Teknik Makale

Akronim: İngilizce dilinde “Laser” kelimesi; Light Amplification Stimulated Emision Radiation kelimelerinin baş harflerinden türetilmiştir. Günümüzde sağlıktan sanayiye kadar yaşamımızın nerdeyse tüm alanlarına girmiştir. Hayatımıza doğrudan etkisi olan önemli bir teknolojidir.

 

1917 yılında Albert Einstein lazer ışınımının teorik esaslarını geliştirmiştir. 43 yıllık tarihsel sürecin sonunda Theodore Mainman 1960 yılında cıva buharı lambası ile uyarılan Ruby kristalinden ilk lazeri ışınımını üretmiştir. Üretimin fiziksel mantığı: verilen bir dalga boyundaki ışın, özel hazırlanmış bir ortamdan geçtiğinde, o ortamdaki atomları uyardığında

foton enerjisi emisyonu olur. 

 

Lazer pompası adı ile anılan enerji kaynağından lazer aktif ortama (Nd-YAG çubuk, Yb-YAG disk, CO² gaz vb.)  foton enerjisi beslenir. Optik boşluk veya ayna düzenlemesi ile öne arkaya yansıtarak amplifeye olur. Soldaki 1 numaralı ayna oluşan lazer ışınımını tamamen yansıtırken sağdaki ayna kısmen yansıtmakta, ışının dışarıya çıkmasına izin vermektedir1. 

Resanatörde üretilen lazer ışını mercek yardımı ile fiber optik kabloya aktarılır. İstenilen noktaya taşınan lazer ışını mercekler yardımı ile iş yapacağı ortama gönderilir. Lazer ışınımının kullanılacağı alanına göre tasarımlar yapılır. Bunlar; güç kaynağı, lazer ışınının odaklanmasını sağlayan, kullanım alanına göre tasarlanan optik lazer kafası ve lazer kafasını hareket ettiren robotik koldur. Bütün bu aksamlar, yazılım aracılığı ile çok hassas kontrol edilir.              

 

Lazer, ışığı tek dalga boyunda yayar ve lazer ışınımının uzun mesafelerde kolimasyonunu ve odaklanmasını sağlanır. Temporal yayınım; lazerin çok dar bir dalga boyunda, tek bir renkte femtosaniyelerden daha küçük, çok kısa darbelerde geniş bir dalga spekturumunda oluşmasını sağlar. Temporal olamayan lazer tipleri uygulamada sıklıkla karşılaştığımız tiplerdir. Uygulamada; Helyum-neon lazeri ve Argon lazeri halen kullanılmaktadır. Ancak diod lazerler ucuz olup daha sıklıkla kullanılır. Günümüzde Fiber lazer çok kilovatlı uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Erbiumla katkılandırılmış Fiber lazer kısa,  pikosaniyede, darbeler üretir. Telekomünikasyonda fiber üzerinden iletişimi sağlamaktadır. 

 

Karbondioksit lazeri, kızılötesi dalga boyunda, yüksek kilovatlı enerji üretebilmesi sebebi ile imalat sanayinde sıklıkla kullanılmaktadır. Nd:YAG (neodymium ytrrium aluminium  garnet: Nd:Y3Al5O12); Nd ile katkılandırılmış YAG lazer cihazı; hafif kullanışlı, taşıması kolay, endüstriyel askeri uygulamalara uyarlanması kolay lazer çeşididir. Kızılötesi dalga boyunda lazer ışını üretir. Lazer pompası diyottur. Kimyasal lazer savunma sanayinde lazer silahlarında kullanılır. ABD deniz kuvvetleri tarafından geliştirilmiş, deuterium flouride lazeri kimyasal lazerdir. MIRACL lazeri (Mid Infrared Chemical Laser), MW sınıfında, 1980’li yıllarda operasyonel hale getirilmiştir. Exciplex olarak da isimlendirilen Eximer lazeri UV lazeri olup, mikroelektronik cihazların, yarı iletken tabanlı devrelerin imalatında, mikro işlemede, göz cerrahisinde yaygın olarak kullanılır. Lazerin; optik disk sürücülerinde, lazer yazıcılarda, barkod tarayıcılarında, lazer işaretleyicilerde eğlence sektöründe lazer ışıklandırmada, tıpta (lazer cerrahi deri tedavisi) gibi alanlarda sayısız uygulamaları vardır.
 

