lazer teknolojileri araştırma ve uygulama...

[email protected] - Kocaeli Üniversitesi Teknoparkı, 41275, Yeniköy/Başiskele/Kocaeli

Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

http://latarum.kocaeli.edu.tr

Yıllık Rapor / 2014

Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

http://latarum.kocaeli.edu.tr

Yıllık Rapor / 2014

İçindekiler

LAZER TEKNOLOJİLERİ ARAŞTIRMA VE UYGULAMA MERKEZİ / Yıllık Rapor / 2014

Lazerle Yüzey İşleme 37

Lazerle Spektroskopi 45

İnce Film Üretimi 69

Lazerler ve Uygulamaları 77

Lazer Yapımı ve Modelleme 85

Diğer Uygulamalar 93

Araştırmacılar 97

Tam Metinler 35

LATARUM Adresli Ödüller 33

Hizmet İçi Eğitimler 33

Ürünler 31

Kocaeli Üniversitesi'ne Katkılar 29

Üyelikler 27

Gerçekleştirilen Organizasyonlar 25

Altyapı Desteği Verilen Projeler 23

Yürütülen/Tamamlanan Projeler 21

Yürütülen/Desteklenen Tezler 19

LATARUM Seminerleri 17

Uluslararası Bilimsel Toplantılar 15

Ulusal Bilimsel Toplantılar 13

Yayımlanan Makaleler 05

Altyapı Çalışmaları 03

Giriş 01

Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi'nde (LATARUM), 2014 yılında gerçekleştirilen faaliyetler bu raporda yer almaktadır.

Lazer teknolojilerinin mikro ve makro ölçekte endüstriyel uygulamaları LATARUM altyapısında bulunan nanosaniye ve millisaniye atım uzunluğuna sahip Nd:YAG lazerlerle yapılmaktadır. Femtosaniye lazerle nanoteknolojik sistemlerin geliştirilmesi araştırmaları yürütülmektedir.

Ülkemizin gelişmesi için gerekli insan gücünün yetiştirilmesi için Fizik Bölümü ve Elektro-Optik Sistem Mühendisliği anabilim dalında yürütülen

lisans üstü tezlerin deneysel ve kuramsal olarak hazırlanmasında destek vermektedir.

Spektroskopi konusu merkezimizin uzun süreden beri stratejik alan olarak seçtiği konudur. Ülkemizde UV-VIS ve NIR bölgelerinde çalışan spektrometreler 2004 yılından bugüne kadar merkezimizde yapılmaktadır ve element analizi için LIBS ve molekül analizi için Raman Spektrometresi geliştirilmekte ve medikal uygulamaları Tıp Fakültesi araştırmacıları ile yapılmaktadır.

LATARUM kurumlar arası ve üniversite-sanayi işbirliği alanında ulusal ve uluslararası faaliyetlerini yürütmektedir. Gerek KOBİ gerekse büyük ölçekli $rmalar ile lazer ve spektroskopi konularında çalışmalar yapmaktadır. Kocaeli Üniversitesi Teknoparkı'nda yerli teknolojilerin geliştirilmesine öncülük etmektedir. LATARUM araştırmacıları Elsevier yayınevi tarafından çıkartılan Journal of Optics and Laser Technolgy'de düzenli olarak editörlük ve hakemlik faaliyetlerinde bulunmaktadır. 2014 yılı Eylül ayında Ulusal Fotonik ve Elektro Optik toplantısının üniversitemizde düzenleyerek üniversitemizin tanıtılması için katkıda bulunmuştur.

Yeni teknolojilerin geliştirilmesi için işbirliği içinde olan kurumlara, $rmalara ve merkezimiz araştırmacılarına özverili çalışmaları için teşekkür eder başarılar dilerim.

Saygılarımla Prof Dr Arif Demir LATARUM Müdürü

Giriş


Giriş

01

Altyapısı büyük ölçüde 2008 - 2009 yıllarında tamamlanan LATARUM - Lazer Laboratuarı düzenlemelerine 2009 - 2014

yıllarında da devam edilmiştir.

