Eğitim Sunusu

Prof. Dr. Arif DEMİR
Kocaeli Üniversitesi Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi (KOÜLATARUM) 1 Ocak 2005 yılında kurulmuştur. Disiplinlerarası işbirliği ile kurulan
LATARUM’un bünyesinde 2 Profesör Doktor, 1 Doçent Doktor ve 2 adet Yardımcı
Doçent Doktor ile birlikte çalışmalarını sürdüren 5 doktora öğrencisi ve 3 yüksek
lisans öğrencisi bulunmaktadır.
Tamamlanan 5 , devam eden 3
proje,
tamamlanan 4, devam eden 8 tez çalışması bulunmaktadır.
LATARUM’un amaçları:
Disiplinlerarası
geliştirilmesi.
işbirliği:
Ortak
amaca
yönelik
ortak
çalışma
kültürünün
Ürüne yönelik projeleri: Eşgüdümlü çalışma kavramının yerleşmesi.
Üniversite-sanayi işbirliği: Bilimsel çalışmaları endüstriyel ihtiyaçları
karşılayacak şekilde ürüne dönüştürülmeye hazır biçimde gerçekleştirilmesi.
Akademik çağdaşlık: Geliştirilen ürünlerin sanayinin kullanımına sunularak
katma değer yaratılmasını dikkate alarak ve en üst akademik birikime sahip ve en
son teknolojiyi kullanabilecek bilgi birikimiyle donatılmış eleman yetiştirilmesi.
Disiplinler Arası İş Birliği
Fizik
Makine Mühendisliği
Elektronik Haberleşme Mühendisliği
Çalışma Alanları
LATARUM Elektro - Optik Grubu
Lazer parametrelerinin ölçülmesi
Spektroskopik ölçümler
Optik özellikleri belirleyen sistemler
LATARUM Lazerle Malzeme İşleme Grubu
Kaynak, delme, kesme işlemleri
LATARUM Modelleme -Simulasyon Grubu
Lazerle oluşturulan plazma ortamlarının modellenmesi
Spektrometre tasarımları
İnce filmlerin optik özelliklerinin belirlenmesi
LAZER TEKNOLOJİLERİ ARAŞTIRMA VE
UYGULAMA MERKEZİNDE YAPILAN ÇALIŞMALAR
Atımlı JK 760 TR Nd:YAG lazeri kullanılarak
Maksimum ortalama güç
600 W
Maksimum tepe gücü
10 kW
Atım uzunluğu değişim
aralığı
0.3 ms- 50 ms
Frekans değişim aralığı
5 Hz- 500 Hz
Demet kalitesi
(mm.mrad)
Dalga boyu
28
1064 nm
CONTINUUM SURELITE
Nd: YAG LAZER
Dalga Boyu : 1064, 532, 355 nm
Atım Enerjisi: 850, 425, 255mJ
Atım Süresi: 6 ns
Atım Tekrarlama Oranı: 10 Hz
CNC Tezgahın Vakum Odacığı
Sistemi (LATARUM)
NANOSANİYE LAZER KULLANARAK
MALZEMELERİN MİKRO ÖLÇEKTE
İŞLENMESİ
Bu proje kapsamında, Kocaeli Üniversitesi Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama
Merkezinde (KOU-LATARUM) var olan olanakları kullanarak, sanayide de kullanılabilecek
seramik ve sinterlenmiş metal malzemeler üzerine, 30 – 150 mikron çaplarında, değişik ağız
açılarında ve sık aralıklarda delikler açılması ve elde edilen mikro yapıların analizinin
gerçekleştirilmesi düşünülmektedir.
