LAZERLER

Lazer Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi

2006

SUNU PLANI

• Lazer Nedir?• Lazerin Tarihçesi• Lazerlerin Kullanım Alanları• Lazer Çeşitleri• LATARUM’da kullanılan ve

kullanılması tasarlanan lazerler

LAZER NEDİR?Light Amplification Stimulated Emission

RadiationLASER

Uyarılmış Işıma ile Kuvvetlendirilmiş Işık

Albert Einstein(1916)

Basitleştirişmiş tipik bir lazer şeması

LAZER NEDİR?

Basitleştirişmiş tipik bir lazer şeması

LAZER NEDİR?

LAZERİN TARİHÇESİ

1916 ALBERT EINSTEIN – Işığın yayılma teorisi. Uyarılmış ışıma kavramı.

1928 RUDOLPH W LANDENBURG – Uyarılmış ışımanın varlığının kanıtlanması ve negatif soğurma. 1940 VALENTIN A FABRIKANT – Sayı yoğunluğu tersiniminin olma olasılığı.

1947 WILLIS E LAMB R C RETHERFORD –Uyarılmış ışımanın ilk gösterimi.

1951 CHARLES H TOWNES, ARTHUR SCHAWLOW, ALEXANDER PROKHOROV, NIKOLAI G BASOV, JOSEPH WEBER – İlk MAZER yapıldı.

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

LAZERİN TARİHÇESİ

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

LAZERİN TARİHÇESİ

1961 ALI JAVAN, WILLIAM BENNET JR. , DONALD HERRIOT - Bell Laboratuarlarında HeNe LAZER’in keşfi.

1962 ROBERT HALL General Elektrik Laboratuarlarında yarı-iletken LAZER’in keşfi.

LAZERİN TARİHÇESİ

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

LAZERİN TARİHÇESİ

1964 KUMAR N PATEL - Bell Laboratuarlarında CO2 LAZER’in keşfi.

1964 WILLIAM BRIDGES - Hughes Laboratuarlarında Argon İyon LAZER’in keşfi. 1965 G PIMENTEL&J V V KASPER – Kaliforniya-Berkley ilk kimyasal LAZER

1966 W SILFVAST &G FOWLES AND HOPKINS - Utah üniversitesinde ilk metal buhar LAZER - Zn/Cd

1966 PETER SOROKIN, JOHN LANKARD IBM Laboratuarlarında ilk boya lazer.

LAZERİN TARİHÇESİ

1970 NIKOLAI BASOV GRUBU - Moskova Lebedev Laboratuarlarında Xenon (Xe) ile yapılan ilk Excimer LAZER 1974 J J EWING &C BRAU - Avco Everet Laboratuarlı ilk nadir gaz halojenür excimer.

1977 JOHN M J MADEY GRUBU - Stanford Üniversitesinde ilk serbest elektron lazeri.

1969 G M DELCO - Otomobil uygulamaları için üçlü lazerlerin ilk endüstriyel donanım

1980 G PERT GRUBU - İngiltere Hull Üniversitesinde X-ışını lazer etkisinin ilk raporu.

LAZERİN TARİHÇESİ

1984 D MATTHEW GRUBU - Lawrance Livermore Laboratuarlarında ilk X-ışını lazer gözlendi.

Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan X-ışını

X-ışını lazerin bir plazma ile etkileşimi

X-ışını lazerler litografide ve Hohlaryum plazmaların incelenmesinde kullanılır

1981 A SCHAWLOW & N BLOEMBERGEN - Lineer olmayan optik ve spektroskopide Nobel fizik ödülü.

LAZERİN TARİHÇESİ

Gaz Lazerleri

Sıvı Lazerleri

Katı-hal Lazerleri

Diğer Lazerler

•Atom Lazerleri Helyum-Neon Lazeri•Molekül Lazerleri CO2 Lazeri Nitrojen Lazeri Uzak kızıl-altı Lazeri Excimer Lazeri •İyon Lazerleri Argon İyon Lazeri Kripton İyon Lazeri•Metal Buharı Lazerleri Bakır Buharı Lazeri Altın Buharı Lazeri

