• Sonuç bulunamadı

4. BENZETĠM MODELĠ

4.7 Çözümleme

Benzetim modelinin çözümlenmesi yapılan tanımlar ve sınır koĢulları içerisinde zamana bağlı nümerik öteleme ile gerçekleĢtirilmiĢ. Benzetim süresi 1500ms, çözüm adım süreleri yakınsamaya bağıl yazlım kontrolünde ve her 100ms de veri kaydedecek Ģekilde tanımlanmıĢtır (ġekil 4.11).

34

ġekil 4.11 Benzetim modeli çözümleme

35 BULGULAR

5.

Benzetim modeli ile deneysel çalıĢmalar birlikte yürütülmüĢ ve benzetim modeli, deneylerde kullanılan malzeme özellikleri ve üretim düzeneğine eĢdeğer tanımlar yapılarak modellenmiĢtir.

Benzetim modelinde, deneysel çalıĢmalarda kullanılan PMMA numunelerine benzer geometride 2 boyutlu eksen simetrisi özelliği ile tanımlanmıĢtır. Lazer ıĢının davranıĢı matematiksel fonksiyon olarak tanımlanmıĢ ve ısı transfer modülü içerisinde ısı kaynağı olarak tanımlanmıĢtır. Isı transfer modülü ile katı mekanik modülü bağlantılanarak zamana bağlı çözümleme yapılmıĢtır. Çözümleme sonucunda elde edilen mikrolens benzetimi (ġekil 5.1) deneysel çalıĢmalar sonuçları ile karĢılaĢtırılmıĢtır.

ġekil 5.1 COMSOL benzetim modeli: Mikrolens 3B görünümü (a), mikrolens kesit görüntüsü (b) (0.175mm PMMA 40mJ)

Deneysel çalıĢmalar sonucunda 30mm×30mm ebatlarında ve 0.175mm, 0.250mm, 0.375mm, 0.500mm ve 0.750mm kalınlığındaki PMMA numuneleri üzerinde lazerin güç modülasyonu ile çeĢitli boyutlarda mikrolensler elde edilerek mikrolens oluĢumu incelenmiĢtir. Uygun nitelikte mikrolenslerin belirlenmesi ile mikrolens üretimi aynı düzlem üzerinde art arta tekrarlanarak mikrolens dizileri üretilmiĢtir (ġekil 5.2).

a b

36

ġekil 5.2 Mikrolens (a) ve 5x5 mikrolens dizisi (b) (0.375mm PMMA 31W)

Deneysel üretim düzeneğinde IPG YLR-100-WC model, 1070nm sürekli dalgaboyuna sahip lazer ile Edmund Optics 67282 f50mm lens kullanılarak lazer ıĢını PMMA malzeme üzerine odaklanmıĢtır. Lazer ıĢının odak noktası, PMMA yüzeyinden 25±5μm derinlikte ve lazer ıĢının odak noktası çapı 60±10μm olarak ölçülmüĢtür.

Lazer gücü ve lazerin açık kalma süresi lazer tarafından PMMA’ya aktarılan enerjiyi belirlemektedir. Lazerin gücü düĢürüldüğünde ve açık kalma süresi uzatıldığında mikrolens dizisi üretim süresi ve ısı aktarımından kaynaklı mikrolens çapında artıĢa sebep olmaktadır. Lazerin açık kalma süresinin düĢük tutulduğu durumlarda ise açık kalma süresindeki değiĢkenlik mikrolens dizisi üretimine engel olacak kararsızlığa ulaĢmıĢtır. Lazerin açık kalma süresindeki sapma ortalama 133ms olarak gözlemlenmiĢtir. Isı transferinden etkilenen bölgeyi azaltmak ve lazerin açık kalma süresini uzun tutarak sapma oranını düĢürmek için bu deney düzeneğinde lazerin açık kama süresi 1500ms olarak belirlenmiĢtir. Deneysel ve benzetim çalıĢmalarında belirlenen bu süre sabit tutulmuĢ ve lazerin güç değeri değiĢtirilerek mikrolens oluĢumuna etkisi gözlemlenmiĢtir.

Deneysel üretim süreci lazer kaynağının en düĢük gücü olan 1W seviyesinden, 1W’lık artırmalar ile 100W seviyesine kadar yükseltilerek PMMA üzerindeki etkisi incelenmiĢtir. Dikey taramalı beyaz ıĢık interferometresi ile yapılan ölçümlerde, lazer gücü 22W ulaĢıncaya dek PMMA üzerinde kalıcı Ģekil değiĢikliği gözlenememiĢtir.

Lazer gücü 22W ve üzerine çıkartıldığı durumlarda PMMA üzerinde mikro Ģekil değiĢiklikleri saptanmıĢtır. Lazer gücü 22-26W arasında iken yüksekliği 1μm ve altında

a b

250µm 25µm

37

yükseltilere rastlanmıĢ ancak bu yükseltilerde kararlı mikrolens davranıĢı gözlenememiĢtir.

Lazer gücü 26-42W aralığında mikrolens oluĢumları gözlemlenmiĢtir. 42-47W aralığında lazer ile ĢiĢirilen bölgede mikro yapıların tepelerinde çökme ve diğer Ģekil bozukluklarına bağlı olarak lens davranıĢı göstermeyen lens benzeri yapılar oluĢmuĢtur.