Altyapı Çalışmaları


Altyapı Çalışmaları

03


Yayımlanan Makaleler


๏ Single Pulse Laser Ablation of AISI 316L Stainless Steel Surface Using Nd:YAG Laser Irradiation ๏ Classi#cation of archaeologic ceramics analysed by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) ๏ Near surface modi#cation of aluminum alloy induced by laser shock processing ๏ Pulsed Nd:YAG laser shock processing e$ects on mechanical properties of 6061-T6 alloy ๏ Molecular Analysis Of Sea Water Of The Gulf Of Izmit By Raman Spectroscopy

07

08

09

10

11

Single Pulse Laser Ablation of AISI 316L Stainless Steel Surface Using Nd:YAG Laser Irradiation P. Demir1,2, E. Kacar1,2, E. Akman2 and A. Demir2,3 1Kocaeli University, Faculty of Arts and Science, Department of Physics, 41380, Kocaeli, Turkey 2Kocaeli University, Laser Technologies Research and Application Center, 41275, Kocaeli, Turkey 3Kocaeli University, Electro Optics System Engineering, 41380, Kocaeli, Turkey

The interaction of single-pulse Nd:YAG laser, operating at 1064 nm wavelength and 6 ns pulse duration, with AISI 316L stainless steel target surface was investigated experimentally and theoretically. Surface modi︎cation of stainless steel using laser irradiation was studied by observing the e︎ects of varying incident laser pulse intensities on surface morphology. Surface structure of laser treated stainless steel was determined by optical microscopy and pro︎lometry analyses. Numerical calculation by heat transfer equation was performed for single laser pulse irradiation. The results, obtained by theoretical and experimental processes, of the interaction between single-pulse Nd:YAG laser irradiation and AISI 316L stainless steel target surface are reported.

DOI: 10.12693/APhysPolA.125.439 PACS: 42.62.-b, 44.05.+e, 44.10.+i, 61.82.-d, 61.82.Bg, 79.20.Eb


Acta Physica Polonica A, 125(2), 439-441, (2014)


Classi#cation of archaeologic ceramics analysed by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) M. A. Sınmaz1, B. Genc Oztoprak2,3, E. Akman2, M. Gunes1, E. Kacar2, F. Tulek4, A. Demir1 1Electro-Optics Sistem Engineering, Kocaeli University, Umuttepe, Kocaeli, TURKEY 2Kocaeli University, Laser Technologies Research and Application Center, 41275, Kocaeli, TURKEY 3BEAM Ar-Ge Laser and Optics Technologies, KOU Technopark Kocaeli, TURKEY 4Archaeology, Kocaeli University Kocaeli, TURKEY

LIBS is rapidly developing material analysis technique having advantages of giving qualitative and quantitative information about elemental composition of materials. As well as it o$ers fast and high sensitive analysis it is nondestructive, does not need sample preparation and has also the ability of analysing solid-liquid and gaseous samples. In this work, medieval ceramics of di$erent clay body, collected during archaeological survey of Osmaniye Province in Turkey, have been selected for investigating fritware clay compounds by implementing the LIBS system developed at Kocaeli University Technopark. Investigation of the ceramics was carried out by focussing a 4,4ns pulsed Nd:YAG laser runing at 20 Hz repetation rate. An UV-VIS-NIR radiation emitted from laser produced plasma in between 200 and 900 nm was recorded by BAKİ spectrometer. Characteristic emission wavelengths of spectral lines from samples are determined using the library of the spectrometer. The classi#cation and compositional analysis were performed using PCA and PLS-DA statistical analysis techniques. We determined elemental compositions of fritware ceramics, calcerous fritwares and terracotta sherd samples. According to LIBS results the Na, Si, Mg, Al, Ti and low amount of Ca are identi#ed in the fritware clay structure. However, medium amount of Ti and high amount of Ca and Fe observed in terracotta sherd samples.



Balkan Physics Letters, 22, 221003, 24-35, (2014)

08

Near surface modi#cation of aluminum alloy induced by laser shock processing Nursen Saklakoglu1, Simge Gencalp Irizalp1, Erhan Akman2, Arif Demir2 1Celal Bayar University, Department of Mechanical Engineering, 45140 Manisa, Muradiye, Turkey 2University of Kocaeli, Laser Technologies Research and Application Center, 41380 Umuttepe, Kocaeli, Turkey

This paper investigates the in%uences of near surface modi#cation induced in 6061-T6 aluminum alloy by laser shock processing (LSP). The present study evaluates LSP with a Q-switched Nd:YAG low power laser using water con#nement medium and absorbent overlay on the workpiece. The near surface microstructural change of 6061-T6 alloy after LSP was studied. The residual stress variation throughout the depth of the workpiece was determined. The results showed an improvement of the material resistance to pit formation. This improvement may be attributed to compressive residual stress and work-hardening. The size and number of pits revealed by immersion in an NaOH-HCl solution decreased in comparison with the untreated material.

