ANKARA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
POLĠMER MALZEME ÜZERĠNDE LAZER KULLANARAK MĠKROLENS DĠZĠLERĠNĠN OLUġTURULMASI
Mustafa DOĞAN
FĠZĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI
ANKARA 2019
Her hakkı saklıdır
ii ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
POLĠMER MALZEME ÜZERĠNDE LAZER KULLANARAK MĠKROLENS DĠZLERĠNĠN OLUġTURULMASI
Mustafa DOĞAN
Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Prof. Dr. Hüseyin SARI
Mikrolens dizileri, dalga cephesi algılayıcılar, ıĢık alanı kameraları, algılayıcı dizileri, fiber optik eĢleĢtiricileri ve daha birçok uygulamada optik cihazların vazgeçilmez parçalarıdır.
Mikrolens dizilerinin geniĢ uygulama alanları, çeĢitli tipte, Ģekil, boyut ve optik performansa sahip olan mikrolensler gerektirmektedir. Bu nedenle, mikrolens dizisi üretimi için çeĢitli üstünlük ve yetersizliklere sahip olan birçok üretim tekniği geliĢtirilmiĢtir. 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 oluĢumu, polimer malzemenin delinme eĢiğinden düĢük ve belirli enerji yoğunluğunda lazer ıĢığının altında polimerlerin uzun moleküler zincirleri koparak daha kısa molekül zincirlerine dönüĢtürmesine dayanır. Moleküler yapıdaki değiĢim, hacimsel genleĢme ve kalıcı Ģekil değiĢimine yol açarak malzeme üzerinde dıĢ bükey mikrolens yapıları oluĢturur.
Bu tezde, polimer malzeme olarak polimetil metakrilat (PMMA) üzerinde doğrudan lazer ile yazma tekniği çalıĢılmıĢtır. Bilgisayar destekli sonlu eleman analizi ile benzetim modeli oluĢturulmuĢ ve teorik yaklaĢım modeli, 1070nm sürekli dalga boyuna sahip lazer kullanarak farklı kalınlıklardaki PMMA üzerinde yapılan deneyler ile doğrulanmıĢtır. Bu çalıĢmanın sonucu olarak, lens çapları 149μm ile 323μm ve odak uzaklıkları 0.3mm ile 3.7mm arası değiĢen mikrolens dizileri üretilmiĢtir. GeçmiĢte yapılan çalıĢmalarda atımlı lazerler kullanılarak gerçekleĢtirilen mikrolens dizisi üretimi bu çalıĢma ile sürekli dalga lazer kullanılarak da gerçekleĢtirilebileceği gösterilmiĢtir.
Eylül 2019, 65 sayfa
Anahtar kelimeler: Mikrolens Dizileri, Polimer, Doğrudan Lazer ile Yazma, PMMA.
iii ABSTRACT
Master Thesis
FORMATION OF MICROLENS ARRAY USING LASER ON POLYMER MATERIAL
Mustafa DOĞAN
Ankara University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Hüseyin SARI
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.
September 2019, 65 pages
Key Words: Microlens Arrays, Polymer, Direct Laser Writing, PMMA.
iv TEġEKKÜR
Bu çalıĢmanın yürütülmesinde yakın ilgisi ve yardımlarında dolayı değerli danıĢmanım Prof. Dr. Hüseyin SARI’ya, çalıĢmanın belirlenmesi ve yürütülmesinde fikirleri ile beni yönlendiren, yolumu aydınlatan Dr. Erkan DEMĠRCĠ’ye, çalıĢmalarımda yardımlarından dolayı Dr. E. Yasemen KAYA ÇEKĠN’e, Mehmet Koray BĠNGÖL’e, Onur KAYNAKOĞLU’na ve sağladığı imkanlar ve desteklerinden dolayı kurumum TÜBĠTAK ailesine teĢekkür ederim.
Sadece bu çalıĢmadaki sayısız yardımı ile değil birlikte çalıĢmaya baĢladığımız ilk günden bu güne dek bana öğrettikleri ve esirgemediği samimiyetiyle teĢekkür kelimesinin isminin yanında sönük kaldığı değerli iĢ arkadaĢım Elif Türkan AKġĠT KAYA’ya sonsuz Ģükranlarımı sunarım.
Mustafa DOĞAN Ankara 2019
v
ĠÇĠNDEKĠLER
TEZ ONAY SAYFASI
ETĠK ... i
ÖZET ... ii
ABSTRACT ... iii
TEġEKKÜR ... iv
KISALTMALAR DĠZĠNĠ ... vi
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ... vii
ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ ... ix
1. GĠRĠġ ... 1
2. KURAMSAL TEMELLER ... 6
2.1 Lazerler ... 6
2.2 Polimerler... 8
2.3 Mikrolens oluĢumunda lazer polimer etkileĢimi ... 11
3. MATERYAL ve YÖNTEM ... 18
3.1 Materyal ... 18
3.2 Yöntem ... 20
3.2.1 Pmma’nın optik yansıtma ve geçirme ölçümü ... 20
3.2.2 Mikrolens dizisi üretimi ... 21
3.2.3 Mikrolenslerin optik baĢarım ölçümleri ... 22
4. BENZETĠM MODELĠ ... 23
4.1 Parametreler, DeğiĢkenler ve Fonksiyonlar ... 26
4.2 Geometri... 29
4.3 Malzeme ... 31
4.4 Isı Transfer Modülü ... 31
4.5 Katı Mekanik Modülü ... 32
4.6 Örgü Yapısı (Mesh) ... 33
4.7 Çözümleme... 33
5. BULGULAR ... 35
6. TARTIġMA VE SONUÇ ... 36
KAYNAKLAR ... 58
EKLER ... 61
Ek 1 PMMA’nın Malzeme Özellikleri ... 61
Ek 2 Mikrolens OluĢumu Sırasında Lazer IĢınının Ġz DüĢümü ... 64
ÖZGEÇMĠġ ... 65
vi
KISALTMALAR DĠZĠNĠ
CCD Charge coupled device COC Cyclic Olefin Copolymer COP Cyclic Olefin Polymer
LED IĢık Yayan Diyot (Light Emitting Diode)
MEMS Mikro elektromekanik sistemler (Micro electromechanical Systems) MLA Mikrolens Dizisi (Microlens Array)
MMA Metil metakrilat
PMMA Polimetil metakrilat (Polymethyl Methacrylate) PC Polikarbonat (Polycarbonate)
PS Polistren (Polystyrene) PU Poli üretan (Polyurethane)
PVC Polivinil klorid (Polyvinyl Chloride)
SEM Taramalı Elektron Mikroskobu (Scannig Elektron Microscope)
vii
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
ġekil 1.1 400µm çapında bir mikrolensin SEM görüntüsü (Lee vd. 2014) ...1
ġekil 1.2 Dikdörtgen (sol) ve altıgen (sağ) yapıda dizilmiĢ farklı doldurma oranlarına sahip iki mikrolens dizisinin SEM görüntüsü (Nussbaum vd. 1997) ...1
ġekil 1.3 Mikrolenslerin yüzey doldurma oranları (Nussbaum 1997) ...2
ġekil 1.4 Kare (a), altıgen (b), serbest form (c) Ģeklide mikrolens dizileri (Chen vd. 2014) ...2
ġekil 1.5 Çoklu odak mesafesine sahip mikrolens dizisi (Lin vd. 2013) ...2
ġekil 1.6 Üst üste bindirilmiĢ, çift odak uzaklığına sahip mikrolens dizisi (Lee vd. 2012) ...3
ġekil 1.7 Eğik yüzey üzerine biçimlendirilmiĢ mikrolens dizisi (Zhou ve Hongwen 2017) ...3
ġekil 1.8 (a) 20 x 24 mikrolens dizisi (b) 6x6 mikrolens dizisinin profili (He vd. 2014) ...4
ġekil 2.1 ġeffaf polimer malzemeden geçen lazer ıĢını ...12
ġekil 2.2 Gauss benzeri dağılım fonksiyonu ...13
ġekil 2.3 ġeffaf polimer malzeme içerisinde gausyen lazer ıĢının soğurulması ...13
ġekil 2.4 PMMA’nın sıcaklığa bağıl ısıl genleĢme katsayısı (Kuznetsov vd. 2001) ...15
ġekil 2.5 PMMA’nın sıcaklığa bağıl gerilim-gerinim grafiği (Agrawal vd. 2010) ...16
ġekil 2.6 PMMA’nın sıcaklığa bağlı Poisson oranı (Bierögel ve Grellmann 2014) ...17