•Boya Lazerleri

Yakut Lazeri Nd-YAG Lazer Ti-Safir Lazeri

•X-Işını Lazerler•Serbest Elektron Lazerleri•Fiber Lazerler

Yarı-İletken Lazerler

Diyot Lazeri

LAZER ÇEŞİTLERİ

LAZERLERİN KULLANIM ALANLARI

• Tıpta• Endüstride• Savunma Sanayisinde• Telekomünikasyonda• Mikro Biyolojide• Uzay Teknolojilerinde• Oyuncak ve Eğlence Sektöründe

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

Lazer

çıkışı

Lamba

Yansıtıcı oyuk

Ön ayna(Kısmi yansıtıcı)

Beslemeli ayna

(Yansıtıcı)

Nd:YAGçubuk

Xenon veya Kripton lamba ile pompalanan lazer

•Metal yüzeyler tarafından soğurulması CO2 lazerden daha iyi olduğu için Nd:YAG lazerlerin kullanılması daha uygundur.•Nd:YAG lazerin ışıması optik fiber yoluyla çalışılacak parça üzerine taşınabilir. Bu kullanmayı kolaylaştırır ve demet anahtarlaması, bölüştürülmesi ve şekillendirilmesi için olasılıkları oluşturur.

Kesme Delme

Kaynak •Sanayide metalleri özellikle de yansıtıcı metalleri kesme, delme işlemlerinde tercih edilir. Seramik gibi metal olmayan materyalleri işlemede de kullanılır.•Nd:YAG lazerler küçük parçaların veya ince malzemelerin kaynak işlemlerinde kullanım avantajına sahiptir.

Nd-YAG Lazerler

CO2 lazeri, kızıl-altı bölgede, aktif ortamı karbon dioksit olan lazerlerdir. Dalga boyu 10.6 micron olan CO2 lazeri 40kW’a kadar güce sahip olabilir. Rezonatör içinde yüksek gerilim ile uyarılan gaz sonucu oluşan demet, bir noktaya aynalar veya mercekler ile taşınır. İşlemedeki başarı gazın saflığına bağlıdır.

Eksenel gaz akışlı lazer

Aynalar Lazer demeti

Lazer aktif

ortamı

ElektrikseldeşarjGaz akışı

Lazerdemet ekseni

Endüstride özellikle 2-12 kW’a kadar güç gerektiren uygulamalarda kullanılır. CO2 lazeri birçok metal, plastik, ağaç, kuvars, seramik ve cam işlemede tercih edilmektedir

CO2 Lazerler

Femtosaniye (10-15) atım süresine sahip lazerlerdir

• Femtosaniye lazerlerin malzeme işlemede kullanılması ile üretimi yapılan Malzemelerin boyutları nanometre (nm) mertebelerine kadar indirilmiştir. Fotolitografi tekniği kullanılarak sadece düzlemsel yüzeyler işlenebilirken femtosaniye lazerler kullanılarak 100 nm mertebelerinde 3 boyutlu metal ve dielektrik malzemeler işlenebilmektedir

• 100 fs süreli bir atım insan saçının küçük bir bölümünü kat ederken, ışık bir saniyede dünyanın çevresini 7,5 kez dolaşır.

• Femtosaniye lazer atımları ile malzeme işlemenin temel avantajları:

• İ ) Verim, hızlı ve yerel enerji aktarımı.• İİ ) İyi tanımlanmış deformasyon ve aşındırma.• İİİ ) Minimum ısısal ve mekanik zarar.

Ti-Saphire Lazerler

Plastik medikal alet üzerine açılmış delik (~80um)ve lazerle kaynak edilmiş ameliyat bileşeni

Paslanmaz çelikte 10 µm çapında delikler.

Hücre çekirdeği (850 nm)Nöron büyümesi (730 nm) Büyüyen polen (930 nm)

Ti-Saphire Lazerler ile üretilebilen fs lazerlerin

kullanım alanları

X-ışını lazerler

Pinhole kamera

Kristal spektrometre

CCDCCD

Uzaysal çözücü eksenel spektrometre

Hedef Ekseni

Döner ayna

OAP

OAS

HEDEF

X-ışını lazerler, lazerle oluşturulan yüksek yoğunluklu plazmalar kullanılarak üretilir.

Dalga boyları 35 Å ile 400 Å arasında değişim gösterir.