Keywords: Laser shock processing; Compressive residual stress; Pit formation

Optics & Laser Technology 64 (2014) 235-241



09

Pulsed Nd:YAG laser shock processing e$ects on mechanical properties of 6061-T6 alloy Simge Gencalp Irizalp1, Nursen Saklakoglu1, Erhan Akman2, Arif Demir2 1Celal Bayar University, Department of Mechanical Engineering, 45140 Manisa, Muradiye, Turkey 2University of Kocaeli, Laser Technologies Research and Application Center, 41380 Umuttepe, Kocaeli, Turkey

The aim of this paper is to investigate e$ects of single and double shot Nd:YAG laser shock processing (LSP) on residual stress, micro-hardness and tensile properties of 6061-T6 aluminum alloy. The X-ray di$raction technique was used to measure surface residual stress in LSP-treated 6061-T6 samples. The magnitude and directional dependence of the surface residual stress after single shot and double shot LSP were investigated with the sin2 Ψ method. The results show that laser shock processing can signi#cantly increase surface compressive residual stress. In addition, micro-hardness of the LSP-treated sample was measured using a Vickers diamond indenter depending on the depth. The tensile tests of the single shot and double shot LSP-treated and untreated samples were carried out by the Schimadzu tensile testing machine having a video extensometer. Experimental results show that the values of micro-hardness, tensile strength and uniform elongation increase by LSP.

Keywords: Laser shock processing; Residual stress; Mechanical properties

Optics & Laser Technology 56 (2014) 273-277



10

Molecular Analysis Of Sea Water Of The Gulf Of Izmit By Raman Spectroscopy A.Altinpinar1, E. Kacar1,2, E. Akman1, M. Gunes2, and A. Demir1,2 1Electro Optics System Engineering, Kocaeli University, 41380, Kocaeli, Turkey 2Laser Technologies Research and Application Center, Kocaeli University, 41275, Kocaeli, Turkey

Raman spectroscopy is a molecular spectroscopic technique based on inelastic scattering of monochromatic light, usually from a laser source. Raman spectroscopy gives detailed information about molecular vibrations. Raman spectroscopy technique is a very advantageous method for the analysis of solid, liquid or gases samples and does not require any special sample preparation. It o$ers fast and high sensitive analysis and has also non-destructive. Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) is a Raman Spectroscopic technique. SERS provides greatly enhanced Raman signal from Raman-active analyte molecules when specially prepared nanoparticles doped to surface are used. This study present the analysis of sea water in di$erent regions of the Gulf of İzmit in Kocaeli performed using the SERS technique. Colloidal gold (Au) nanoparticles were applied as SERS materials. For this purpose, the gold nanoparticles (NPs) were produced in Sodium Dodecly Sulfate (SDS) solution with nanosecond laser ablation methodology. Intensities of Raman signals showed increment with the e$ect of nanoparticles.

BALKAN PHYSICS LETTERS (2014)



11

๏ Raman Spektroskopisi ile İzmit Körfezi Deniz Suyunun Moleküler Analizi ๏ A. Altinpinar, E. Kacar, E. Akman, M. Günes, E, Kacar, A. Demir, ๏ Türk Fizik Derneği 31. Uluslararası Fizik Kongresi- TFD 31, Bodrum (2014).

๏ Depth and element analysis of thin #lms by laser induced breakdown spectrosopy (LIBS)

๏ A. Demir, M. A. Sınmaz, M. Gunes, B. Genc Oztoprak, E. Akman, L. Nielsen, ๏ 10th Nanocsience and Nanotechnology Conference, Istanbul (2014).

๏ Hava Balonu Temelli Lidarın Mekânsal Analizlerde Kullanımı ve Web Üzerinden Gerçek Zamanlı Haritalama

๏ L. Candan, E. Arslan ve E. Kaçar, ๏ 16. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı-FOTONİK 2014, Kocaeli (2014).