47W’dan daha yüksek enerjilerde malzeme üzerinde çatlamalar ve delinmeler gözlenmiĢtir.

IĢık toplama küresi ile yapılan ölçümlerde, PMMA numunelerinin 1070nm lazer ıĢınını soğurma oranları, kalınlıkları 0.175mm, 0.250mm, 0.375mm, 0.500mm ve 0.750mm olan numuneler için sırasıyla %1.1×10-4, %1.52×10-4, %2.3×10-4, %2.96×10-4 ve %4.7×10-4 olarak ölçülmüĢtür. Yansıtma oranı her bir yüzey için yaklaĢık %4 ve toplamda %8 ölçülmüĢtür.

Odaklama lensi olan Edmund Optics 67282 üzerinde yansıtma ve soğurma olarak optik kayıp toplamda %15.83 oranında ölçülmüĢtür.

PMMA’nın ön yüzeyinden kaynaklanan %4 yansıtma, odaklama lensi üzerinde %15.83 olan kayıplar ve malzemenin soğurma oranları kullanılarak elde edilen soğurulan lazer enerjisi miktarları Çizelge 5.1 de verilmiĢtir.

Çizelge 5.1 PMMA kalınlıklarına göre soğurulan lazer enerjisi

Güç[W] Soğurulan Lazer Enerjisi [mJ]

0.175mm 0.250mm 0.375mm 0.500mm 0.750mm 26.00 34.32 47.42 71.76 92.35 146.64 27.90 36.83 50.89 77.00 99.10 157.36 28.40 37.49 51.80 78.38 100.88 160.18 29.50 38.94 53.81 81.42 104.78 166.38 30.70 40.52 56.00 84.73 109.05 173.15 31.80 41.98 58.00 87.77 112.95 179.35 32.90 43.43 60.01 90.80 116.86 185.56 34.10 45.01 62.20 94.12 121.12 192.32 35.20 46.46 64.20 97.15 125.03 198.53 36.30 47.92 66.21 100.19 128.94 204.73 37.50 49.50 68.40 103.50 133.20 211.50 38.70 51.08 70.59 106.81 137.46 218.27 39.90 52.67 72.78 110.12 141.72 225.04 41.00 54.12 74.78 113.16 145.63 231.24 42.20 55.70 76.97 116.47 149.89 238.01

38

Soğurulan lazer enerjileri ısı kaynağı olarak benzetim modelinde kullanıldığında, 0.175mm kalınlığındaki PMMA için 1500ms sonunda ve 34.32mJ soğurulan enerjide sıcaklık ortalama 56℃, maksimum 91℃ olmuĢtur. 55.70mJ soğurulan enerjide ise sıcaklık ortalama 78℃ ve maksimum sıcaklık 136℃ olarak gözlenmiĢtir (ġekil 5.3).

PMMA’nın kalıcı Ģekil değiĢtirme için en düĢük 80℃ ve cam geçiĢ sıcaklığı olan 90-100℃ ile modelde elde edilen sıcaklık değerleri uyumlu bir benzerlik göstermiĢtir.

ġekil 5.3 COMSOL benzetim modeli: soğurulan enerji - sıcaklık grafiği

Benzetim modelinden elde edilen ortalama sıcaklıklar, deneysel üretim düzeneğinde termal kamerayla ölçülen ortalama sıcaklıklar ile doğrulanmıĢtır (ġekil 5.4).

ġekil 5.4 Mikrolens üretim deney düzeneği termal kamera görüntüsü. (0.175mm PMMA, Plazer=28.4W)

20 40 60 80 100 120 140 160

30 35 40 45 50 55 60

Sıcaklık [℃]

Enerji [mJ]

Soğurulan Enerji - Sıcaklık

Ort. Sıcaklık Maks Sıcaklık

39

Benzetim modelimde soğurulan lazer enerjilerine karĢılık gelen sıcaklık dağılımları elde edilmiĢtir. ġekil 5.5’te 0.175mm kalınlığındaki PMMA ve 40mJ soğurulan lazer enerjisinin 0.1s, 0.4s, 1.2s, ve 1.5s deki sıcaklık dağılımları verilmiĢtir. Verilen sıcaklık dağılımı (Gauss dağılımı benzeri) lazer ıĢının geçtiği merkezde en yüksek kenarlara doğru azalan bir eğilimde ve zamana bağlı olarak PMMA’nın merkezinden kenarlarına yayılan bir biçimdedir.

ġekil 5.5 COMSOL benzetim modeli: zamana bağlı sıcaklık dağılımı. ( 0.175mm PMMA Plazer=30W ) 0.1s (a), 0.4s (b), 1.2s (c), 1.5s (d)

Sıcaklık dağılımlarının elde edilmesiyle bu sıcaklık dağılımlarına göre PMMA üzerinde kalıcı Ģekil değiĢtirme modellenmiĢtir. ġekil 5.6’da 0.175mm kalınlığında PMMA ve 40mJ lazer soğurulma enerjisi (Plazer=30W) sonucu zamana göre kalıcı Ģekil değiĢtirme verilmiĢtir.

a b

c d

40

ġekil 5.6 COMSOL benzetim modeli: zamana bağlı ĢiĢme miktarı. ( 0.175mm PMMA Plazer=30W ) 0.1s (a), 0.4s (b), 1.2s (c), 1.5s (d)

ġekil 5.6’da verilen 3-boyutlu gösterilen zamana bağlı kalıcı Ģekil değiĢtirme, kesit alan görüntüsü olarak ġekil 5.7’de verilmiĢtir.