LATARUM’DA TASARLANAN SPEKTROSKOPİK
ÖLÇÜM CİHAZLARI
Spektrometreler, maddenin elemental analizinde kullanılan
endüstride ve araştırma geliştirme çalışmalarında kullanılırlar.
cihazlardır,
X-ışını Kristal Spektrometre
Görünür bölge spektrometresi
Dik eksenli slit kamera
Pinhole kamera
ÇALIŞMA PRENSİPLERİ VE UYGULANDIĞI DENEY SİSTEMİ
Paralelleştirici
Ayna
Odaklayıcı
Ayna
Lazer
Spektru
m Analizi
Lazer Işın
Demeti
Giriş
Sliti
Izgara
Fiber Kablo
Bilinmeyen
Madde
CCD
Kamera
Görünür Bölge Spektrometre Dizilimi
Lazer ile malzeme işlemenin spektroskopik
incelenmesi
CCD
KURŞUN
KORUYUCU
SLİT
IZGARA
>30Å
Işık dalgası
FİLTRE
KRİSTAL
PLAZMA
~30Å
MERCEK
HEDEF
R
ZE
LA
Kristal ve Izgara Spektrometre Dizilimi
Lazer ile oluşturulan plazmadan yayılan ışınların
spektroskopik olarak incelenmesi
Pulsed Laser Deposition
Kavramsal basitlik: malzeme yüzeyine odaklanan
lazer malzemeyi buharlaştırarak malzeme ile aynı
yapıda ince bir film oluşturur.
Çok yönlülük: birçok farklı malzeme çeşidi farklı
gazlar kullanılarak, farklı sıcaklık ve kalınlıklarda
depolanabilir.
Maliyet : Tek bir lazer aynı anda birden fazla vakum
sistemine uygulanabilir.
Hız : Kısa sürede istenen kalınlıkta yüksek kalitede
kaplamalar elde edilir.
Czerny-Turner dizilimine sahip spektrometrenin optimum tasarım
parametreleri Optikwerks yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Ölçümde
kullanılan spektrometrenin dalgaboyu kalibrasyonu civa lambası
kullanılarak yapılmıştır.
Görünür bölge spektrometresi
200-1100 nm
Malzeme üstünde oluşan plazmadan yayılan ışınları kaydettiğimiz spektrometre
Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi’nin spin-off şirketi OPLAS ürünüdür.
ASTRONOMİDE KULLANILAN CİHAZLAR
™ Teleskoplar
™ Spektrograflar
™ Çoklu-mode cihazlar
Yansıtıcı Teleskop Tasarımları
- Prime focus: Usually a wide field of view camera.
- Cassgrain focus: Spectrograph of higher
resolution camera.
- Newtonian focus: Spectrograph of higher
resolution camera.
- Coude focus: VERY high resolution
spectrograph.
Farklı Yansıtıcı Teleskopların
Avantajları
Prime Focus
●
Küçük f oranı
●
inconvenient to suspend bulky pieces of equipment
Newtonian
●
Küçük teleskoplar için
●
ağır cihazların ilavesi teleskop dengesini bozabilir (3) Cassegrain
●
convenient attaching instruments
Coude
●
büyük ve ağır cihazlar (e.g. spectrograph)
→ ayrı bir oda gereklidir.
SPEKTROSKOPİ
Spektroskopi ölçülen veya hesaplanan fiziksel niceliklere yada ölçme işlemine
bağlı olarak sınıflandırılabilir.
Spektroskopinin 3 Ana Tipi
™ Yayılma
™ Soğurma
™ Saçılma
Spektroskopi Astronomide de yoğun şekilde kullanılır. Spektral analiz astronomik
kaynakların fiziksel özelliklerini öğrenmek için en önemli metodtur.
Solar Fraunhofer çizgileri; Alman fizikçi Joseph von
Fraunhofer (1787-1826)’ in adı ile anılan Güneş’in optik
spektrumunda orijinal olarak gözlemlenen spektral çizgilerin
bir serisidir. İyi tanımlanan dalgaboylarından dolayı
Fraunhofer çizgileri optiksel malzemelerin kırılma indisi ve
dağılım özelliklerini karakterize etmekte sıklıkla kullanılır.
