısıyla demetin genişlemeye devam etmesinde kritik öneme sahiptir. Daha büyük bir gerilme hızına sahip demet, laser akısındaki artış ile sağlanabilmektedir. Artan laser akısı, hedefte daha yüksek maksimum yüzey sıcaklığına, büyük krater oluşumuna, yüksek sıcaklıkta demet üretimine ve yüksek iyonlaşma kesimine neden olmaktadır. J/cm2 _{biriminde laser akısı} kullanıldığında, plazma 10.000 K' ni aşan sıcaklıklara ulaşabilmektedir. Tipik PLD plazma demeti için, 10.000 K sıcaklığındaki plazmada iyonlaşma kesitinin %80 oranından daha yüksek olduğu tahmin edilmektedir (May-Smith, 2005; Margueritat, 2008).

2.4.1.1. Puls Laser Akı Parametresinin Hesabı

Laserin cinsi (nanosaniye, pikosaniye, femtosaniye laserler), dalgaboyu, laser spot çapı, laser akısı, laser-hedef malzeme arası etkileşimini ve ablasyon sürecini belirleyen önemli parametrelerdir. Bu tez çalışmasında ise, laser kaynağından çıkan pulslu laserin enerjisi mJ cinsinden ifade edilmektedir. Laser demetinin vurduğu noktada spot boyutuna bağlı olarak laser yoğunluğunun hesaplanması faydalı olacaktır. Laserin hedef malzeme üzerine odaklanması ile oluşturulan spot çapı,

(2.14) ile ifade edilmektedir. Burada, λ laser dalgaboyu, f lensin odak uzaklığı, d laser demetinin çapıdır.

Puls laser demetinin pik akısı; laser enerjisinin, laser demetinin hedef malzeme üzerinde etki ettiği alan ve puls genişliğinin çarpımına oranıdır ve

(2.15) denklemi ile ifade edilir. E, laser puls un taşıdığı enerjiyi, 𝜏puls laserin türüne bağlı olarak değişkenlik gösteren laser pulsun genişliğini tanımlamaktadır. Denklem (2.14) ve (2.15) kullanılması ile bu doktora tez çalışmasında kullanılan laser kaynağın türü, laser puls genişliği, laser puls enerjisi gibi parametrelere bağlı olarak laser pulsun akısı hesaplanmıştır.