 

Lazer ışığının monokromatikliği, kararlılığı sebebiyle başlangıçta spektroskopi ve ölçümlerde kullanılmıştır. Lazer, gücü arttıkça malzeme işleme teknolojilerinde de yer almaya başlamıştır. Bunların hepsi, Ruby lazeri ile geliştirilmiştir. Aynı zamanda 1950’li yıllar dijital teknoloji ile nümerik kontrolün (NC) hayatımıza girdiği yıllardır.

 

“Ruby pulse” lazerinin keşfinden sonra, nümerik kontrol ve lazer ışınımını kullanarak delme operasyonları ilk “metal işleme” örneğidir. “Gilette”, 250 W gücündeki Nd:YAG (neodymium ytrrium aluminium garnet) kızılötesi  lazer nokta  kaynağını  kullanarak, bir kartuşu saniyeler içerisinde üretip, 1995’li yıllarda günde milyonlarca tıraş bıçağını üretmeye başlamıştır.

 

1994 yılında ise Oras Oy (Rauma Finlandiya) banyo ürünlerinde marka işaretlenmesinde lazer kullanmaya başlamıştır.

 

Mutfak mobilyası üreticisi Nelko Oy (Laphanti Finlandiya) ahşap malzeme üzerinde kızıl ötesi karbondioksit lazerinde gelen pulse boylarını kullanarak değişik renk ve tekstürde şekiller oluşturmuştur.

 

Sanatta, iç ve dış mekân mimarisinde lazer teknolojileri tasarımcılara geniş imkânlar sunar.

 

Lazer teknolojisi tıp bilimlerinin birçok alanında önemli katkılarda bulunmuştur. Lazer teknolojilerinin tıp bilimlerinde ilk defa kullanımı göz alanındadır. Birkaç vatlık argon iyon gaz lazeri retinal tedavide kullanılmıştır. Günümüzde lazer esaslı kozmetik cerrahi en geniş halk kitlelerine uygulanmaktadır. Dişçilikte, jinekolojide, ürolojide, nörocerrahide ve birçok farklı tıp alanında lazer teknolojisinin sağladığı olağanüstü hassas minimum invasive cerrahi özelliğinden yararlanılmaktadır. Lazer in Situ Keratomilesus (LASIK);  göz cerrahisinde mikro cerrahi ve lazer teknolojisini birleştiren bir tekniktir. Miyop ve hipermetrop tedavisinde kullanılır. Keratome; doğal bir polimer olan 0.15 mm kalınlığındaki kornea dokusunu yüksek hızda dönerek kaldırmaktadır. Kornea dokusu morötesi lazer ışığına (argon florür eximer laser) maruz bırakılır. Bilgisayar kontrollü sistemle göz üzerinde hareketi sağlanan lazer ışığı yardımı ile birkaç mikrometre kalınlığında (milimetrenin binde biri) doku kaldırılır. Süreç termal olmayan bir süreçtir. Morötesi ışığın enerjisi, olağanüstü hassasiyette, sadece moleküller arası bağı koparacak kadardır. Uzaklaştırılan dokunun miktarı saç kılı kalınlığından daha azdır. 

 

Termal etkili lazer ışığının tıp bilimlerinde uygulaması da vardır. Doğal bir polimer olan deride kızılötesi karbondioksit lazer sayesinde buharlaştırılarak kırışıklıklar giderilebilir. Katı Ruby kristali ile üretilen lazer ışığı deride istenmeyen tüylerin, kılların uzaklaştırılmasında da kullanılır. 