ġekil 3.1 MMA (a) ve PMMA’nın (b) kimyasal yapısı ...18
ġekil 3.2 Farklı kalınlıklarda Ģeffaf PMMA levhaları ...19
ġekil 3.3 PMMA’nın geçirgenlik, yansıtma ve soğurma ölçüm deney düzeni ...20
ġekil 3.4 PMMA’nın ıĢık geçirgenlik ölçüm deney düzeni Ģeması ...21
ġekil 3.5 PMMA’nın yansıtma oranı ölçüm deney düzeni Ģeması ...21
ġekil 3.6 Lazer ıĢının enerji dağılım profili ve profilin 3 boyutlu gösterimi ...22
ġekil 3.7 Mikrolens dizisi üretimi deney düzeni Ģeması ...23
ġekil 3.8 Mikrolens dizisi üretim deney düzeneği ...23
ġekil 3.9 Optik baĢarım ölçüm deney düzeneği Ģeması ...24
ġekil 3.10 Optik baĢarım ölçüm deney düzeneği ...24
ġekil 4.1 COMSOL Multiphysics yazılımı ile mikrolens oluĢum benzetim modeli ...25
ġekil 4.2 COMSOL Multiphysics yazılımında modelleme adımları ...26
ġekil 4.3 Lazer kaynağı ıĢık Ģiddeti dağılımı kesit görüntüsü ...28
ġekil 4.4 Lazer kaynağının malzeme içerisindeki ıĢık Ģiddeti dağılımı ...29
ġekil 4.5 PMMA katı modelinin kesit alanı ...30
ġekil 4.6 PMMA katı modeli ...30
ġekil 4.7 PMMA malzeme özelliklerinin tanımlanması ...31
ġekil 4.8 Benzetim modeli ısı transfer modülü ...32
ġekil 4.9 Benzetim modeli katı mekanik modülü ...32
ġekil 4.10 Örgü yapısı parametreleri ...33
ġekil 4.11 Benzetim modeli çözümleme ...34
ġekil 5.1 COMSOL benzetim modeli: Mikrolens 3B görünümü (a), mikrolens kesit görüntüsü (b) (0.175mm PMMA 40mJ) ...35
ġekil 5.2 Mikrolens (a) ve 5x5 mikrolens dizisi (b) (0.375mm PMMA 31W) ...36
ġekil 5.3 COMSOL benzetim modeli: soğurulan enerji - sıcaklık grafiği ...38
ġekil 5.4 Mikrolens üretim deney düzeneği termal kamera görüntüsü. (0.175mm PMMA, Plazer=28.4W) ...38
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) ...39
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) ...40
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) ...40
viii
ġekil 5.8 COMSOL benzetim modeli: zamana bağlı lens profilleri. (0.175mm PMMA,
Plazer=30W)...41
ġekil 5.9 Mikrolens profil ölçümü ( 0.750mm PMMA, Plazer=33W) ...42
ġekil 5.10 Ölçüm amacıyla üretilen farklı boyutlarda mikrolensler içeren mikrolens dizilerinin Ģematik gösterimi ...42
ġekil 5.11 Mikrolens dizisi profil ölçümü ( 0.375mm PMMA Plazer=28.4W) ...43
ġekil 5.12 Mikrolens kesit görünümü ...43
ġekil 5.13 Lazer gücüne göre farklı kalınlıklarda ki PMMA’nın ĢiĢme yükseklikleri ...44
ġekil 5.14 0.175mm kalınlığa normalize edilmiĢ lazer gücüne göre farklı kalınlıklardaki PMMA’nın ĢiĢme yükseklikleri...45
ġekil 5.15 Lazer gücüne göre mikrolens çapları ...45
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) ...46
ġekil 5.17 Benzetim modeli mikrolens profilleri ...47
ġekil 5.18 Mikrolens lens profili ölçümleri ...47
ġekil 5.19 Mikrolens profili - benzetim modeli ve deneysel sonuçlar ...48
ġekil 5.20 PMMA yüzey pürüzlülüğü ...49
ġekil 5.21 Mikrolens dizisi yüzey kalitesi ...49
ġekil 5.22 Mikrolens dizisi odak mesafesi ölçümü ...50
ġekil 5.23 Soğurulan lazer enerjisine göre mikrolens odak mesafesi değiĢimi ...51
ġekil 5.24 Mikrolens ve mikrolens dizilerinin görüntüleme baĢarımı ...52
ġekil 5.25 Mikrolens karĢıtlık (a) ve renk görüntüleme baĢarımı (b) ...52
ġekil 5.26 Mikrolens oluĢumunda lens bozulmaları, deneysel (a), COMSOL (b) ...53
ġekil 5.27 Lens bozulmalarının görüntüleme üzerindeki etkisi ...53
ġekil 5.28 Mikrolens oluĢumunda lens bozulmaları ...54
ġekil 5.29 Mikrolens dizisi üretim hataları ...55
ix
ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ
Çizelge 2.1 Bazı polimerlerin keĢif yılları (Anonymous 2019: The History of Polymers) ...9
Çizelge 3.1 PMMA’nın mekanik, termal ve optik özellikleri (Anonymous 2016: Plexiglas 99524 GT PMMA Datasheet) ...19
Çizelge 4.1 Benzetim Modeli Parametreleri ...27
Çizelge 4.2 Benzetim Modeli DeğiĢkenleri ...27
Çizelge 5.1 PMMA kalınlıklarına göre soğurulan lazer enerjisi ...37
1 GĠRĠġ
1.
Uygulama alanlarının ihtiyaçları doğrultusunda lens çapları birkaç mikrometre ile birkaç milimetre arasında olan lensler, mikrolens olarak adlandırılırlar (ġekil 1.1).
Mikrolensler yapısal olarak içbükey veya dıĢbükey geometride, küresel ya da küresel olmayan eğrilik yarıçaplarına sahip olabildikleri gibi silindirik, dikdörtgen, altıgen, Fresnel, serbest form gibi geometrik yapılara da sahip olabilirler.
ġekil 1.1 400µm çapında bir mikrolensin SEM görüntüsü (Lee vd. 2014)
Mikrolens dizileri, bir yüzeye art arda düzenli bir desen Ģeklinde yerleĢmiĢ mikrolenslerdir (ġekil 1.2). Mikrolens dizileri çeĢitli sayıda mikrolens ya da mikrolens gruplarından oluĢmaktadır.
ġekil 1.2 Dikdörtgen (sol) ve altıgen (sağ) yapıda dizilmiĢ farklı doldurma oranlarına sahip iki mikrolens dizisinin SEM görüntüsü (Nussbaum vd. 1997)
Mikrolensler birbirleriyle bitiĢik olabildikleri gibi uygulama alanlarına göre lensler arasında boĢluk olacak Ģekilde de dizilebilirler (ġekil 1.3).
2
ġekil 1.3 Mikrolenslerin yüzey doldurma oranları (Nussbaum 1997)
Dairesel Ģekle sahip mikrolenslerin bulundukları yüzeyi doldurma oranlarını artırmak için çapraz, altıgen vb. farklı dizilim yapıları vardır (ġekil 1.4).
ġekil 1.4 Kare (a), altıgen (b), serbest form (c) Ģeklide mikrolens dizileri (Chen vd.
2014)
Mikrolens dizileri genellikle aynı geometriye sahip mikrolenslerden oluĢmalarının yanı sıra değiĢken odak uzaklığına sahip ya da mikrolens gruplarından oluĢan diziler olabilirler (ġekil 1.5). Birden fazla odak mesafesine sahip mikrolens dizileri aynı düzlem içerisinde iç içe geçmiĢ yapılarda çok odaklı mikrolens dizileri olarak kullanılırlar.
ġekil 1.5 Çoklu odak mesafesine sahip mikrolens dizisi (Lin vd. 2013)
3
Çoklu odak mesafesine sahip mikrolensler aynı düzlem üzerine yerleĢtirildikleri gibi üst üste bindirilmiĢ çift odak uzaklığına sahip mikrolensler olarak da kullanılan formları mevcuttur.
ġekil 1.6 Üst üste bindirilmiĢ, çift odak uzaklığına sahip mikrolens dizisi (Lee vd. 2012)
Mikrolens dizileri genellikle düzlemsel yüzeyler üzerine dizilseler de eğik yüzey üzerine de biçimlendirilebilirler (ġekil 1.7).