ġekil 5.7 COMSOL benzetim modeli: zamana bağlı mikrolens ĢiĢme miktarı kesit görünümü. ( 0.175mm PMMA, Plazer=30W ) 0.1s (a), 0.4s (b), 1.2s (c), 1.5s (d)

a b

c d

a b

c d

41

Benzetim modelinde mikrolens oluĢumunun gözlendiği soğurulan lazer enerjisi aralığında, diğer kalınlıklardaki PMMA’lar için de ġekil 5.6 ve ġekil 5.7’de gösterilen mikrolens geliĢimine benzer sonuçlar elde edilmiĢtir.

Benzetim modelinde mikrolens geliĢimi lazer ıĢının Ģiddeti en yoğun olduğu merkez bölgesinden kenar bölgelere doğru yayıldığı gözlenmiĢtir. Lazer ıĢınına maruz kalan bölgede ĢiĢme miktarı, z eksenindeki yükselme, zamana bağlı yavaĢlayarak maksimum yüksekliğe ulaĢırken benzer bir davranıĢ yatay eksendeki geniĢlemede gözlenmiĢtir ancak yatay eksendeki ĢiĢme ısı iletimi ile doğru orantılı olarak devam etmektedir. ġekil 5.8’de 0.175mm kalınlıkta PMMA ve soğurulan lazer enerjisi 40mJ (Plazer=30W) olan benzetim modelinin sonucu, zamana bağlı mikrolens geliĢimi kesit görünümü ile verilmiĢtir.

ġekil 5.8 COMSOL benzetim modeli: zamana bağlı lens profilleri. (0.175mm PMMA, Plazer=30W)

Mikrolenslerin en fazla ĢiĢme miktarı olarak mikrolens tepe noktasının yüksekliği ölçüt alınmıĢtır. Üretilen mikrolenslerin yüzey profili, çapı ve tepe noktası yükseklikleri Bruker ContourGT dikey taramalı beyaz ıĢık interferometresi ile ölçülmüĢtür (ġekil 5.9).

Ölçüm kararlılığını artırmak için Ģeffaf olan PMMA, mikrolens üretimi sonrası mikrolenslerin bulunduğu yüzeyler aseton ile ağartılmıĢtır.

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

0 50 100 150 200 250

Z kseklik [µm]

Radyal Konum [µm]

Mikrolens Oluşum Süreci - Mikrolens Profili

0.1s 0.2s 0.3s 0.5s 0.7s 0.9s 1.2s 1.5s

42

ġekil 5.9 Mikrolens profil ölçümü ( 0.750mm PMMA, Plazer=33W)

Çizelge 5.1’de verilen her bir lazer gücü için bir satır boyunca 10 kez tekrarlanarak ve 15 farklı güç seviyesinde 10x15 adet mikrolensten oluĢan mikrolens dizileri üretilmiĢtir (ġekil 5.10). Bu Ģablonda üretilen mikrolens dizileri Çizelge 5.1’de verilen diğer kalınlıklardaki PMMA numuneleri için tekrarlanmıĢtır.

ġekil 5.10 Ölçüm amacıyla üretilen farklı boyutlarda mikrolensler içeren mikrolens dizilerinin Ģematik gösterimi

Çizelge 5.1’de verilen güç seviyeleri ve PMMA numune kalınlıkları için 10’ar adet üretilen her bir mikrolensin yüzey profili interferometre ile ölçülmüĢtür (ġekil 5.11).

0.25mm

0.25mm 26W

PMMA

27.9W

42.2W

43

ġekil 5.11 Mikrolens dizisi profil ölçümü ( 0.375mm PMMA Plazer=28.4W)

Yüzey profili ölçümlerinin sonuçları ile mikrolens üretiminin tekrarlanabilirliği ve standart sapma oranları tespit edilmiĢtir. Mikrolenslerin ortalama ĢiĢme miktarları, ortalama mikrolens çapları ve yüzey eğrilikleri bu ölçümler kullanılarak elde edilmiĢtir.

Mikrolenslerin oluĢturulduğu yüzey ile mikrolens tepe noktası arasındaki mesafe mikrolens yüksekliği Zmaks olarak adlandırılmıĢtır (ġekil 5.12).

ġekil 5.12 Mikrolens kesit görünümü

Yüzey profili ölçümleri sonuçlarına göre 26W lazer gücünde bütün kalınlıklar için ortalama ĢiĢme yüksekliği 1.4±0.1µm olmuĢtur. 42.2W lazer gücünde 0.175mm, 0.250mm, 0.375mm, 0.500m ve 0.750mm kalınlıklardaki PMMA’lar için sırasıyla 6.4µm, 9.2µm, 16.3µm, 22.1µm ve 32.4µm olarak ölçülmüĢtür. ġekil 5.13’te gösterilen grafiğe göre farklı kalınlıklardaki PMMA’nın lazer ile ĢiĢirilme davranıĢı benzer bir

44

eğilim göstermiĢtir. Lazer gücünün artırılması ile ĢiĢme miktarı artarak her kalınlık için kendi limit yüksekliklerinde doyuma ulaĢan bir davranıĢ göstermiĢtir. Lazer gücü 35-36W aralığına kadar ĢiĢme miktarında gözlemlenen eğilim bu noktadan sonra azalmıĢtır.