 

Lazer ışığı sadece tıbbi işlemlerde kullanılan bir teknoloji değildir. Aynı zamanda medikal aletlerin imalatında da yaygın kullanım alanı vardır. Kateter, stent imalatında lazer bazlı mikro işleme ve bağlama sistemleri kullanılır.

 

Günümüzde sanayinin her alanında neredeyse sınırsız uygulamaları vardır, lazerin. Sanayinin, bilimin vazgeçilmez teknolojisi olmuştur. Bu bağlamda bilim insanlarına ve mühendislere çok geniş uygulama olanakları doğmakta ve yeni ufuklar açmaktadır. Ülkelerin başarılarını, varlıklarını sürdürebilmeleri bu teknolojileri geliştirme ve uygulamadaki becerilerini uluslararası güç savaşında gösterebilmelerine bağlıdır. Lazer teknolojilerinin sanayide uygulamaları; kaynak, kesme, yüzey sertleştirme, mikro işleme, markalanma, delme, eklemeli imalat, lazer yüzey giydirme şeklindedir.

 

Lazer ışınımı; yüksek güçte ve yüksek enerji yoğunluğunda ısı kaynağı olarak, malzemeleri birbirine birleştirmede kullanılan önemli bir tekniktir. 0.25 mm kalınlığındaki paslanmaz çelik sacın birleştirilmesi ile Ruby lazeri ile ilk lazer kaynak 1963’lü yıllarda uygulanmıştır. Otomobil üretiminde çok kilovatlı Nd-YAG lazerleri otomobil üretim imalat hattının vazgeçilmez sistemleridir. Otomobil endüstrisinde saç malzemelerin kaynağı, yol gürültüsü, çarpışma, sağlamlık özelliklerinin geliştirilmesinde önemli yere sahiptir6. Değişik lazer esaslı birleştirme, lehimleme, mikro elektronik endüstrisinin ihtiyaçları doğrultusunda geliştirilmiştir. 1973 yılında Ford Motor Şirketi ABD otomotiv sektöründe lazer kaynağının ilk adımını atmıştır. 

 

50W gücünde CNC kontrollü ilk lehimleme CO² lazeri 1976 yılında Loeffer tarafından imal edilmiştir.
 

Lazer teknolojisi ile yüzey sertleştirme işlemi, lazer ışınımının çelik yüzey üzerine odaklanarak martenzit oluşumunun sağlandığı difüzyon kontrollü su verme işlemidir. Çelik yüzeyi lazer ışınımına maruz bırakılarak ısı enerjisi; 1000Ks-1 sıcaklık hızında, yaklaşık 1200 °C yüzey sıcaklığında, aktarılır. Mikro yapısı martenzit içeren aşınmaya dirençli yüzey oluşturulur. Şekilli, 0.5x0.5 inç ve 2x2 inç boyutlarında lazer ışınımı; ergime olmadan yüzeyde ortalama 4mm s-1 hızda taratılır. Yüzey sıcaklığı, ısı etkisi altındaki bölgede (HAZ) metalürjik dönüşüm sıcaklığının üzerindedir. Lazer kaynağı uzaklaştıktan hemen sonra metal kütlesinin termal yükü ısıtılmış bölgenin kondüktif ısı taşınımı ile hızlıca soğuması ile sonuçlanır. Çelik malzemenin yüzeyi, martenzit fazının oluşması ile sertleşir. Diğer yüzey sertleştirme tekniği olan; indüksiyonla sertleştirmeye göre yağ su, hava gibi soğutma ortamı gerektirmeyen çevre dostu temiz bir teknolojidir. Başlıca kullanım alanı olan kalıpçılık, tren rayları makaslarında, tren ray onarımında bölgesel lazer yüzey sertleştirme işlemleri başarılı ve yaygın olarak uygulanmaktadır. Lazer ışını yönlendirilmesi manipülasyonu kolay ve esnektir.  Birçok çalışma istasyonuna yönlendirilebilir. Üretkenliği yüksek olup ekonomik yönden avantajlıdır. Ancak diğer geleneksel yüzey sertleştirme işlemlerine göre yatırım maliyeti yüksektir.