ġekil 1.7 Eğik yüzey üzerine biçimlendirilmiĢ mikrolens dizisi (Zhou ve Hongwen 2017)
Optik ve optoelektronik alanının iletiĢim, görüntüleme, algılama, iĢleme gibi sayısız uygulamasının, geliĢen teknoloji ile daha küçük cihazlara uygulanma gereksinimi her geçen gün mikro-optik yapıların önemini artırmaktadır.
4
ġekil 1.8 (a) 20 x 24 mikrolens dizisi (b) 6x6 mikrolens dizisinin profili (He vd. 2014)
Mikrolens dizileri uyarlanabilir optik uygulamaları, ıĢık alanı kameraları, görüntüleme, algılayıcı dizileri, fiber optik iletiĢim ve daha birçok alanda kullanılmaktadır. Mikrolens dizileri günümüzde termal Ģekillendirme, mikro-damlatma, mikro-enjeksiyon, yüksek hassasiyetli torna, sıcak kalıp ile Ģekillendirme ve doğrudan lazer ile yazma gibi yöntemlerle üretilmektedir. (Hou vd. 2015)
Mikrolens dizilerinin üretim teknikleri birbirleri ile kıyaslandığında üretilebilirlik, ürün kalitesi ve maliyet konularında her bir tekniğin birbirlerine göre üstünlükleri ve yetersizlikleri bulunmaktadır. Doğrudan lazer ile yazma tekniğinin diğer tekniklere göre yüzey kalitesi, maliyet ve kısa üretim süreci konusunda üstünlüğü var iken üretim kararlılığı ve ürün niteliğinde eksikleri vardır. (Yuan vd. 2018)
GeçmiĢte yapılan çalıĢmalarda Hu vd. (2012), Shao vd. (2013), Ou vd. (2015) ve Li vd.
(2018) PMMA üzerinde görünür ya da yakın kızılötesi bölge dalga boyunda femto, pico ve nano saniye atımlı lazerler kullanılarak mikrolens dizileri üretilmiĢtir. Joanni vd.
(2015) tarafından PMMA üzerinde yapılan çalıĢmada morötesi dalga boyuna sahip nano saniye atımlı lazer kullanılmıĢtır. Bormashenko vd. (2003) yaptığı çalıĢmada 10.3µm sürekli dalga boyuna sahip lazer ile yapılan çalıĢmada silindirik mikrolens üretilmiĢtir.
5
Bu tez çalıĢmasında yüksek güçlü lazerlerin polimer malzeme üzerinde kalıcı termal genleĢme etkisinin kontrollü kullanımı ile mikrolens oluĢturulması ve oluĢum sürecinin tekrarlanarak mikrolens dizisi üretimi hedeflenmiĢtir.
PMMA, PC, COC/COP vb. optik sınıf polimerler ıĢık spektrumunun morötesi ve uzak kızılötesi bölgede düĢük geçirgenlik, görünür ve yakın kızılötesi bölgede yüksek geçirgenlik sunarlar. Yapılan çalıĢmalarda çok kısa atımlı lazer ve düĢük emilim gösteren dalga boyu, yüksek emilim gösteren daha uzun atımlı ya da sürekli lazer kullanılmıĢtır. Lazer ile polimer iĢleme tekniğinde malzeme üzerindeki enerji modülasyonu hayati öneme sahip olduğundan dolayı bu çalıĢmada yakın kızılötesi ve sürekli lazer kullanılarak daha hassas enerji modülasyonu ve daha düĢük maliyetlere ulaĢarak üretim sürecinin geliĢtirilmesi amaçlanmıĢtır.
6 KURAMSAL TEMELLER
2.
Bazı polimerlerin optik alanında cam yerine kullanılabilirliği ve bu polimerlerin ısı ile yeniden Ģekillendirilirken optik özelliklerini kaybetmemeleri polimerlerin optik alanında tercih edilen bir malzeme olmasını sağlamıĢtır. Serbest uzayda polimerlerin ısı ile Ģekil değiĢtirmeleri sırasında kalıcı hacim genleĢmesi göstermesi ve ısı kaynağı olarak yüksek güçlü lazerlerin kontrollü olarak kullanılması fikri lazer ile yazma tekniğinin temelini oluĢturmaktadır. Polimer malzeme üzerinde lazer ile mikrolens dizilerinin oluĢturulması lazerlerin ve polimerlerin yapısal özellikleri ile lazer - polimer etkileĢimine dayanmaktadır.
2.1 Lazerler
UyarılmıĢ enerji seviyesindeki bir elektronun daha düĢük ya da kararlı enerji seviyesine geçerken seviyeler arasındaki enerji farkına eĢit enerjide bir foton salınır. Bu salım ıĢıma, foton salma ya da emisyon olarak da adlandırılır (Orazio 2010).
UyarılmıĢ enerji seviyesinde bulunan bir atomun foton soğurmasından dolayı zorlama ile ıĢıma yapmasına uyarılmıĢ ıĢıma denir. UyarılmıĢ enerji seviyesindeki bazı atomların kendiliğinden ıĢıma yapması ile çok kısa bir süreliğine uğradıkları bir alt enerji seviyesi yarı kararlı enerji seviyesi olarak adlandırılır. Yarı kararlı enerji seviyedeki atomlar foton soğurmaları sonucu uyarılmıĢ ıĢıma yaparak temel enerji seviyelerine dönerler (Orazio 2010).
UyarılmıĢ ıĢıma ile salınan fotonlar aynı frekans, doğrultu ve fazda olmasından dolayı ıĢık Ģiddeti yüksek olan ıĢık demeti elde edilir. UyarılmıĢ ıĢımalar ile Ģiddeti yükseltilmiĢ aynı yönlü, eĢ fazlı ve eĢit frekanslı ıĢığa lazer denir (Orazio 2010).
Ġngilizce LASER kelimesi Türkçeye LAZER olarak geçmiĢtir. LASER, “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” kelimelerinin baĢ harfleri ile oluĢturulmuĢ bir kısaltmadır (Hoque 2017).
7
Lazer, fotonların çok büyük bir kısmının tutarlı bir durumda bulunduğu ıĢık ıĢını oluĢturmak için kuantum mekaniği prensiplerinden faydalanarak oluĢturulmuĢ bir cihazdır. Lazer cihazları basitçe, eĢ fazlı ve dar bant aralığına sahip dalga boyu olan (tek renk) ıĢık elde etmeye yarayan optik düzeneklerdir.
Lazer ıĢını teorisi, 1916'da Albert Einstein’ın teorik alt yapısını oluĢturduğu uyarılmıĢ emisyon önerisi ile ilerleyen süreçte Rudolph W. Landenburg (1928) uyarılmıĢ emisyonun varlığını ispatlamıĢ ve negatif soğurmayı ortaya koymuĢtur (Hoque 2017).
Lazerlerin geliĢim süreci 1939 yılına gelindiğinde Valentin A. Fabrikantin kısa dalga boyuna sahip ıĢığın yükseltimi için zorlama ile emisyonu önermiĢ, Willis Lamb ve R. C.
Retherford’un (1947) hidrojen spektrumunda uyarılmıĢ ıĢımanın ilk gösterimini baĢarması sonucu hız kazanmıĢtır (Mensah 2009).
Kolombiya üniversitesinde yapılan mikrodalga çalıĢmalarında MASER’in (Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation) Charles H. Townes (1951) tarafından bulunmuĢtur. Theodore Maiman (1960) tarafından aktif madde olarak yakut kullanılarak ilk lazer geliĢtirilmiĢtir. 1960 yılından bu güne kadar geçen zaman içinde değiĢik dalga boylarında birçok lazer ıĢını elde edilmiĢtir. Bu ıĢınlar kullanıldıkları alana göre değiĢik öneme sahiptirler (Mensah 2009).
Lazerlerin özellikleri Ģunlardır;
Lazer ıĢınlarının çok büyük bir kısmı aynı dalga boyundadır yani tek renklidir.
Lazer ıĢını, uyarılmıĢ ıĢıma sonucu elde edilen, eĢ faz ve enerjide fotondan oluĢmuĢ güçlendirilmiĢ ıĢıktır.
Tek yönlüdür ve genellikle küçük dağılım açılarına sahiptirler.