Spektroskopide Kullanılan Cihazlar
¾ Spektrometre
¾ Dedektör
¾ Optik Bileşenler (ayna, mercek)
Spektrometre, elektromanyetik spektrumun farklı bölgelerindeki ışığın özelliklerini
belirlemek için kullanılan optik cihazdır.
Radyo elektromanyetik
X-ışını
-ışını
Mikrodalga Kızılötesi
Görünür
Spektrometre
spektrumun
özel birMorötesi
bölgesindeki
ışınımGama
özelliklerini
-3
10-3cihazdır.
-710-7 7.10-7- 4.10-7 4.10-7-10-8 10-8 - 10-12 10-12
1 - 10optik
ölçmek için1 kullanılan
bir
Dalga boyu (m)
Boyutları
Spektrum eş zamanlı olarak bir defada alınabiliyorsa, bu spektrometreye
spektrograf denir.
Yapı
İnsan
Bal Arısı İğne Başı Tek Hücreli
Molekül
Atom
Atom Çekirdeği
Elektromanyetik ışının farklı tiplerinin yalnızca dalga boyu ve frekansında farklılık
vardır, diğer yönlerdeki tüm özellikleri birbirine benzerdir. Elektromanyetik
spektrumun farklı bölgeleri için değişik spektrometre tasarımları kullanılmaktadır.
Bunun sebebi yayılan ışığın frekansı ve taşıdığı enerjinin kullanılan optiklere uygun
olması gerekliliğidir.
Konvensiyonel Slit Spectrograf
™ Giriş Aralığı (Slit): Slit görülen
ışıktan çok küçük olur.
™ Paralelleştirici: Slitten ayrılarak
gelen ışığı paralel ışına dönüştürür.
™ Kırınım elementi: ışığın farklı
renklerini farklı yönlere gönderir.
™ Kamera: Paralel ışın demetini bir
noktada birleşen ışık demetine
dönüştürerek dedektöre odaklar.
™ Detektor: CCD, IR dizi, fotografic
düzlem, v.s.
CSIRO Görüntüsü
Kırınım Elementleri
1. Kırınım Izgarası
• Çoklu slit kırınımı
• Yansıtıcı ve geçirici
•
Astronomide kullanılan ızgaraların
çoğu yansıtıcı ızgaradır.
2. Prizma
• Prizma kırılma ile ışığı
dağıtır
C
A
• Işığın farklı renklerini farklı
açılarda kırar
A’
glass
air
C’
3. Grisms
•
Geçirici ızgara prizmaya eklenir
•
Optik dizideki düz çizgi oluşmasını
sağlar:
− Tasarımı kolaylaştırır
− yarı-Littrow konfigürasyonu sorunu oluşmaz
•
γ
φ
β
r > 600/mm için verimsizdir, groove
gölgeleri ve diğer etkilerden dolayı
D1
δ
α
nG
nR
n'
o
Echelle Tasarımında ışın birbirine 90º olacak şekilde 2 defa
kırınıma uğrar, bunun için çapraz kırınım elementi olarak ızgara,
prizma veya grism kullanılabilir.
δλ
Serbest spektral aralık Δλ = λ/m
m-2
m-1
m
y
m+2
m+3
Δy ∞ λ2
Echelle spektrografta çapraz kırıcı olarak Izgara kullanıldığında
y
Δy ∞ λ–1
Echelle spektrografta çapraz-kırınım elementi olarak Prizma
kullanıldığında
Çapraz-Kırınım Kullanıldığında
Dispersiyon
Izgara
Prizma
Dalgaboyu artışı
Grism
Δy ∞ λ2 · λ–1 = λ
Izgara Parametrelerinin Tasarıma Katkıları
Spektral çözünürlük spektral slit genişliklerinin azalması ile
iyileştirilebilir, ancak parlaklık da azalacaktır!