 

Düşük viskozitede farklı metaller alaşımlar ve termoplastik malzemeler 104 Wmm-2 güç yoğunluğunda lazer ışınımının oluşturduğu ısı sayesinde kesilebilir. İnert veya aktif gazın lazer ışınımı altında oluşturduğu ergiyik, kesme etkisi ile malzeme delinmekte ve lazer ışınımının hareketi ile kesilmektedir. Kolaylıkla ergimeyen cam malzemeler, seramikler ve kompozitler,  106 Wmm-2 güç yoğunluğunda buharlaştırma mekanizması ile kesilebilmektedir.

 

Lazer kesme teknolojisi, geleneksel ergitme ile kesme teknolojisine benzer prensiplere sahiptir. Ancak, yüksek verimlilik, yüksek kenar ve kesme kalitesi ve minimum atık için lazer kesme en doğru seçimdir. Yüksek verimlilik için oksijen destekli, lazer kesme doğru seçimdir.

 

Mühendislik malzemelerinin lazer teknolojisi ile kesiminde beş farklı mekanizma vardır; İnert gaz ergiyik makaslama, aktif gaz ergiyik makaslama, buharlaştırma kimyasal bozundurma, çizmek.

 

Modern teknolojilerde gelişim; biyoteknoloji, mikroelektronik telekomünikasyon, MEMS ve sağlıkta, fabrikasyonda minyatürleştirme yönünde olmaktadır. Lazer ışınımı altında 1.06 µm kızıl ötesi ve 150 nm mor ötesi dalga boylarında mikro kesme işlemi hassas parça tasarımı ve üretiminde başarı ile kullanılmaktadır. Foton enerjisi, kısa dalga boylarında malzemeden ayrılan madde miktarını arttırırken, termal hasarlar ergime gibi kusurlar oluşmamaktadır. 100 ns’de birkaç Femto saniyeye kadar kısa darbeler  > 1015 W cm-2 mikro işlemede tercih edilmektedir.

 

Lazer sürecinin temassız özelliğinde dolayı, takım uçları ile yapılan malzeme yüzey işlemlerindeki aşınma ve yırtılma olayları ile karşılaşılmaz. 2 mm delik çapından küçük, sert malzemelerin lazer ile delinmesi mümkündür. Nd - YAG lazeri ile 50 µm hassas çapında 0.3 –1 mm derinliğinde kadar delk delikler açmak mümkündür. 

Kullanılan dalga boyları 150-400 nm’dir. UV lazer işlemleri mikro boyut uygulamaları için uygundur (Ultrashort pulse laser: USP). Kısa dalga boyları küçük boyutta lazer ışığı oluşmasına neden olur. Kısa darbeler ve yüksek enerji yoğunluğu çok az miktarda malzemenin yüzeyden buharlaştırarak uzaklaşmasını sağlar. Enerji yoğunluğu o kadar yüksektir ki buharlaşma sırasında çevreden ısı alışı, malzemenin soğuması ile sonuçlanır.
 

Bu uygulamalar:

Kalıp ve takım ucu: Hassas takım uçlarının markalanması, delme.

Optik: Kimyasal bileşimi değişmesi istenmeyen hassas optik cam ve sentetik malzemelerin işlenmesi.

Otomotiv: Dizel yakıt enjektörleri nozülleri,  yağlama delikleri. 

Havacılık ve uzay; Hibrid laminar akış kontrolü, hava soğutma delikleri.

Çevre mühendisliği; mikro filtrasyon.

Baskı mürekkep enjeksiyon nozülleri.

Eski tabloların ana boyaya zarar vermeden temizlenmesi ve restorasyonu.

 

Çok hassas değişik malzemelere Deep-UV (DUV) ve yeşil lazer kullanarak 10 mikronluk delik açma yüzeyde şekil verme işlemlerini başarı ile yapılabilmektedir.