Lazerin çalıĢma prensibi fotonların uyarılması ile meydana gelir ve ıĢığın oluĢması için bazı aktif ortamlar kullanılır. Aktif lazer ortamındaki atomlarının uyarılması ile elektronlar temel enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyesine geçerler. Ancak bu uyarılmıĢ elektronlar yüksek enerji seviyesinde kalamaz ve ait olduğu enerjili
8
yörüngeye geri dönerek temel enerji seviyesine geçerler. Elektronların yüksek enerji seviyesinden düĢük enerji seviyesine geçiĢ sırasında enerji seviyeleri arasındaki enerji farkını foton olarak dıĢ ortama salarlar. DıĢ ortama salınan bu fotonlarda diğer atomların elektronlarını uyarır ve süreç bu Ģekilde devam eder. Lazerin aktif ortam malzemelerinin her iki ucuna yerleĢtirilen ve farklı geçirgenlikleri olan aynalar sayesinde fotonlar kontrollü olarak aktif ortam içinde tutularak daha fazla atomu eĢ fazlı uyarmaları sağlanır. Lazerin aktif ortamının bir ucundaki ayna tam yansıtıcı iken, diğer uçtaki ayna küçük miktarda geçirgendir ve bu geçirgen ayna lazer cihazının lazer ıĢını çıkıĢını sağlar. IĢın demeti haline getirilen fotonlar eĢ faz ve aynı dalga boyunda, birbirleri ile uyumlu olarak düĢük geçirgen aynadan dıĢarıya çıkar ve bu Ģekilde lazer ıĢını oluĢturulur (Orazio 2010).
Lazerler, kazanç ortamına göre temel olarak 4 çeĢide ayrılır;
Katı-Hal Lazerler
Yarıiletken Lazerler
Sıvı Lazerler
Gaz Lazerler
1960 yılında ilk pratik lazerin icadından sonra lazerin kullanım alanları hızla artmıĢtır.
Günümüzde imalat sanayisinde malzeme üretimi, ölçme, muayene analiz, temassız kontrol, tıp, kozmetik, savunma sanayi, iletiĢim, haberleĢme, gösteri, eğlence gibi birçok sektörde lazer yaygın olarak kullanılmaktadır (Hoque 2017).
2.2 Polimerler
Polimerler, monomerlerin tekrarlanır biçimde bağlanması ile oluĢan makro moleküllerdir. Bu maddeler zincir ya da zincir benzeri yapılar oluĢtururlar. Polimerler doğal ve sentetik olarak iki gruba ayrılır. Doğal polimerlere örnek olarak niĢasta, selüloz ve kauçuk verilebilir. Ġnsan yapımı sentetik polimerler üzerinde 1830'lu yıllardan beri çalıĢılmaktadır ve günümüze kadar çeĢitli sentetik polimerler üretilmiĢtir. Sentetik polimerlere örnek olarak polyetilen, polipropilen, polistren ve teflon ve daha birçok örnek verilebilir (Ali vd. 2015).
9
Tarihsel süreçte doğal polimerler yerlerini yarı sentetik polimerlere bırakmıĢlardır.
Makro molekül terimi 1920 yılında ilk kez ortaya atılmıĢtır. Ortaya atılan bu hipotezden sonra sentetik polimerler üzerindeki çalıĢmalar hızla ilerlemiĢtir. Bu tarihten önceki polimer geliĢimi aĢağıdaki Ģekilde devam etmiĢtir.
Ġlk olarak Amerika yerlileri oksijen ile birleĢtiğinde katı bir hal alan kauçuk bitkisinin öz sıvısı ile ayaklarını kaplamıĢlardır. Ancak özel bir katı olan bu kauçuk kısmen katı kısmen sıvı gibi davranabilmekte ve gün sonunda moleküllerin birbirine bağlanmasını sağlayan oksijen bu sefer bağların kopmasına ve kauçuğun dağılmasına neden olmaktaydı.
1400’lü yıllarda Çinlilerin kumaĢları balmumuna batırarak “Direk Kaplama”
iĢlemini keĢfetmiĢ ve kullanımda dahi iyi iĢlevli kumaĢlar elde edilmiĢtir.
1849 Yılında Goodyear kauçuğu kükürt ile vulkanize etmiĢ ve bugünkü PVC ve PU gibi polimerlerin geliĢtirilmesine sebep olacak olan Lubonit’i üretmiĢtir.
1868’de nitrik asit ve kamfor ile pamuk selülozunu etkileĢtirmiĢ ve plastiklerin ilk ürünü olan yarı sentetik polimeri hazırlamıĢtır.
1920 yılında Makromolekül hipotezi ortaya atıldıktan sonra bilinen bazı polimerlerin keĢfi Çizelge 2.1’de verilmiĢtir (Anonymous 2019: The History of Polymers).
Çizelge 2.1 Bazı polimerlerin keĢif yılları (Anonymous 2019: The History of Polymers)
Polimer KeĢif Yılı
Polimetilakrilat 1931
Polistiren 1937
Poliamitler 1938
Poliesterler 1942
Silikonlar 1943
Polietilen 1943
Poliüretan Köpük 1954
Polipropilen 1957
Polikarbonat 1957
Ġyonomer Reçine 1964
Poliimidler 1965
Thermoplastik Elastomer 1970
Aromatik Poliamidler 1974
10
Polimerler çok uzun karbon tabanlı zincirler oluĢturarak organik bileĢiklerden farklılaĢırlar. Polimerler zincirleri, polimeri oluĢturan monomerlerin farklı atomlarının kovalent bağlar ile bağlanması ve her bir monomerin birbirlerine yine kovalent bağ ile bağlanmasıyla oluĢmuĢtur. Her bir polimer zinciri diğer polimer zincirlerine Van der Waals, London kuvveti, kovalent bağ gibi çeĢitli kimyasal bağlar ile bağlanır. Kimyasal bağların yanı sıra bazı polimer yapılarında fiziksel olarak, polimer zincirleri iç içe geçerek ya da birbirlerine dolanarak makro boyutlarda polimer yapısını oluĢturur (Ali vd. 2015).
Polimerler özellik ve davranıĢ biçimi açısından katıların bir alt grubunu oluĢtururlar.
Maddenin katı hali aĢağıdaki gibi kendi içerisinde de düĢük ve yüksek molekül ağırlığına sahip katılar olarak incelenebilir.
Maddenin Halleri o Katı
DüĢük Molekül Ağırlıklı (Klasik Moleküller)
Yüksek Molekül Ağırlıklı (Polimer) o Sıvı
o Gaz
Polimerler incelenirken molekül ağırlıkları, organik - inorganik, ısıya karĢı gösterdikleri davranıĢ, doğal ve sentetik gibi amaca yönelik sınıflandırma yapılmakla beraber genellikle termoplastikler ve termoset plastikler olmak üzere iki baĢlık altında sınıflandırılmaktadır (Pascault vd. 2002).
Termosetler yoğun çapraz bağlara sahip sert polimerlerdir. Isı ile eritilerek yeniden Ģekillendirilemezler. Yüksek sıcaklıklarda bozulurlar. ġekil almadan önce sıvı halde olup daha sonra dolgu malzemeleri ile termosete dönüĢecek olan bu sıvıya reçine adı verilir (Pascault vd. 2002).
Termoplastikler gündelik yaĢamda en fazla kullanılan polimerlerdir. Isı ile yumuĢarlar ve yeniden Ģekillendirilebilirler. Çözücü kimyasallar ile kolayca çözülebilirler.
Plastikler kristal veya amorf yapıda olabilirler. Amorf polimerlerdeki zincirler arasındaki iliĢki geliĢi güzeldir (Pascault vd. 2002).
11
Termoplastiklerde termosetlerde olduğu gibi polimer zincirlerini birbirine bağlayan kovalent bağlar bulunmamaktadır. Termoplastik polimer zincirlerinin bir arada tutunmasını sağlayan polar etkileĢimler, hidrojen bağları, London kuvvetleri ve aromatik grupların üst-üste binmesi gibi etkileĢimler vardır. Bu etkileĢimlere ek olarak, termoplastik polimer zincirlerine fiziksel dayanım sağlayan zincirler-arası ve zincir-içi dolaĢmalar vardır. Polimer zincirlerinin birbirlerine dolanmaları ve bükülmeleri gibi geometrik Ģekillerinin termoplastik polimerlerin fiziksel özellikleri üzerinde büyük etkisi vardır.
Termoplastik polimerlere örnek olarak polikarbonat, polietilen, polipropilen ve PMMA verilebilir. Termoplastik polimerler oldukça geniĢ ve farklı uygulama alanlarında sıkça tercih edilen mühendislik plastikleridir (Pascault vd. 2002).
Polikarbonat düĢük özgül ağırlığına sahip ve yüksek performanslı bir termoplastiktir.