๏ Lazerle Oluşturulan Plazmaların Optik Yayınım Çalışmaları ๏ M. A. Sınmaz, B. Genç Öztoprak, M. Güneş, E. Akman, E. Kaçar, A. Demir, ๏ 16. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı-FOTONİK 2014, Kocaeli (2014).

๏ Titanyum Üzerine Renkli Markalamada Lazer Tarama Hızının Etkisi ๏ E. Yalaza, E. Akman, E. Kaçar, A. Demir, ๏ 16. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı-FOTONİK 2014, Kocaeli (2014).

๏ Nano-saniye Nd:YAG Lazer Kullanılarak Titanyum ve Paslanmaz Çelik Yüzeylerde Periyodik Yüzey Yapılarının Oluşturulması

๏ T. İkier, P. Demir, E. Kaçar, A. Demir, ๏ 16. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı-FOTONİK 2014, Kocaeli (2014).

Ulusal Bilimsel Toplantılar


Ulusal Bilimsel Toplantılar

13

๏ Enhancement of Raman signal of Sudan molecule by adding metallic nanoparticles ๏ A. Altinpinar, D. Erdas, E. Akman, E. Kacar, S. Gunesdogdu Sagdınc, ๏ XXIV International Conference on Raman Spectroscopy - ICORS2014, 10-15 Ağustos

2014, Jena, Almanya ๏ Computational and Experimental Study of Nanosecond Pulsed Nd:YAG Laser Ablation of

Metal Material ๏ P. Demir, T. Ikier, E. Akman, E. Kacar, A. Demir, ๏ International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress and Exhibition

- APMAS2014, Muğla, Türkiye, 24-27 Nisan 2014 ๏ Structural and Optical Properties of TiO2:Al2O3 Composite Thin Films Grown by Pulsed Laser

Deposition ๏ M. Mutlu Sanli, E. Kacar, M.A.Sinmaz, B. Genc Oztoprak, A. Demir, ๏ Science and Applications of Thin Films, Conference & Exhibition -SATF 2014, 15-19

September 2014, Izmir, Turkey. ๏ Lazerle oluşturulan Zn plazmasının karakteristik özelliklerinin belirlenmesi

๏ M. A. Sınmaz, B. Genç Öztoprak, E. Akman, M. Güneş, A. Demir, ๏ 1. Uluslararası Plazma Teknolojileri Kongresi, Kayseri, 28-30 Nisan 2014.

๏ Depth analyses of laser produced multilayer thin #lms using laser induced breakdown spectroscopy

๏ M.A. Sınmaz, B. Genc Oztoprak, M. Mutlu Sanlı, M. Gunes, E. Akman, E. Kacar, A. Demir, ๏ 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication-LPM2014, 17-20 June

2014, Vilnius, Lithuania. ๏ Physical Mechanism of Color Marking on Titanium

๏ E. Yalaza, E. Akman, E. Kacar, A. Demir, ๏ 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication- LPM2014, 17-20 June

2014, Vilnius, Lithuania. ๏ Characteristics of Metal Doped TiO2 and Al2O3 Thin Films Deposited by PLD

๏ M. Mutlu Sanlı, E. Kacar, A. Demir, ๏ 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication- LPM2014 , 17-20

June 2014, Vilnius, Lithuania. ๏ Evaluation of the surface topographies of di$erent polymers structured by Nd:YVO4 nano-

and picosecond lasers for electroless copper plating ๏ E. Kacar, K. Ratautas, M. Gedvilas, I. Stankevičienė, A. Jagminienė and G. Račiukaitis, ๏ 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication-LPM2014, 17-20 June

2014, Vilnius, Lithuania. ๏ Laser patterning on surface of metals using nanosecond Nd:YAG laser irradiation

๏ E. Kacar, T. Ikier, P. Demir, E. Akman and A. Demir, ๏ 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication-LPM2014, 17-20 June

2014, Vilnius, Lithuania. ๏ Nanosecond Pulsed Nd:YAG Laser Ablation of Ti and Zn Materials

๏ P. Demir, T. Ikier, E. Kacar, A. Demir, ๏ 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication-LPM2014, 17-20 June

2014, Vilnius, Lithuania. ๏ E$ects of Laser Pulse Duration on Nanoparticle Size of Silver Nanoparticle

๏ E. Akman, E.Yalaza, B. G. Öztoprak, M. Güneş, E. Kaçar, A. Demir, ๏ International Middle East Plasma Science- IMEPS2014, 23-25 April 2014, Antalya.