Çözünürlük
Çizgi
Sayısı/mm
Odak
Uzunluğu
Slit Darlığı
Kararlılık
Parlaklık
ASTRONOMİDE KULLANILAN
KAMERALAR
9 Göz
9 Dedektörlerde devrim: Fotografik Düzlemler
9 Tek kanal dedektörler: Foto-çoğaltıcılı Tüp
9 Çok-Kanallı Ddedektörler (Diziler): Fotografik Düzlemler
9 CCD: Dijital devir
•
•
Kameralar optik cihazlar arasındaki en komplike elementlerdir.
Sorunlar teleskop çapının artması ile artar. Büyük teleskoplar hızlı
kamera F/N oranı gerektirir.
Astronomide Kullanılan İlk Dedektör
Retina
• Işığa hassas, kimyasal işlemler oluyor
Rods
• 100 milyon
• 2μm genişliğinde
• düşük ışık seviyelerini belirleyebilir
Cones
• renk bilgisi
• 7 milyon
•mm2 başına1000
Reusable
•Toplama zamanı100 ms
Kuantum verimliliği ~1%
Çözünürlük 80 arcsecs
CCD
CCD düşük seviyedeki ışık ölçümüne hassastır.
CCD
CCD KAMERA
Önden aydınlatılmış FI-CCD
Arkadan aydınlatılmış BI-CCD
400-900nm
~700 nm % 50 QE
80 nm-200 nm düşük performans
0.1 nm-1100 nm
%90’a varan yüksek kuantum verimliliği
™ yüksek hassaslığa
™ iyi işaret/gürültü oranına
™ geniş dinamik aralığa
™ iyi uzaysal çözünürlüğe sahiptir.
Spektrometre tasarlanırken,
belirlenmelidir.
Thick Front-illuminated CCD
kullanılacak
CCD
bu
özellikler
dikkate
alınarak
Thin Back-illuminated CCD
CCD BOYUTLARI
Yıldız Spektrumu
Kırınım Ağı
(Izgara, Prizma, Grism)
Kırmızı
Turuncu
Sarı
Yeşil
Mavi
Çivit
Menekşe
λ
Şiddet
an
plan
o
t
p ile şığı
o
k
s
ı
Tele yıldız
λ
Spektrograf Odağı
Spektrumdalgaboyun
un fonksiyonu olarak
ışık şiddeti çizimidir
Spektrograf dedektörde slitin bir görüntüsünü üreten bir
kameradır. Kırınım ağı görüntüyü dalgaboyunun
fonksiyonu olarak oluşturur.
Slit kullanarak
Fiber kullanarak
Kırınım ağı ile
Kırınım ağı ile
Astronomide Kullanılan Klasik Spektrograf
Paralelleştirici Ayna
Odaklayıcı
Ayna
Çatal yerleşiminde
Coude Dizilimli
Optikler
Slit
Izgara
Fotografik
Tabaka veya
Dijital Dedektör
SPEKTROGRAF TASARIMLARI
Spektrum eş zamanlı olarak bir defada alınabiliyorsa, bu spektrometreye spektrograf denir.
4 ana spektrograf tipi;
•
Long slit spektrograf
•
Echelle spektrograf
• Integral field spektrograf
•
Fiber fed spektrograf
Long Slit Spectrographs
Çoklu modda çalıştığından uygulama aralığı sınırlıdır, bu tip spektrograflar
nadiren özel uygulamalar için üretilir.
Echelle Spektrograf
Echelle spektrograflar yüksekliği çok küçük olan slitler ile çalışır (yalnızca birkaç
arc sec)
2 kırınım element ile çalışır.
1.
Echelle ızgara
2.
Çapraz kırıcı
Kamera
Aynası
Çapraz
dağıtıcı
Teleskoptan
gelen ışınlar
Izgara
Düzeltici
Dedektör
Slit
Paralelleştirici
Ayna
Integral Field Spectrograph
Bu
cihazlarda
gereklidir.
uzun
slit
tasarımları
Görüntü dilimleyici slit boyunca alanı
dizmek için kullanılır.
2 çeşit görüntü dilimleyici vardır;
1) Mirror based
2) Optical fiber
Fiber Fed Spectrographs
•
Bu spektrograflar geniş alanda birkaç nesnenin spektrum üretmesi için
kullanılır.