Darbe dayanımının yüksek, ısı iletiminin düĢük ve 150⁰ C cam geçiĢ sıcaklığı olması gibi özellikleri önemli bir mühendislik plastiği olmasını sağlar. Kolay iĢlenebilir olması sayesinde ticari polimerler arasında en çok kullanılan polimerlerden biridir. Görünür bölgede Ģeffaf, kırılma indisi 1.58 ve yaklaĢık %88 ıĢık geçirgenliğine sahiptir. Bu sebeple, gözlükler, aydınlatma mercekleri gibi bazı optik eĢyalarda kullanılır (Lytle 1995).
Polimetil metakrilat (PMMA) akrilik ya da pleksiglas olarak bilinen görünür ve yakın kızılötesi bölgede yaklaĢık %92 geçirgenliği ve kırma indisi 1.49 olan bir termoplastik polimerdir. Yüksek geçirgenliği, morötesi ıĢığa dayanımı, camdan daha hafif ve cama göre daha yüksek darbe dayanımı ile camın kullanıldığı ürünlere de alternatif olabilir.
Ucuz olması ve kolay iĢlenebilmesi sayesinde tercih edilse de yaklaĢık 100 ⁰ C cam geçiĢ sıcaklığı ve kırılgan bir yapıya sahip olduğu için kullanım alanı biraz kısıtlıdır (Lytle 1995).
2.3 Mikrolens OluĢumunda Lazer Polimer EtkileĢimi
Ablasyon eĢiğinden düĢük, belirli bir enerji miktarındaki lazer ıĢınına maruz kalan polimer, lazer ıĢını tarafından aydınlatılan yüzey bölgesinde tümsek Ģeklinde ĢiĢme
12
gözlemlenir. Lazer ıĢınına maruz kalan bölgedeki polimer malzemenin hacim artıĢından kaynaklanan tümsek Ģeklindeki oluĢum lazer ĢiĢirme olarak adlandırılır.
ġeffaf polimer malzemeye gelen lazer ıĢığının küçük bir kısmı polimer malzemenin giriĢ yüzeyi tarafından geri yansıtılırken kalan kısmı malzeme içerisinde ilerler.
Malzemenin arka iç yüzeyine ulaĢan lazer ıĢınının küçük bir kısmı tekrardan malzeme içerisine geri yansır ve geriye kalan kısım malzemeden çıkar (ġekil 2.1).
ġekil 2.1 ġeffaf polimer malzemeden geçen lazer ıĢını
Bu geçiĢ esnasında lazer ıĢını malzeme içerisinde Beer-Lambert yasasında ifade edildiği Ģekilde soğrulur (Malyshev ve Bityurin 2006):
( ) ( )
(2.1)Denklem 2.1’de A, soğurulma, I0, polimere gelen ıĢınının Ģiddeti, I, polimerden çıkan ıĢının Ģiddeti, z malzeme kalınlığı, α, soğurma katsayısıdır.
Gauss biçimli demet profiline (ġekil 2.2) sahip lazer ıĢını kullanıldığı zaman lazer ıĢınının çapsal Ģiddet dağılımı:
( )
√
( ( ) )
(2.2)
ġeklinde verilir. Burada σ, demet çapı, r, çapsal değiĢken, r0 ise z=0 noktasındaki yarıçaptır.
Gelen Lazer Işını
Geri Yansıyan Lazer Işını
Polimer Malzeme
Çıkan Lazer Işını
13
ġekil 2.2 Gauss benzeri dağılım fonksiyonu
( ) ( )
√ ( ( ) ) (2.3)Denklem 2.1 ve 2.2 kullanılarak elde edilen Denklem 2.3 gausyen hüzme profiline sahip lazer ıĢının polimer malzeme içerisindeki soğurulma davranıĢı radyal olarak Gauss eğrisine benzer Ģekilde merkezden kenarlara doğru azalır. Benzer bir Ģekilde lazer ıĢının malzeme içerisine girdiği bölgeden malzemenin derinliklerine doğru soğurulma miktarı ve buna bağlı olarak ıĢık Ģiddeti azalmaktadır (ġekil 2.3).
ġekil 2.3 ġeffaf polimer malzeme içerisinde gausyen lazer ıĢının soğurulması
14
Polimer malzeme tarafından soğurulan lazer ıĢını malzeme içinde ısı enerjisine dönüĢür.
Soğurulan lazer ıĢının malzeme içerisindeki dağılımı, ısı kaynağı olarak tanımlanır ve bu kaynağın enerji dağılımı soğurulan lazer ıĢını dağılımı ile aynıdır (Denklem 2.4).
( )
(2.4)
Lazer ıĢınının soğurulmasında kaynaklanan ısı, polimer içerisinde ısı iletimi ile yayılır.
Zamana bağlı hacimsel ısı iletimi:
( )
( )
(
)
(
)
(
)
(2.5)Burada ρ, yoğunluk (kg/m3), cp, öz ısı (J/kgK), t, zaman (s), k, ısıl iletkenlik (W/mK), T, sıcaklık (K), qlazer, kaynak tarafından üretilen ısıdır (J/m3). (Darif ve Semmar 2008) Isı malzeme içerisine iletilirken ıĢıma ve serbest konveksiyon ile malzeme yüzeyinden dıĢ ortama yayılır. Yüzey ısı akısı:
(
) (
)
(2.6)Burada q0, yüzey ısı akısı, k, ısıl iletkenlik (W/mK), h, ısıl iletim katsayısı (J/m2K), σ, geri ıĢıma oranı, ε, Stefan-Boltzmann sabiti (W/m2 K4), Tortam, ortam sıcaklığı (K), Tyüzey, yüzey sıcaklığıdır. (K) (Tresansky vd. 2014)
Denklem 2.5 ve 2.6’nın çözülmesi ile polimer malzeme içerisindeki zamana bağlı ısı dağılımı ve buna bağlı sıcaklık dağılımı elde edilir.
Isınan polimer malzeme sıcaklık değiĢimine ve termal genleĢme katsayısı ile doğru orantılı olarak genleĢir. Hacimsel genleĢme:
( )
(2.7)Burada αv(T), sıcaklığa bağıl hacimsel ısıl genleĢme katsayısı, V, hacim (m3), ΔV, hacim değiĢimi (m3), ΔT, sıcaklık değiĢimi (K) (Tresansky vd. 2014)
15
Birçok polimer malzeme için termal genleĢme katsayısı sıcaklığa göre büyük değiĢim göstermektedir (ġekil 2.4).
.
ġekil 2.4 PMMA’nın sıcaklığa bağıl ısıl genleĢme katsayısı (Kuznetsov vd. 2001)
Yüksek elastiklik sıcaklığından daha düĢük sıcaklıklarda gerçekleĢen termal genleĢme kalıcı değildir. Malzemenin soğuması ile birlikte genleĢen malzeme büzüĢerek ısınma sürecinden önceki Ģekline döner. Kalıcı olmayan Ģekil değiĢimi elastik deformasyon olarak adlandırılır.
Sıcaklığın, yüksek elastiklik sıcaklığından ya da cam geçiĢ sıcaklığından daha yüksek olduğu zaman kalıcı Ģekil değiĢiklikleri gözlenir. Bu kalıcı Ģekil değiĢimi plastik deformasyon olarak adlandırılır (Malyshev vd. 2006).
Isınan malzemenin genleĢmesinde elastik ve plastik deformasyon birlikte gözlemlenir.
Sıcaklık artıĢı sonucu genleĢerek elastik deformasyona uğrayan malzeme sıcaklığın daha da artırılması ile plastik deformasyon gerçekleĢecek kadar genleĢir. GenleĢmiĢ
16
malzemenin soğutulması ile bir miktar büzüĢme gerçekleĢir iken bir miktar kalıcı Ģekil değiĢimi gözlemlenir (Malyshev vd. 2006). Plastik deformasyonun ne oranda gerçekleĢtiği deneysel olarak elde edilen gerilim-gerinim eğrisinden belirlenmektedir (ġekil 2.5).
ġekil 2.5 PMMA’nın sıcaklığa bağıl gerilim-gerinim grafiği (Agrawal vd. 2010)
Gerilim-gerinim eğrisi, gerilimden kaynaklanan uzama miktarını göstermektedir. Isıl gerilim sonucu akma dayanımı noktasına kadar olan genleĢme miktarı elastik genleĢme iken akma dayanımı noktasından fazla uygulanan gerilim plastik deformasyona sebep olur.