๏ Depth analyses of multilayer thin #lm by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) ๏ M. A. Sınmaz, B. Genc Oztoprak, M. Guneş, E. Akman, E. Kacar, L. Ozyuzer, A. Demir ๏ International Middle East Plasma Science- IMEPS2014, 23-25 April 2014, Antalya.

๏ Laser welding of Shape Memory Alloys for stone machining and computer aided technology ๏ A. Demir, E. Akman, B. Genç Öztoprak, M. Güneş, A. Torice, W. Nunziati ๏ V. Global Stone Congress, 22-25 October 2014, Antalya

Uluslararası Bilimsel Toplantılar


Uluslararası Bilimsel Toplantılar

15

LATARUM Seminerleri


Etkinlikte Prof. Dr. Sevim AKYÜZ ve ekibinin Raman spektrometresi ve FT-IR kullanarak medikal ve arkeoloji alanındaki yapmış olduğu çalışmalar "Raman Spektroskopisi" konulu seminer içeriğinde sunulmuştur. Hocamız bu alandaki deneyimlerini katılımcılara aktarmış, katılımcıların her bir sorusuna da etkin bir şekilde cevaplandırmıştır. İleriki dönemde yapılabilecek işbirlikleri için değerlendirmeler yapılmıştır.

İstanbul Kültür Üniversitesi Öğretim Üyesi Prof. Dr. Sevim AKYÜZ, Raman Spektroskopisi adlı seminer vermiştir.

15 Ocak 2014

Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi araştırmacılarının tamamının yer aldığı bir günlük çalıştay düzenlenmiştir. Çalıştayda 2014 yılında gerçekleştirilmiş olan proje, yayın ve tez çalışmaları hakkında sunumlar yapılmıştır.

25 Aralık 2014

LATARUM Seminerleri

17

๏ Nanosaniye Lazer Demetiyle Metal Malzemelerin Etkileşiminin Sayısal ve Deneysel İncelenmesi

๏ Pınar Demir (Kocaeli Üniversitesi - Fizik) - Doktora Tez, ๏ Danışman: Doç. Dr. Elif Kaçar, (2014).

๏ Lazerle Yüzey İşleyerek Mikro ve Nano Yapılı Biyo-Malzemelerin Elde Edilmesi ๏ Tuba İkier, (Kocaeli Üniversitesi - Fizik) - Yüksek Lisans Tez, ๏ Danışman: Doç. Dr. Elif Kaçar, (2014).

๏ Arkeolojik Numunelerin LIBS ile Analizleri ๏ Mesadet Asuman Sınmaz, (Kocaeli Üniversitesi - Elektro-Optik Sist. Müh.) - YL Tez, ๏ Danışman: Yrd. Doç. Dr. Belgin Genç Öztoprak, (2014).

๏ Atımlı Lazerle Film Büyütme ๏ Mesure Mutlu (Kocaeli Üniversitesi) - Doktora Tez, ๏ Danışman: Prof. Dr. Arif Demir, (2006 - Devam Ediyor).

๏ Hava Balonu Temelli Lidarın Mekânsal Analizlerde Kullanımı ve Web Üzerinden Gerçek Zamanlı Haritalama

๏ Levent Candan, (Kocaeli Üniversitesi - Elektro-Optik Sist. Müh.) - Yüksek Lisans Tez, ๏ Danışman: Doç. Dr. Elif Kaçar, (2011 - Devam Ediyor).

๏ Elektro-optik Sensörler ๏ Fatih Gören, (Kocaeli Üniversitesi - Elektro-Optik Sist. Müh.) - Yüksek Lisans Tez, ๏ Danışman: Doç. Dr. Ersin Kayahan, (2012 - Devam Ediyor).

๏ Raman Spektroskopisi ๏ Arzu Altınpınar, (Kocaeli Üniversitesi- Elektro-Optik Sist. Müh.) - Yüksek Lisans Tez, ๏ Danışman: Doç. Dr. Elif Kaçar, (2013 - Devam Ediyor).