PMMA’nın bu davranıĢı ġekil 2.5’te verilen gerilim-gerinim grafiğinde gösterilen davranıĢ sergilenmiĢtir. Malzeme içerisindeki gerilim artması ile akma direncine kadar gösterilen gerinim, akma direnci noktasının geçilmesi ve kopma ile sonuçlanan bu davranıĢ mikrolens oluĢumunda termal gerilim ile sağlanarak, kopma yerine camsı geçiĢ noktası sonrası delinme ile sonuçlanmıĢtır.

ġekil 5.13 Lazer gücüne göre farklı kalınlıklarda ki PMMA’nın ĢiĢme yükseklikleri

Farklı kalınlıklardaki PMMA numuneleri, mikrolens oluĢumunda benzer bir davranıĢ göstermiĢtir. Aynı lazer gücü kullanılarak farklı kalınlıklarında oluĢturulan mikrolenslerin en fazla ĢiĢme yüksekliklerinin oranı ile PMMA kalınlıklarının oranının benzer olduğu gözlenmiĢtir (ġekil 5.14).

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0

25 30 35 40 45

Zmaks [um]

Lazer Gücü[W]

Lazer Gücü - Mikrolens Yüksekliği

0.175mm 0.250mm 0.375mm 0.500mm 0.750mm

45

ġekil 5.14 0.175mm kalınlığa normalize edilmiĢ lazer gücüne göre farklı kalınlıklardaki PMMA’nın ĢiĢme yükseklikleri

ġekil 5.14’te benzetim modeli ile deneysel sonuçlar karĢılaĢtırılmıĢtır. Benzetim modelinde elde edilen sonuçlar deneysel verileri takip eder nitelikte olmuĢtur. Sonuçlar arasında gözlemlenen ayrıĢma, mikrolens üretim sürecinde meydana gelen sapmalardan ve benzetim modeli için kullanılan deneysel verilerin uyumluluğundan kaynaklanmaktadır.

ġekil 5.15 Lazer gücüne göre mikrolens çapları

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

25 30 35 40 45

Zmaks [um]

Lazer Gücü [W]

Lazer Gücü - Mikrolens Yüksekliği

0.175mm 0.250mm Norm.

0.375mm Norm 0.500mm Norm.

0.750mm Norm.

COMSOL

75,0 125,0 175,0 225,0 275,0 325,0 375,0

25 30 35 40 45

Mikrolens Ça[um]

Lazer Gücü [W]

Lazer Gücü - Mikrolens Çapı

0.175mm 0.250mm 0.375mm 0.500mm 0.750mm COMSOL

46

Mikrolenslerin ĢiĢme miktarı ölçülürken mikrolens yüksekliğinin yanı sıra mikrolens çapları da ölçülerek benzetim modeli ile karĢılaĢtırılmıĢtır. Aynı lazer gücüne karĢılık gelen farklı kalınlıklardaki PMMA numuneleri için mikrolens çapı PMMA kalınlığından bağımsız bir Ģekilde lazer gücü ile doğru orantılı olduğu gözlemlenmiĢtir.

Lazer gücü 26W’tan 43W’a kadar artırıldığında çapı 149 µm’den 323µm’ye kadar değiĢen mikrolensler elde edilmiĢtir. ġekil 5.15’te benzetim modeli ile deneysel sonuçlar birlikte verilmiĢtir. ġekil 5.16’da 0.175mm kalınlığındaki PMMA numunesinin üzerinde lazer gücüne göre mikrolens ĢiĢme miktarları verilmiĢtir.

ġekil 5.16 Soğurulan lazer enerjisine göre ĢiĢme miktarlarının görüntüsü. 0.175mm PMMA için soldan sağa 30-36mJ (a), 37-43mJ (b), 45-51mJ (c), 52-59mJ (d)

Benzetim modelinde 0.175mm kalınlığındaki PMMA için elde edilen farklı soğurulan enerji miktarlarına göre mikrolenslerin yüzey eğrilikleri ġekil 5.17’te verilmiĢtir.

a

b

c

d

47

ġekil 5.17 Benzetim modeli mikrolens profilleri

ġekil 5.16’da gözlenen enerji artıĢına göre en fazla yükseklik ve mikrolens çapları ve ġekil 5.18’de 0.175mm PMMA numunesinden alınan yüzeysel eğrilik sonuçları ġekil 5.17’de benzetim modelini doğrular niteliktedir.

ġekil 5.18 Mikrolens lens profili ölçümleri

Deneysel çalıĢmalarda elde edilen lazer gücüne göre ortalama mikrolens çapları ve en fazla ĢiĢme yüksekliği sonuçları benzetim modeli ile uyumlu olmuĢtur. Ancak benzetim

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00

0 50 100 150 200

Z Maks [µm]

Radyal Konum [µm]

COMSOL 0.175mm PMMA Mikrolens Profilileri

37.49mJ 41.98mJ 46.46mJ 51.08mJ 55.70mJ

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00

0 50 100 150

Z Maks [µm]

Radyal Konum [µm]

0.175mm PMMA Mikrolens Profilileri

34.32 mJ 38.94 mJ 43.43 mJ 47.92 mJ 52.67 mJ

48

modeli ile deneysel çalıĢmalardan elde edilen yüzey eğriliği benzer nitelikte olmasına karĢın benzetim modelinde mikrolens dıĢ çap bölgesindeki yüzey eğriliğinde tutarsızlıklar gözlenmiĢtir.