Polimerlerin gerilim-gerinim eğrisi gibi birçok fiziksel özelliği (termal genleĢme katsayısı, elastik modül, Poisson oranı vb.) sıcaklığa bağıl olarak büyük değiĢiklikler göstermektedir. Bu nedenden dolayı hesaplamalarda malzemenin fiziksel özellikleri için sıcaklığa bağlı deneysel veriler kullanılmıĢtır (ġekil 2.6).
17
ġekil 2.6 PMMA’nın sıcaklığa bağlı Poisson oranı (Bierögel ve Grellmann 2014)
Polimer malzeme içerisindeki sıcaklık dağılımı, bu sıcaklık dağılımı sonucu gerçekleĢen plastik Ģekil değiĢimi miktarı ve geometrisi sonlu eleman metodu ile bilgisayar destekli nümerik benzetim yazılımı kullanılarak hesaplanmıĢtır.
Mikrolens oluĢumunda lazer polimer etkileĢimi, gelen lazer ıĢının malzeme tarafından soğurulması ile malzeme içeresinde ısıya dönüĢür. Isıya dönüĢen enerji bir taraftan sıcaklık artıĢına sebep olurken diğer taraftan malzeme içinde termal iletim, ıĢıma ve malzeme yüzeyleri üzerinden konveksiyon ısı akısı ile çevre ortama iletilir. Polimer malzemenin ısınması sonucu sıcaklık artarak genleĢme olur. Polimer malzeme sıcaklığı yüksek elastiklik sıcaklığından ya da cam geçiĢ sıcaklığından düĢük olduğunda kalıcı olmayan elastik biçim değiĢtirme gerçekleĢir. Sıcaklık, yüksek elastiklik sıcaklığından daha yüksek olduğunda uzun polimer zincirlerin kırılarak daha kısa polimer zincirlere dönüĢmesi ile kalıcı olan plastik Ģekil değiĢikliği meydana gelir.
18 MATERYAL ve YÖNTEM
3.
Mikrolens dizileri kullanım alanlarına göre çeĢitli lens çapları ve dizilimlerde üretilmektedir. Bu çalıĢma çerçevesinde mikrolens dizisi üretimi görüntüleme ve çok hücreli algılayıcılar hedef alınarak gerçekleĢtirilmiĢtir. Bu hedef doğrultusunda deneysel çalıĢmalarda kullanılacak polimer malzeme seçiminde polimerin optik kalitesi, ulaĢılabilirliği, üretim sonrası kullanım ömrü, çevresel Ģartlara dayanıklılığı ve maliyet göz önünde bulundurularak polimetil metakrilat (PMMA) seçilmiĢtir. Deneysel üretim düzeneği sürekli dalga lazer, odaklayıcı lens ve hassas tezgah bileĢenleriyle kurulmuĢtur.
3.1 Materyal
Deneysel çalıĢmalarda kullanılmak üzere polimer malzeme olarak polimetil metakrilat (PMMA) seçilmiĢtir. Metil metakrilat (MMA) monomerlerinin uzun moleküler zincirler kurması ile oluĢan bir polimerdir (ġekil 3.1). PMMA bir çeĢit amorf termoplastiktir.
Optik özellikleri görünür ve yakın kızıl ötesi bölgede %92 civarında yüksek geçirgenliği olan Ģeffaf, yüzey baĢına yaklaĢık %4 yansıtma oranı ve 1.49 kırma indisi olan birçok optik sistemde kullanılabilen bir polimerdir (Anonymous 2016: Plexiglas 99524 GT PMMA Datasheet).
ġekil 3.1 MMA (a) ve PMMA’nın (b) kimyasal yapısı
PMMA ısı ile kolayca Ģekil alabilmektedir. Bu özelliği üretim konusunda fayda sağlar iken 80⁰ C üzerindeki kullanım koĢullarına sınırlama getirmektedir. Cama benzer optik özellikleri (ġekil 3.2), esnek yapısı, daha yüksek darbe dayanımı, daha kolay iĢlenebilmesi ve en hafif camdan %45 daha hafif olmasından dolayı optik camın yerine tercih edilmektedir.
MMA PMMA
a b
19
ġekil 3.2 Farklı kalınlıklarda Ģeffaf PMMA levhaları
PMMA’ya ısı ile kolayca Ģekil verilebilmesi ve Ģekil verme iĢleminden sonra optik özelliklerinde değiĢim olmaması, kolay bulunabilirliği ve düĢük maliyetli olmasından dolayı mikrolens dizisi üretimi için tercih edilmiĢtir.
Bu çalıĢmada Evonik firması tarafından üretilen 0.175mm, 0.250mm, 0.375mm, 0.500mm ve 0.750mm kalınlıklarında Plexiglas 99524 GT PMMA film kullanılmıĢtır.
Malzemenin teknik özellikleri Çizelge 3.1’de verilmiĢtir.
Çizelge 3.1 PMMA’nın mekanik, termal ve optik özellikleri (Anonymous 2016:
Plexiglas 99524 GT PMMA Datasheet) Mekanik Özellikler
Yoğunluk (Density) 1190 kg/m3
Akma Gerilimi (Yield Stress) 103 MPa
Elastik Modül (Elastic Modulus) 3300 MPa
Poisson Oranı (Poisson’s Ratio) 0.37
Kesme Modülü (Shear Modulus) 1700 MPa
Kopma Uzaması (Elongation at break) % 4.5
Termal Özellikler
Termal Uzama Katsayısı (Thermal Expansion Coef.) 7x10-5 1/K Termal Ġletkenlik (Thermal Condutivity) 0.19 W/mK
Öz Isı (Specific Heat) 1470 J/kgK
Biçimlendirme Sıcaklığı (Forming Temperature) 150-160 ⁰ C Maksimum Kullanım Sıcaklığı (Max. Service Temp) 70 ⁰ C Alev Alma Sıcaklığı (Ignition Temperature) 425 ⁰ C
Optik Özellikler
Geçirgenlik (Transmittance) ~% 92
Yansıtma (Reflection) % 8
Soğurma (Absoption) < 0.01
Kırma Ġndisi (Refractive Index) 1.49
20 3.2 Yöntem
Pmma’nın optik yansıtma ve geçirme ölçümü 3.2.1
PMMA'nın optik geçirgenlik ölçümleri Labsphere toplama küresi ve Thorlabs 25mW güçte, 1060nm dalga boyunda düĢük güçlü lazer ile yapılmıĢtır (ġekil 3.3).
ġekil 3.3 PMMA’nın geçirgenlik, yansıtma ve soğurma ölçüm deney düzeni
Toplama küresinin giriĢ kısmından, toplama küresinin içine 25mW güçte lazer ıĢını düĢürülerek küre içerisindeki referans ıĢık Ģiddeti ölçümü yapılmıĢtır (ġekil 3.4).
Referans ölçümünden sonra PMMA numuneleri toplayıcı kürenin dıĢında bulunan lazer kaynağı ile toplayıcı kürenin giriĢ kısmı arasına yerleĢtirilmiĢtir. PMMA numune üzerine gelen lazer ıĢınının bir kısmı PMMA numunesinin yüzeylerinden yansıyarak dıĢ ortama giderken diğer bir kısmı soğrulduktan sonra toplayıcı kürenin içine düĢürülerek küre içinde ıĢık Ģiddeti ölçümü yapılmıĢtır. Yapılan iki ölçümün farkları alınmıĢ ve bir dizi ölçümün ortalaması sonucu PMMA'nın geçirgenlik oranı bulunmuĢtur.
Toplama Küresi
Kolimatör Lazer Kaynağı
21
ġekil 3.4 PMMA’nın ıĢık geçirgenlik ölçüm deney düzeni Ģeması
PMMA’nın yansıtma oranını ölçmek için toplama küresinin çıkıĢ kısmına PMMA numuneleri, giriĢ kısmına ise 25mW’lık lazer yerleĢtirilmiĢtir. Böylelikle lazer ıĢını toplama küresinden geçerken sadece PMMA üzerinden yansıyan lazer ıĢını küre içinde toplanarak numunenin yansıtma oranı ölçülmüĢtür. Yansıtma oranı geçirgenlik oranından çıkartılarak soğurma oranı tespit edilmiĢtir (ġekil 3.5).