•
Fiber pikup cihazlar ile kullanılır.
•
F/N adaptasyonu fiberlerin giriş ve çıkışında gereklidir.Bu fiberin dış
yüzeylerine mikro merceklerin kullanımı ile sağlanabilir.
Simple Fiber fed Spectrograph
Spektrograf Tasarlanırken
Ele Alınan Parametreler
¾ Kullanışlı dalgaboyu aralığı
¾ Görüntü parlaklığı
¾ Spektral Çözünürlük
Özel amaçlar için spektrometre seçimi genelde bu 3 faktörü
temel alarak yapılır.
Çözünürlük gücü
Lineer dispersiyon
önemli parametrelerdendir.
Tasarımda Önemli Parametreler
• Spektral Çözünürlük, Çözünürlük Gücü:
R = λ/Δλ
− λ ilgilenilen dalgaboyu
− Δλ çözülebilecek en küçük dalgaboyu aralığı
− “düşük” çözünürlük 10<R<1000
− “orta” çözünürlük 1000<R<10,000
− “yüksek” çözünürlük R>10,000, R>100,000
• Dispersiyon – Δλ/pixel or Δλ/Å
Düzlem Faktörü
–1
P = ( f A) = ( f
–1
dβ
dλ
P = ( f A) = ( S
dβ
dλ
–1
)
–1
)
P is in Angstrom/mm
P x CCD pixel size = Ang/pixel
φ
δα
d1
w
A
D
δβ
w´
h´
h
f
d2
f1
f2
D = Teleskop çapı
f = Teleskop odak uzunluğu
d1 = Paralelleştirici çapı
f1 = Paralelleştirici odak uzunluğu
d2 = Kamera çapı
f2 = Kamera odak uzunluğu
A = Kırınım elementi
φ
δα
d1
w
A
D
δβ
w´
h´
h
f
d2
f1
f2
w = slit genişliği
Giriş slitnin paralelleştiricideki
Giriş sliti φ ve φ´ açıları: açıları δα ve δα:
φ = w/f
δα = w/f1
δα´= h/f1
φ´= h/f
w´ = rw(f2/f1) = rφDF2
h´ = h(f2/f1) = φ´DF2
F2 = f2/d1
r = Kırıcı elementten kaynaklana büyütme
..= d1/d2
w = slit genişliği
h = slit yüksekliği
Giriş sliti φ ve φ´ açıları:
φ = w/f
φ´= h/f
D = Teleskop çapı
f = Teleskop odak uzunluğu
d1 = Paralelleştirici çapı
f1 = Paralelleştirici odak uzunluğu
d2 = Kamera çapı
f2 = Kamera odak uzunluğu
A = Kırınım elementi
w´ = rw(f2/f1) = rφDF2
Bu eşitlik dedektör için slit seçmede önemlidir.
2Δ = rφDF2 Nyquist sampling için (2 piksel projection of slit).
1 CCD pixel (Δ) typically 15 – 20 μm
Örnek 1:
φ = 1 arcsec, D = 2m, Δ= 15μm => rF2 = 3.1
Örnek 2:
φ = 1 arcsec, D = 4m, Δ= 15μm => rF2 = 1.5
Örnek 3:
φ = 0.1 arcsec, D = 100m, Δ= 15μm => rF2 = 0.6
5000 A
n = –2
4000 A
5000 A
4000 A
n = –1
n=0 ışık
4000 A
5000 A
4000 A
5000 A
n=1
n=2
Izgara Eşitliği
σ
βb
φ
α
mλ
σ =
sin α + sin βb
1/σ = grooves/mm
Açısal Dispersiyon:
m
dβ
= σ cos β =
dλ
Lineer Dispersiyon:
dλ
dλ dβ
=
=
dx
dβ dx
sin α + sin β
λ cos β
dx = fkam dβ
1
1
fkam dβ/dλ
Angstrom/mm
Geniş açısal dispersiyon, ızgara spektrografın düzlem faktörü echelle
spektrografta daha kısa odak uzunluklu kamera aynası kullanılarak elde
edilebilir.