ġekil 5.19 Mikrolens profili - benzetim modeli ve deneysel sonuçlar

Mikrolens üretim sürecinde odaklanmıĢ lazer ıĢını, mikrolensin oluĢumu sırasında ĢiĢme etkisi ile değiĢen yüzey geometrisinden dolayı tekrar odaklanır. Yeni odak noktası ve malzeme içerisindeki lazer ıĢının dağılımı anlık olarak yüzey geometrisine göre değiĢmektedir. Bu etkinin sonucu deneysel üretim sürecinde PMMA’dan geçen lazer ıĢının iz düĢümü, lazer güç ölçerin üzerinde gözlenmiĢtir (Ek 2).

ġekil 5.18’de 0.750mm PMMA için deneysel ve benzetim modeli sonuçlarında mikrolenslerin dıĢ çap bölgesinde gözlenen farkın sebebi mikrolens oluĢumunda, oluĢan mikrolens tarafından yapılan ikincil odaklamanın benzetim modelinde ihmal edilmesidir.

Mikrolens dizilerinin yüzey kalitesi, mikrolens dizisinin oluĢturulacağı PMMA numunelerinin yüzey düzgünlükleri interferometre ile ölçülmüĢ (ġekil 5.20) ve mikrolens üretimi sonrası tekrar ölçülerek mikrolens oluĢumunun yüzey düzgünlüğü üzerindeki etkisi incelenmiĢtir.

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00

0 50 100 150

Z Maks [µm]

Radyal Konum [µm]

0.750mm PMMA Mikrolens Profilileri

52.67mJ COMSOL 52.67mJ 55.70mJ COMSOL 55.70mJ

49

ġekil 5.20 PMMA yüzey pürüzlülüğü

Farklı kalınlıklarda 10’ar adet PMMA numunesi üzerinde yapılan ölçümlerde yüzey düzgünlük değeri (Ra) ortalama 0.055µm olarak ölçülmüĢtür. 26W lazer gücünde oluĢturulan mikrolenslerin ortalama düzgünlük değeri (Ra) 0.121µm olarak ölçülmüĢtür (ġekil 5.21).

ġekil 5.21 Mikrolens dizisi yüzey kalitesi

Mikrolenslerin ĢiĢme miktarı ile yüzey düzgünlük oranı arasında bir iliĢki tespit edilememiĢtir. Mikrolens oluĢumunun ardından yüzey düzgünlüğü değiĢimi 0.066µm olmuĢtur. Ortalama değiĢim oranı, lens davranıĢı gözlemlenen en küçük ĢiĢme miktarı

50

olan 1.5µm ile karĢılaĢtırıldığında %4.4 olan bu oran görüntüleme kalitesine etkisi oldukça düĢük miktardadır.

Optik baĢarım ölçümleri, görsel Ģablon oluĢturmak için kullanılan bilgisayar ekranı ile mikroskop objektifi takılmıĢ CCD kamera arasına 3 eksende hareket edebilen tezgah üzerinde bulunan mikrolens dizileri yerleĢtirilerek yapılmıĢtır. 3 eksenli tezgahın X ve Y eksenleri kullanılarak mikrolens dizisindeki her bir mikrolens, ölçüm esnasında optik eksene hizalanmıĢ ve z ekseni hareket ettirilerek odak noktası ayarlanmıĢtır.

Odak mesafesi ölçümleri CCD kameranın PMMA yüzeyine odaklanmasının ardından bilgisayar ekranındaki Ģablonun netleĢtirilene kadar mikrolens dizisinin hareket ettirilmesi ve aradaki hareket mesafesinin ölçülmesi ile gerçekleĢtirilmiĢtir.

ġekil 5.22 Mikrolens dizisi odak mesafesi ölçümü

Farklı kalınlıklardaki PMMA numunelerinin üzerinde Çizelge 5.1’de verilen lazer güçleri için 10’ar adet yan yana oluĢturulan mikrolenslerin odak mesafeleri ölçülerek ortalama odak mesafesi elde edilmiĢtir.

Odak mesafesi ölçümlerinin sonucunda 0.175mm kalınlığındaki PMMA numuneleri üzerinde üretilen mikrolenslerin odak mesafeleri 0.6mm ile 3.7mm aralığında bulunmuĢtur. DüĢük güç seviyelerinde oluĢan mikrolenslerin ĢiĢme miktarlarının düĢük

51

olmasından dolayı odak mesafesi 3.7mm’den baĢlayarak lazer gücünün artırılması ile ĢiĢme miktarı ve yüzey eğriliğinin arması sonucu 0.6mm’ye kadar düĢmüĢtür. Odak mesafesindeki kısalma eğilimi soğurulan lazer enerjisine göre lens profili değiĢimine benzer davranıĢ göstermiĢtir (ġekil 5.23). 0.175mm kalınlığında gözlenen lazer gücüne bağlı lens profili değiĢimi ve dolayısıyla odak mesafesi değiĢimi davranıĢı diğer kalınlıklardaki PMMA numunelerinde de gözlenmiĢtir.