ġekil 3.5 PMMA’nın yansıtma oranı ölçüm deney düzeni Ģeması
Mikrolens dizisi üretimi 3.2.2
Mikrolens üretiminde IPG YLR 100W 1070nm sürekli dalga fiber lazer kaynağı kullanılmıĢtır. Dalga boyu 1070nm olan lazerin hüzme çapı 11 mm ve hüzme güç dağılım profili ġekil 3.6'da gösterilmiĢtir. Lazer kaynağı ağ bağlantısı kullanılarak
1060nm LAZER 25mW
Bilgisayar
Kolimatör PMMA
IĢık Toplayıcı
Küre
Bilgisayar
Kolimatör
IĢık Toplayıcı
Küre PMMA
1060nm LAZER 25mW
22
bilgisayar ile kontrol edilmiĢtir. Yapılan çalıĢmalarda lazerin açık kalma süresi 1500ms olarak belirlenmiĢ ve sabit tutulmuĢtur. Lazerin açık kalma süresi 1500ms altına düĢürüldüğünde açık kalma süresindeki sapma miktarı artmıĢ, bu değerin üzerine çıkıldığı durumlarda ise ısı yayılımından kaynaklı etkilerden dolayı istenmeyen lens geometrisi ya da lens çapları oluĢmuĢtur.
ġekil 3.6 Lazer ıĢının enerji dağılım profili ve profilin 3 boyutlu gösterimi
Mikrolens üretimi, lazer kaynağının açık kalması süresi sabit tutularak, lazer kaynağının güç ayarlaması ile PMMA'nın ĢiĢme davranıĢı incelenmiĢtir. Lazer kaynağından çıkan ve çapı 11mm olan lazer ıĢını, odak mesafesi 50mm olan Edmund Optics 67282 küresel olmayan lens ile PMMA numunesine odaklanmıĢtır. Mikrolens üretiminin gerçekleĢtirileceği PMMA numunesi bilgisayar ile kontrol edilebilen 50nm hassasiyetli 3 eksenli tezgah üzerine tutturulmuĢtur. 3 eksenli tezgahın X ve Y eksenlerindeki hareket, odaklanmıĢ lazer ıĢınının PMMA üzerinde istenen koordinatlara düĢürülmesini sağlayarak bir mikrolens oluĢum sürecinin ardından bir diğerine geçilmesini sağlamaktadır. Z eksenindeki hareket ise odak noktasının malzeme içerisinde istenen noktaya düĢürülmesi için kullanılmıĢtır. PMMA'nın arka kısmına yerleĢtirilen Ophir Nova II güç ölçüm cihazı ile üretim esnasında verilen güç miktarı gözlemlenmiĢ ve geçen lazer ıĢınları güç ölçer üzerinde sönümlendirilmiĢtir. Kızıl ötesi kamera ile üretim süreci, termal kamera ile de mikrolens oluĢumu esnasında ortalama sıcaklık değerleri gözlemlenmiĢtir (ġekil 3.7).
23
ġekil 3.7 Mikrolens dizisi üretimi deney düzeni Ģeması
Üretilen mikrolenslerin yüzey kalitesi ve topografisi, ĢiĢme miktarları ve yüzey eğrilikleri, Bruker Contour GT dikey taramalı beyaz ıĢık interferometresi ile ölçülmüĢtür. Bu ölçümlere dayanarak mikrolenslerin çaplarında ve maksimum ĢiĢme miktarlarında oluĢan standart sapma hesaplanmıĢtır. Lazer kaynağının önüne yerleĢtirilen osiloskoba bağlanmıĢ fotodiyot ile yapılan ölçümler sonucu lazerin açık kalma süresindeki sapma tayin edilmiĢtir.
ġekil 3.8 Mikrolens dizisi üretim deney düzeneği 1070nm
LAZER 100W
Güç Ölçer IR Kamera
Termal Kamera Lens f50mm
3 Eksenli Tezgah Bilgisayar
Kolimatör PMMA
3 Eksenli Tezgah
Güç Ölçer
Odaklama Lensi
IR Kamera 2 eksenli
PMMA tutucu
Kolimatör Sönümlendirici
24 Mikrolenslerin optik baĢarım ölçümleri 3.2.3
Mikrolens dizilerinin görüntüleme ve odak mesafesi ölçümleri bilgisayar ekranıyla oluĢturulan Ģablonların 1m önüne yerleĢtirilen hareket edebilir tezgaha tutturulmuĢ mikrolens dizisinin, mikroskop objektifi takılmıĢ CCD kamera ile görüntülenmesi yapılmıĢtır.
ġekil 3.9 Optik baĢarım ölçüm deney düzeneği Ģeması
ġekil 3.9’da gösterilen ölçüm düzeneği kurularak 3 eksenli yüksek hassasiyetli tezgahın X ve Y eksenleri, mikrolensler arasında geçiĢ yapmak, Z ekseni ile de odak ayarlaması yapmak için kullanılmıĢtır. 10X, 20X ve 50X büyütme oranları olan mikroskop objektifleri ile görüntüleme baĢarımları ve odak mesafeleri ölçülmüĢtür.
ġekil 3.10 Optik baĢarım ölçüm deney düzeneği Bilgisayar
Monitörü CCD Kamera
3 Eksenli Tezgah Bilgisaya
r
Mikrolens Dizisi
Mikroskop Objektifi
Bilgisayar Ekranı
CCD Kamera Mikroskop Objektifi Mikrolens Dizisi
3 eksenli tezgah
25 BENZETĠM MODELĠ
4.
Polimer malzeme üzerinde lazer ĢiĢirme tekniği kullanılarak mikrolens dizisi üretiminde mikrolens oluĢumu, bilgisayar destekli nümerik çözümleme yazılımı olan COMSOL Multiphysics ile benzetim modeli oluĢturulmuĢtur (ġekil 4.1).
COMSOL Multiphysics, sonlu eleman analizini (SEA) kullanarak bilim ve mühendislik alanlarında çeĢitli problemleri çözümleyen bir benzetim yazılımıdır. COMSOL Multiphysics yazılımı bir ya da daha fazla, farklı ve iliĢkilendirilebilir fizik kuramlarını iliĢkilendirerek birlikte çözümleyebilmektedir (Anonymous 2016: COMSOL Multiphysics Documentation).
ġekil 4.1 COMSOL Multiphysics yazılımı ile mikrolens oluĢum benzetim modeli
Geometri modülünde boyutları belirlenerek katı modeli oluĢturulan polimer malzemenin (PMMA), üretici firmanın veri sayfası ve bilimsel yayınlar kullanılarak sağlanan mekanik, termal ve optik özellikleri COMSOL’un malzeme modülüne eklenmiĢtir.
Lazer kaynağının matematiksel modellenmesi yapılmıĢ ve ısı kaynağı olarak ısı transfer modülüne tanımlanmıĢtır. Isı transfer ve katı mekanik modülerinin sınır koĢulları tanımlanmıĢ ve ısı transfer modülü ile katı mekanik modülü eĢleĢtirilmiĢtir.
26
PMMA’nın örgü yapısı, örgü (mesh) modülünde oluĢturularak model tamamlanmıĢtır.
Zamana bağıl nümerik öteleme yöntemi ile benzetim modeli çözümlenmiĢtir (ġekil 4.2).
ġekil 4.2 COMSOL Multiphysics yazılımında modelleme adımları
4.1 Parametreler, DeğiĢkenler ve Fonksiyonlar
Benzetim modellenmesinde COMSOL Multiphysics yazılımının içerisinde bulunan fizik modüllerine ek olarak çözümleme sırasında, çözüme dahil edilmesi istenen sabitler, değiĢkenler ve fonksiyonlar bu kısımda tanımlanmıĢtır.
Parametreler kısmında tanımlanan değerler benzetim modelinin çözümlemesi boyunca sabit olan değerlerdir. Bu değerler modelleme esnasında geometri, sınır koĢulları, fonksiyonlar vb. birçok kısımda kullanıldığı gibi farklı parametrelerin tanımlanması ile art arda farklı çözümlemelerin yapılabilmesine olanak sağlar. Benzetim modelinde kullanılan parametreler Çizelge 4.1’de verilmiĢtir.
Problemin Belirlenmesi
Tanımlar ve Fonksiyonlar
Geometrinin Belirlenmesi
Malzemenin Tanımlanması
Isı Transfer ve Katı Mekanik Modülünün Sınır
Koşullarının Belirlenmesi Örgü Yapısını Tanımlanması
Çözümleme
27 Çizelge 4.1 Benzetim Modeli Parametreleri
DeğiĢkenler kısmında tanımlanan değer ise çözümleme esnasında her bir çözümleme adımı içerisinde yeniden hesaplanarak çözümleme boyunca yenilenebilen değiĢken değerlerdir. Parametreler kısmında olduğu gibi modelleme esnasında birçok kısımda kullanılabilirler ancak parametrik çözümlemeye dahil edilemezler (Anonymous 2016:
COMSOL Multiphysics Documentation).