Çözünürlük Gücü:
dx = f2 dβ Δλ
dλ
w´ = rw(f2/f1) = rφDF2
dβ
f2
Δλ = rφDF2
dλ
F2 = f2/d1
rφ
δλ =
A
R = λ/dλ =
D
d1
λA 1
r
φ
Teleskop için verilen
paralelleştirici çapına
bağlıdır.
d1
D
Örneğin;
R = 100.000
D(m)
A = 1.7 x 10–3
φ (arcsec)
d1 (cm)
2
1
10
4
1
20
10
1
52
10
0.5
26
30
0.5
77
30
0.25
38
Difraksiyon Limiti için Parametreler
Difraksiyon limitini slit genişliği tanımlar
φ= λ
D
λ A D
R=
r
λ
R
100000
1000000
d1
A
d1
=
D
r
d1
0.6 cm
5.8 cm
Teleskop/Paralelleştirici için F/# (Odak uzunluğu/Çap) eşit olmalıdır.
1/F
1/F1
1/f; NA sayısal açıklık
F1 = F
Paralelleştirici
F1 > F
d/1
R ~ d1/φ
F1 < F
d1 küçük olması => φ küçük olması gerekmektedir!
Yüksek Dispersiyondaki Sınırlar
•
•
Problem: detektör boyutu, şekli
Genelde küresel veya 1x2 formatında
− Konvensiyonel ızgara spektrograflar spektrumda çok
yüksek dispersiyon neden olur, CCD üstüne fit edilemez.
•
Çözüm: echelle ızgara
− Yüksek order çalışır (n=100)
− 2. bir kırıcı element dik yönde ışını ayırır.
Dalgaboyu çözünürlüğü teleskobun f/# ve
slit genişliği ile sınırlandırılır.
Echelle Spektrograf Parametreleri
Echelle ızgara
Echelle ızgaranın çizgi yoğunluğu 30-300 groove/mm
Blaze açısı (gelme açıları geniş) ~ 63,5º
Yüksek order girişim (10-100)
Echelle Spektrograf Tasarımı
Fiber çıkışı
Echelle grating
Ayna ve motorize slit
Giriş sliti
CCD kamera
Düz ayna
Eksensiz
paraboloid
ayna
Prizma
Echelle Spektrograf Tasarımı
CCD Dewar
Paralelleştirici
2. Kırıcı
Prizma
Grating
Folding
Ayna
Işın sistemden 2 defa geçer, ızgara veya CCD hareket ettirilerek dalgaboyu
taraması uzaktan kontrol edilebilir.
Echelle Spektrografın Getirdiği Avantajlar
¾ Echelle ızgara düşük blaze ızgaradan daha yüksek açılar dispersiyona
sahiptir, bu da kamera ve paralelleştirici olarak kullanılan elemanların (ayna,
mercek) daha kısa odak uzunluğu kullanmalarına olanak sağlar (Kompakt
Tasarım).
¾Teleskop uygulamalarındaki diğer bir avantaj ise sınırlı ışık toplama
kapasitesidir, aynık çözünürlük değerleri dikkate alındığında Echelle
spektrografın optik çıkışı (çözünürlüğü arttırırken çıkış azalması kaçınılmaz!)
klasik ızgara spektrograftakinden daha büyüktür.
¾CCD gibi 2 boyut formatındaki elektronik dedektörlerin her bir pozu geniş
dalgaboyu kaplamasını sağlar.
Astronomide kullanımı temel alındığında arzu edilen maksimum çözünürlük gücüdür.
Etkileyen parametreler;
Echelle ızgara
Işın boyutu
Kamera
Paralelleştiricinin odak uzunluğu
Dedektor boyutu
Dalgaboyu aralığının artması order sayısını arttıracaktır.