ġekil 5.23 Soğurulan lazer enerjisine göre mikrolens odak mesafesi değiĢimi

Mikrolens dizilerinin görüntüleme baĢarımı odak mesafesi ölçümleri ile aynı Ģekilde yapılmıĢtır. Keskin köĢeli ve renkli Ģablonlar kullanılarak ıĢık Ģiddeti dağılımı ve bozulmalar incelenmiĢtir (ġekil 5.24). Kullanılan Ģablonlarda ıĢık Ģiddeti dağılımı ve Ģekil bozuklukları tespit edilememiĢtir ancak mikrolenslerin kenarlarında parlak halkalar gözlenmiĢtir.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45

Odak Mesafesi [mm]

Lazer Gücü [W]

Mikrolens Odak Mesafesi

0.175mm 0.250mm 0.375mm 0.500mm 0.750mm 0.175mm Z maks Polinom. (0.175mm Z maks)

52

ġekil 5.24 Mikrolens ve mikrolens dizilerinin görüntüleme baĢarımı

Mikrolenslerin görüntüleme baĢarımında çözünürlük ölçümü ġekil 5.25-a’da gösterilen USAF-1951 Ģablonu kullanılarak yapılmıĢtır. Çözünürlük 0.5-1.12 lp/mm aralığında ve ortalama 0.981 lp/mm olarak hesaplanmıĢtır.

ġekil 5.25 Mikrolens karĢıtlık (a) ve renk görüntüleme baĢarımı (b)

Lazer gücünün 41-43W aralığının üzerine çıkıldığı durumlarda genellikle mikrolenslerin tepe noktalarında içeri doğru krater benzeri çökmeler gözlenmiĢtir (ġekil

a b

53

5.26). Bu davranıĢ, lazer gücünün 46-48W aralığına kadar çökme miktarının artarak oluĢan kraterlerin derinleĢtiği tespit edilmiĢtir.

ġekil 5.26 Mikrolens oluĢumunda lens bozulmaları, deneysel (a), COMSOL (b) Lazer gücünün artırılmasından kaynaklanan mikrolens geometrisindeki bu bozulmalar çift odaklı görüntüleme dolayısıyla görüntülemede bozulmalara sebep olmaktadır. ġekil 5.27’de bu bozulmaların etkileri gösterilmiĢtir.

ġekil 5.27 Lens bozulmalarının görüntüleme üzerindeki etkisi

Lazer gücünün 46-48W aralığının da üzerinde olduğu durumlarda mikrolens tepelerindeki kraterlerin geniĢlemesi ve derinleĢmesi ile PMMA üzerinde düzensiz Ģekilli kraterler ve delinmeler gözlemlenmiĢtir (ġekil 5.28).

a b

n

54

ġekil 5.28 Mikrolens oluĢumunda lens bozulmaları

Lazer ile ĢiĢirme tekniği ile PMMA üzerinde mikrolens oluĢumu, soğurulan lazer enerjisi belirli bir eĢik değerine kadar malzeme üzerinde ĢiĢme ya da mikrolens niteliği taĢıyan Ģekil değiĢikliği olmamaktadır. Bu eĢik değeri ile soğurulan lazer enerjisi belirli bir üst sınıra kadar, soğurulan enerji ile doğru orantılı olarak mikrolens niteliği taĢıyan ĢiĢme gerçekleĢmektedir. Soğurulan lazer enerjisi ĢiĢme üst sınırı aĢtığında krater oluĢumundan delinme ile son bulan bir davranıĢ göstermektedir.

Soğurulan lazer enerjisi ile PMMA’nın ĢiĢme miktarı arasında standart sapma dahilinde gözlenen iliĢki dıĢında %1-2 oranında üretim hatalarına rastlanmıĢtır. Mikrolens üretimi sırasında karĢılaĢılan üretim hataları genellikle PMMA’nın delinmesine, daha az oranda ise PMMA’nın çatlaması, anormal ĢiĢme ya da beklenen miktardan daha az ĢiĢme olarak gözlemlenmiĢtir (ġekil 5.29).

55

ġekil 5.29 Mikrolens dizisi üretim hataları

PMMA’nın amorf bir yapıda olması kısmen ĢiĢme miktarı üzerindeki düzensizliklere sebep olsa da üretim hatalarının kaynağı olarak düĢünülmemektedir. DüĢük oranda ĢiĢme miktarları, PMMA’nın düĢük yoğunluklu bölgeleri olan malzeme içerisindeki boĢluklardan, delinme ya da anormal ĢiĢme ise malzeme içinde gaz (malzemenin üretimi sırasında bulunan atmosferik gazlar) ile dolu bölgelerin sebep olduğu düĢünülmektedir.

56 TARTIġMA VE SONUÇ

6.

Yapılan çalıĢmalarda polimer-lazer etkileĢim mekanizması incelenmiĢ, benzetim modeli oluĢturulmuĢ, çeĢitli özellik ve boyutlarda mikrolens dizileri üretilmiĢtir. Polimer malzeme ile mikrolens üretiminde mikrolens profili için belirleyici unsurlar olan soğurulan lazer ıĢığı miktarı, malzeme kalınlığı, malzeme içerisindeki enerji dağılımı ve lazerin uygulandığı süre arasındaki iliĢkiler incelenmiĢtir.