DeğiĢkenler kısmında malzeme içerisindeki ısı kaynağı ve ısı dağılımını elde etmek için kullanılan Beer-Lambert yasası ve çözümleme esnasında istenilen noktalardaki değiĢimi gözlemlemek için kullanılan sonda (probe) değiĢkenleri tanımlanmıĢtır (Çizelge 4.2).
Çizelge 4.2 Benzetim Modeli DeğiĢkenleri Parametreler
Ġsim Ġfade Değer Açıklama
th 0.175[mm] 1.75E-4m PMMA Kalınlığı absorbC 6.2[1/m] 6.2 1/m Soğurma Katsayısı
power 30[W] 30 W Lazer Gücü
wa 1.06E-06 1.06E-06 Dalga Boyu
rm 30e-6[m] 30e-6 m Min. Lazer Ġz DüĢümü Yarı Çapı fz 25e-6[m] 25e-6 m Malzeme içi odak mesafesi
divA 0.11 0.11 f50mm Lens Iraksama
DeğiĢkenler
Ġsim Ġfade Birim Açıklama
Qz exp(-absorbC*(th-z)) - Beer Lambert absorp 1-exp(-absrobC*th) - Soğurma divZ ((rm+5*(th-z)/51)^2)/(rm^2) - Yayılım
rp1 cmax1(w) m Ölçüm Sondası 1
rp2 cmax2(w) m Ölçüm Sondası 2
rp3 cmax3(w) m Ölçüm Sondası 3
rp4 cmax4(w) m Ölçüm Sondası 4
rp5 cmax5(w) m Ölçüm Sondası 5
rp6 cmax6(w) m Ölçüm Sondası 6
rp7 cmax7(w) m Ölçüm Sondası 7
rp8 cmax8(w) m Ölçüm Sondası 8
28
Fonksiyonlar kısmında değiĢkenlere bağıl ön tanımlı ya da parametrik fonksiyonlar tanımlanabilir. Bu fonksiyonlar COMSOL’un fizik modüllerinde ya da doğrudan çözüme dahil edilerek modelleme geliĢtirilerek özelleĢtirilir.
Lazer ıĢının malzeme içerisindeki ıĢık Ģiddeti dağılımı denklem 4.1 Gauss dağılım fonksiyonu ve denklem 4.2 Gausyen lazer hüzmesinin yayılım fonksiyonu kullanılarak denklem 4.3’te gösterilen dağılım fonksiyon elde edilmiĢtir.
( ) ( ( ) )
(4.1)
Burada, r, çapsal koordinat, w(z), demet çapı,
( ) √ ( ) (4.2)
Burada, rm, en küçük lazer iz düĢümü noktası çapı, λ, lazer dalga boyu.
( ) ( (( | |) (
( ( )) ( ) )) )
(4.3) Burada, d, ıraksama oranı, t, malzeme kalınlığı, fz, malzeme içerisindeki odak noktası ile malzeme yüzeyi arasındaki mesafe.
Lazer ıĢının dağılım fonksiyonun (Denklem 4.3) lazerin yüzeyden 30µm derinliğe odaklandığında malzeme içerisindeki ıĢık Ģiddet dağılımı ġekil 4.3’te gösterildiği gibidir.
ġekil 4.3 Lazer kaynağı ıĢık Ģiddeti dağılımı kesit görüntüsü
29
Fonksiyonel tanımlaması yapılan lazer kaynağının malzeme içerisindeki ıĢık Ģiddeti dağılımının kesit görüntüsü ġekil 4.4’te gösterilmiĢtir.
ġekil 4.4 Lazer kaynağının malzeme içerisindeki ıĢık Ģiddeti dağılımı
4.2 Geometri
COMSOL yazılımında polimer malzemenin katı modeli geometri biriminde Ģekillendirilmektedir. Benzetim modeli 2-boyutlu eksenel simetri üzerine kurgulanmıĢtır.
Ġki boyutlu eksenel simetri çözümlemelerinde katı modelin kesit alanının kendi ekseni üzerinde 360 derece döndürülmesi ile oluĢturulur.
Benzetim modelinde deneysel çalıĢmalarda kullanılan PMMA numunelerine uygun olması için kesit alan olarak 30mm geniĢliğinde ve 0.175mm, 0.250mm, 0.375mm, 0.500mm ve 0.750mm yüksekliğinde dikdörtgenler tanımlanmıĢtır (ġekil 4.5).
30
ġekil 4.5 PMMA katı modelinin kesit alanı
Tanımlanan dikdörtgenlerin eksenleri üzerinde döndürülmesi ile silindirik katı model oluĢturulmuĢtur (ġekil 4.6). Malzeme içerisinde tanımlanacak ısı kaynağının olduğu bölge (lazer ıĢının odaklandığı hacim) geniĢliği lazer iz düĢümünün iki katı olan diğer bir dikdörtgen ile ayrılarak örgü yapısının bu bölgede daha küçük örgü birimlerine bölünmesine olanak sağlanmıĢtır. Örgü birimlerinin daha küçük parçalara ayrılması benzetim süresinin uzamasına neden olurken sonuçların kesinliğini artırmaktadır.
ġekil 4.6 PMMA katı modeli
31 4.3 Malzeme
Geometri kısmında, katı modeli oluĢturulan malzemenin fiziksel özellikleri bu kısımda tanımlanmaktadır. Malzemenin temel ve değiĢmez özelliklerinin yanı sıra bir değiĢkene bağıl özellikleri de fonksiyon olarak malzemeye atanır. PMMA’nın üretici firması tarafından verilen mekanik, termal özellikleri benzetim modeline eklenmiĢtir (ġekil 4.7).
ġekil 4.7 PMMA malzeme özelliklerinin tanımlanması
PMMA’nın sıcaklığa bağlı değiĢken olan özellikleri yoğunluk, termal genleĢme katsayısı, elastik modül (Young modülü), Poisson oranı ve akma dayanımı interpolasyon fonksiyonları olarak tanımlanmıĢtır. Tanımlanan fonksiyonlar Ek 7.1’de verilmiĢtir.
4.4 Isı Transfer Modülü
Isı transfer modülü, tanımlar ve fonksiyonlar bölümünde matematiksel olarak modellenen ısı kaynağı ile oluĢturulan katı modelin, kendi içinde ve dıĢ ortamla olan ısıl etkileĢiminin hesaplandığı birimdir. Sınır koĢulları ve ortam parametreleri ġekil 4.8’de gösterildiği gibi tanımlanmıĢtır.
32
ġekil 4.8 Benzetim modeli ısı transfer modülü
Isı transfer modülünde, ısı transferi katı içerisinde iletim, serbest konveksiyon ve ıĢıma yolu ile ısı iletimi olacak Ģekilde tanımlanmıĢtır. Serbest konveksiyon ile ısı iletimi PMMA modelinin bütün dıĢ yüzeyleri vasıtası ile gerçekleĢtirilmiĢtir.
4.5 Katı Mekanik Modülü
PMMA’nın mekanik yapısı, fiziksel bağlantı noktaları ve sınır koĢulları bu bölümde tanımlanmıĢtır (ġekil 4.9). Silindirik yapıdaki PMMA modeli, ince kenarlardan sabitlenmiĢtir. Mekanik yapısı olarak doğrusal elastik malzeme olarak tanımlanmıĢtır.
ġekil 4.9 Benzetim modeli katı mekanik modülü
33 4.6 Örgü Yapısı (Mesh)
Sonlu eleman metodu ile çözümlenen problemlerde çözüm, bütün problemin sonlu sayıda daha küçük bölümlere ayrılması ve bu küçük bölümlerin çözümleri ile gerçekleĢtirilir. Örgü yapısı bütün bir yapıda olan katı modelin daha küçük alt bölümlere ayrılması ile her bir alt bölümün çözümü ve birbirleriyle olan etkileĢimini sağlamaktadır. Bu modelde kullanılan örgü yapısının parametreleri ġekil 4.10’da gösterildiği gibi ısı kaynağının tanımlandığı (mikrolens oluĢumunun gerçekleĢeceği) bölgede en küçük eleman boyutu, lazer iz düĢümü noktasının 1/50’si kadar sıklıkta ve üçgen yapıda seçilmiĢtir. EtkileĢimin daha az olduğu, ısı transferinin kalıcı Ģekil değiĢtirmeye sebep olmadığı bölgelerde ise daha kaba bir örgü yapısı tercih edilmiĢtir.
ġekil 4.10 Örgü yapısı parametreleri
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