ÜRETİM ÇEŞİTLERİ1. Tekrar-birleşme ile pompalanan2. Çarpışma ile pompalanan

-Yarı kararlı durum (QSS) pompalaması-Çok kademeli atımlı pompalama -Geçici pompalama-Optik alan iyonlaşma (OFI) pompalaması -Kılcal tüpte deşarj

X-ışını lazerlerin uygulama alanları

0.25 μm yapılar 0.2 μm yapılar

LİTOGRAFİ PLAZMA İNCELEME

GÖRÜNTÜLEME MİKROSKOBUNDA

X-ray mikroskobu ile elde edilen kök sperm hücresi

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

•100.000 saat diyot ömrü•Az yer kaplar•Yüksek verim CO2 - 10%, Nd-YAG - 2%, Fiber - 25%•Katı-hal lazer teknolojisi•Fiber optik dağıtıcı ile korunan yüksek kalitede ışın

Fiber Lazerler

Kesme (Cutting)

Kaynak (Welding) Hibrit Kaynak (Hybrid welding)

Yazı kazıma (Etching)

Fiber Lazerlerin tercih edildiği malzeme işleme yöntemleri

Fiber Lazerler

•Yarı iletken lazerlerdir ve p-n ekleminden (p-n junction) elektrik akımı geçirilmesi ile elde edilen bir aktif ortama sahiptir.•Yarı-iletken diyotlar önemli elektronik parçalardır. Yaklaşık 0.5 W gücündeki yarı iletken diyotlar, Telekomünikasyonda kolay monte edilebilir olması ve fiber optik iletişim ile kolaylıkla etkileşebilen ışık kaynakları olduğundan dolayı tercih edilirler.•Rangefinder gibi ölçü aletelerinde, Barkot okuyucularda kullanılır. Görülebilir lazerler özellikle kırmızı ve yeşil lazer pointer olarak kullanılır.• CD çalıcı, CD-ROMS ve DVD teknolojilerinde kızıl-altı ve kırmızı lazer diyotlar kullanılır.

•Mavi lazerler, HD-DVD ve Blu-Işın teknolojilerinde kullanılır. Yüksek güçlü lazer diyotlar (yaklaşık 100 W ile 2 kW arasında), ısıtma, kaplama, dikiş kaynak gibi endüstriyel uygulamalarda geniş olarak kullanılır.

• Yüksek hız ve düşük maliyet nedeniyle tercih edilirler.

Yarı-İletken Diyot Lazerler

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ LAZER TEKNOLOJİLERİ

ARAŞTIRMA ve UYGULAMA MERKEZİ

Disiplinler Arası iş birliğiFizik Grubu

Elektronik haberleşme Grubu Makina GrubuLatarum

LATARUM’da kullanılan ve kullanımı tasarlanan

lazerler• Nd-YAG lazer (ms)• Nd-YAG Lazer (ns)• X-Işını Lazer

JK760TR GSI LUMONICS Nd: YAG LAZER 

Dalga Boyu: 1064 nm

Ortalama Güç: 600 W Atım Enerjisi: 0.653 J – 100 J  Atım Süresi: 0.5 ms – 20 ms  Atım Tekrarlama Oranı: 5 Hz – 500 Hz Lazer Kafasının x-y-z Doğrultusunda Hareket Hızı : ≤50 mm/s Lazer, fiber kablo aracılığıyla çalışılacak örnek üzerine taşınmaktadır.

LATARUM’da halen kullanılan 1. lazer :

JK760TR GSI LUMONICS Nd: YAG LAZER 

KOÜ-LATARUM Nd: YAG Lazerle malzeme

işleme

CONTINUUM SURELITENd: YAG LAZER Dalga Boyu : 1064 nm Atım Enerjisi: 850 mJ Atım Süresi: 6 ns Atım Tekrarlama Oranı: 10 Hz I. Harmonic :

Dalga boyu: 532 nmAtım Enerjisi: 425 mJ

II. Harmonic:Dalga boyu: 355 nmAtım enerjisi: 225 mJ

LATARUM’da halen kullanılan 2. lazer :

SURELITE CONTINUUM Nd: YAG LAZER 

Pinhole kamera

KristalSpektrometre

Görünür bölge spektrometresi

Lazer ile hedef etkileşiminde ortamı incelemek üzere

LATARUM’da üretilen aletler

• W.T.Silfvast,Laser Fundamentals, Chambridge University Press, 1996.

• R. C. Elton, X-ray Lasers, 1990• Laser Institute of America web page• www.metaldunyasi.com• www.latarum.kou.edu.tr

Yararlanılan Kaynaklar