Deneysel çalıĢmalarda, mikrolens oluĢumu için kullanılan farklı kalınlıklardaki PMMA numuneleri için 26W lazer gücü eĢik değer olarak bulunmuĢ ve bu değerden düĢük enerjilerde kullanılabilinir kararlı mikrolens oluĢumu gözlenememiĢtir. Lazer gücünün 26W’tan 42.2W kadar olan aralıkta kullanıĢlı mikrolensler üretilmiĢ ve bu değerden daha yüksek güçlere çıkıldığında malzemede bozulmalar gözlenmiĢtir. Mikrolenslerin oluĢturuldukları yüzeye göre en fazla yükselti oranı, PMMA ĢiĢme miktarı, kullanılan PMMA kalınlığının %4.5’i olarak bulunmuĢtur ve bu oran malzeme üreticisi tarafından sağlanan en fazla uzama oranı ile örtüĢmüĢtür. PMMA ĢiĢme miktarı malzeme kalınlığı ile doğru orantılı ve çizgisel eğilimde olduğu gözlemlenmiĢtir. Üretilen mikrolenslerin ĢiĢme miktarı olan mikrolens tepe noktası ile malzeme yüzeyi arasındaki mesafe, malzeme kalınlığına göre 6.4μm ile 32.4μm arasında elde edilmiĢtir. PMMA tarafından soğurulan lazer ıĢını malzeme içerisindeki enerji dağılımını dolayısı ile mikrolens çapını ve yüzey eğriliğini belirlemektedir. Eğrilik yarıçapı en fazla olan mikrolensler PMMA yüzeyinin 25±5μm derinliğine odaklanan lazer ıĢını ile elde edilmiĢtir. Lazer ıĢını malzeme yüzeyine yakın bölgelere odaklandığında oluĢan mikrolenslerin eğrilik yarıçaplarında küçülme gözlenmiĢtir. PMMA’nın içerisine odaklanan lazer ıĢını malzemenin 25±5μm daha derin bölgelerine odaklandığında malzemede çatlamalar gözlenmiĢ ve bunun sebebi olarak malzemenin iç bölgelerinin yüzeyden daha fazla ısınması sonucu artan iç basıncın soğuk ve sert olan yüzeyi çatlatması olduğu düĢünülmektedir. Soğurulan lazer enerjisi miktarı, malzemenin lazer ıĢınına maruz kaldığı süre ve lazer odak noktası çapı ile doğru orantılı olarak mikrolens çapları 149μm ile 323μm arasında elde edilmiĢtir. Lazer odak noktası çapı mikrolens çapına doğrudan etki ederken lazer ıĢınına maruz kaldığı süre, toplam soğrulan enerji miktarını belirlemesiyle sadece doğrudan değil ayrıca malzeme içerinde ısı transferine zaman tanıyarak mikrolens çaplarının geniĢlemesine neden olmaktadır. Üretilen mikrolenslerin

57

odak uzunlukları 0.3mm ile 3.7mm ve nümerik açıklıkları (NA) 0.02 ile 0.47 arasında ölçülmüĢtür.

Üretilen mikrolens dizilerindeki mikrolenslerin boyutları arasında %8.48 oranında farklılıklar gözlemlenmiĢtir. Yüksek kaliteli mikrolens dizilerinde bu oranın %0.1 altında olması beklenmektedir. Gözlenen bu değer lazerin her bir mikrolens üretimi sırasında açık kalma süresi olan 1500ms’lik sürede 133ms sapma gösterdiği ölçülmüĢtür.

Standart sapmanın varyasyon katsayısı %8.77 olarak belirlenmiĢtir. Lazerin açık kalma süresi ile mikrolenslerde gözlenen sapma oranlarının örtüĢmesi sorunun kaynağını açıkça ortaya koymaktadır. Lazerin açık kalma süresindeki belirsizliğin nedeni bu deneysel çalıĢmada kullanılan lazeri kontrol eden bilgisayar ile lazer arasında kurulan ağ bağlantısından kaynaklanmaktadır. Lazeri kontrol eden bilgisayar ile lazer arasındaki iletiĢim mekanizması ağ bağlantısı yerine daha hassas kontrol yöntemi olan sinyal tetikleme yöntemi ile 20-30µs mertebesine düĢürülerek sorunun çözümünün sağlanacağı düĢünülmektedir. Mikrolens boyutlarındaki %1-2 oranında gözlemlenen diğer bir sapma ise malzeme içeresindeki yoğunluk dağılımının düzensizliği olan küçük boĢluklar ya da gaz kümelenmelerinin sebep olduğu daha az ya da fazla ĢiĢme oranlarıdır. Bu çalıĢmada kullanılan PMMA malzemesi ticari aydınlatma ürünleri için geliĢtirmiĢtir. Mikrolens dizisi üretiminde kullanılacak olan polimer malzemenin amaçlanan doğrultuda üretilmesi ile hata oranlarının düĢürüleceği öngörülmektedir.

IĢık alanı kameraları, dalga cephesi algılayıcılar vb. çoklu algılayıcı gruplarından oluĢan sistemler için geniĢ çaplı mikrolenslerden oluĢan mikrolens dizileri hedeflenmiĢ ve bu doğrultuda polimer malzemenin ĢiĢirilme sınırları içerisinde çeĢitli ebatlarda mikrolens dizileri üretilmiĢtir. Yüksek güçlü sürekli lazer, odaklayıcı lens ve 3 eksenli hassas hareket mekanizmasından oluĢan, tek aĢamada mikrolens dizisi üretimi gerçekleĢtirilerek atımlı lazere ve diğer birçok mikrolens üretim tekniğine kıyasla daha düĢük üretim maliyetlerinin olabileceği gösterilmiĢtir. Yüksek güçlü sürekli lazerin mikrolens dizisi üretimine maliyet yönünden katkısının dıĢında diğer bir faydası ise silindirik ve serbest form mikrolens üretimine imkan tanımalarıdır.

58 KAYNAKLAR

Agrawal S., Patidar D., Dixit M., Sharma K. and Saxena N. S. 2010. Investigation of Thermo-mechanical Properties of PMMA. AIP Conference Proceedings

1249, 79 (2010).

Ali U., Karim. K. J., Buang N. A. 2015. A Review of the Properties and Applications of Poly (Methyl Methacrylate) (PMMA). Polymer Reviews. p 678-705.

Anonymous. 2016. Introduction to COMSOL Multiphysics/Documentation Web Sitesi:

http://cdn.comsol.com/documentation/5.2.1.152/IntroductionToCOMSO LMultiphysics.pdf, EriĢim Tarihi: 24.04.2019.

Anonymous. 2016. Plexiglas GT99524 Datasheet Web Sitesi:

https://www.plexiglas.net/product/plexiglas/downloads/239-25-plexiglas-folie-99524-en.pdf, EriĢim Tarihi: 24.04.2019.

Anonymous. 2019. The History of Polymers Web Sitesi:

https://www. http://microdyneplastics.com/2016/12/the-history-of-plastic-polymers/, EriĢim Tarihi: 24.04.2019.

Bierögel C., Grellmann W. 2014. Quasi-static Tensile Test – Application. Polymer Solids and Polymer Melts–Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers pp 152-162.

Bormashenko E. Pogreb R., Socol Y., Ifzhaq M. H., Sutovski S., Sheshnev A.,

Bormashenko Y. 2003. Dırect Wrıtıng Of Cylındrıcal Mıcrolenses On Polymer Substrates. IEEE Sensors Conference 2003. IEEE ISBN: 0-7803-8133-5.

Chen F., Deng Z., et al. 2014. Rapid Fabrication of a Large-area Close-packed Quasi- periodic Microlens Array Ob Bk7 Glass. Optics Letters. Vol. 39, No. 3 /

February 1, 2014.

Darif M., Semmar N., 2008. Numerical Simulation of Si Nanosecond Laser Annealing by COMSOL Multiphysics. COMSOL Conference 2008 Hannover.

Fabrikant V. A. 1940. The emission mechanism of a gas discharge. Trudy (Proceedings) of VEI (the All-Soviet-Union Electro-Technical Institute), Electronic and Ion Devices 41, 236-296.

He P., Xie P., et al. 2014. Recent Development in Precision Thermal Forming of Glass andPlastic Optics. Optical Fabrication and Testing. Conference: Optical

Fabrication and Testing June 2014.

Hoque, A. K. M. Fazlul. 2017. Laser and its applications.

10.13140/RG.2.2.24002.89281.

59

Hou, T., Zheng, C., Bai, S., Ma, Q., Bridges, D., Hu, A., and Duley, W. 2015.

Fabrication, Characterization, and Application of Microlenses. Optical Society of America Applied Optics, 54(24), 7366-7376.

Hu B., Shao J., Ding Y., Liu B., Miao L., Zhai H. 2012. A Fast and Efficient Fabrication

Method for Microlens Array by Using Picosecond Laser Induced Volume Swelling.

Laser and Tera-Hertz Science and Technology Conferance Paper.

Joanni E., Peressinotto J.,Domingues P. S., Settiab G. O. and Jesus D. P. 2015.

Fabrication of Molds for PDMS Microfluidic Devices by Laser Swelling of PMMA. RSC Advances 2015-5-25089.

Kuznetsov I. R., Stewart D. S., Fried E. 2000. Modeling the Thermal Expansion Boundary

Layer During the Combustion of Energetic Materials. Combustion and Flame Volume 126, Issue 4, September 2001, Pages 1747-1763.

Ladenburg R. 1928.Untersuchungen über die anomale Dispersion angeregter Gase. I.

Teil. Zur Prüfung der quantentheoretischen Dispersionsformel. Z. Phys.

48, S15-S25.

Lamb W. E. Jr. and Retherford R. C. 1950. Fine structure of hydrogen. Phys. Rev. 79, 549-572.

Lee H. J., Kim Y., Yoon E., Cho, I., 2014. Versatile Size and Shape Microlens Arrays with High Numerical Apertures. Journal of microelectromechanical systems.

VOL. 23, NO. 4, Aug. 2014.

Lee J., Lee D., Baek, Y., 2012. Fabrication of Dual-focus Dual-layered Microlens.

Optics Communications 289 (2013) 69–74.

Li J., Wang W., Mei X., Sun X., Pan A. 2018. The Formation of Convex Microstructures by Laser Irradiation of Dual-layer Polymethylmethacrylate (PMMA). Optics and Laser Technology 106 (2018) 461–468.

Lin T., Yang H., et al. 2013. New Dual-curvature Microlens Array with A High Fill-factor for Organic Light Emitting Diode Modules. Optics Communications 304 (2013) 123–128.

Lytle J.D., 1995. Handbook of Optics Vol.2 Chapter 34 Second Edition. Polymeric Optics. McGraw-Hill, 1496p., New York.

Maiman T. H. 1961. Optical Maser Action in Ruby. Advances in Quantum Electronics:

Columbia University Press, 61p. New York.

Benzer Belgeler