๏ Markalama Lazer ๏ Ecem Yalaza, (Kocaeli Üniversitesi - Elektro-Optik Sist. Müh.) - Yüksek Lisans Tez, ๏ Danışman: Yrd. Doç. Dr. Erhan Akman, (2013 - Devam Ediyor).

๏ Lazer, Optik ve Güç Kayanağı Tasarımı ๏ Muhammed İrfan,(Kocaeli Üniversitesi - Elektro-Optik Sist. Müh.) Yüksek Lisans Tez, ๏ Danışman: Prof. Dr. Arif Demir (2014 - Devam Ediyor).

๏ Optik Emisyon Spektroskopisi ๏ Murat Güneş, (Kocaeli Üniversitesi) - Doktora Tez, ๏ Danışman: Prof. Dr. Arif Demir, (2013 - Devam Ediyor).

Yürütülen/Desteklenen Tezler


Yürütülen/Desteklenen Tezler

19

๏ Lazerle Hava Platformundan İrtifa Belirme Sistemlerinin Geliştirilmesi ๏ KOÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Yüksek Lisans Hızlı Destek Projesi, ๏ Proje Yürütücüsü: Doç. Dr. Elif Kaçar, (2012 - 2014).

๏ Lazerle Yüzey Yapılandırma ๏ KOÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Hızlı Destek Projesi, ๏ Proje Yürütücüsü: Doç. Dr. Elif Kaçar (2014).

๏ Çevresel Atık Analizine Yönelik Raman Spektrometresi ile 785 nm dalgaboyu ile Uyarılan Molekülerin Analizlerinin Gerçekleştirilmesi

๏ KOÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Hızlı Destek Projesi, ๏ Proje Yürütücüsü: Yrd. Doç. Dr. Belgin Genç Öztoprak (2014).

๏ Lazer ile Titanyum Malzemeler Üzerine Renkli Markalama ๏ KOÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Yüksek Lisans Hızlı Destek Projesi, ๏ Proje Yürütücüsü: Yrd. Doç. Dr. Erhan Akman, (2014 - Devam Ediyor).

๏ Flaş Lambalı ve Diyot Pompalı Lazerler için Güç Kaynağı Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi ๏ KOÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Hızlı Destek Projesi, ๏ Proje Yürütücüsü: Prof. Dr. Arif Demir, (2014 - Devam Ediyor).

Yürütülen/Tamamlanan Projeler


Yürütülen/Tamamlanan Projeler

21

๏ Ha!f Kompozit Malzemelerin İşlenmesi İçin Teknolojik Makine Ve Takım Geliştirme-Martec, TÜBİTAK-TEYDEB, 1509, (9130047) (2014-2017) ๏ Proje Yürütücüsü: Hüseyin Bülbül (Durmazlar A.Ş.) ๏ Yardımcı Araştırmacılar: Prof. Dr. Arif Demir, Yrd. Doç. Dr. Belgin Genç Öztoprak, Yrd. Doç

Dr. Erhan Akman, Öğr. Gör. Murat Güneş, Mesadet Asuman Sınmaz, Yalçın Erdoğan.

๏ Nano Boyutlu Kaplamaların Üretiminde Düşük Atom Ağırlıklı Elementlerin Analizi İçin LIBS Temelli Kontrol Sistemi, ๏ TÜBİTAK-TEYDEB, 1509, (9130018) (2013-2016) ๏ Proje Yürütücüsü: Yrd. Doç. Dr. Belgin Genç Öztoprak, ๏ Yardımcı Araştırmacılar: Prof. Dr. Arif Demir, Yrd. Doç Dr. Erhan Akman, Öğr. Gör. Murat

Güneş

๏ Bilgisayar Kontrollü Mermer Kesme Makinesinde Kullanılacak Hafızalı Alaşımlı Şeritlerin Lazer ile Kaynak Edilmesi ๏ TÜBİTAK-TEYDEB, 1509, (9120042) (2013-2015) ๏ Proje Yürütücüsü: Yrd. Doç. Dr. Erhan Akman, ๏ Yardımcı Araştırmacılar: Prof. Dr. Arif Demir, Yrd. Doç. Dr. Belgin Genç Öztoprak, Öğr. Gör.

Murat Güneş

๏ Endüstriyel Fiber Lazer ile Delme ve Kesme İşlemleri için CNC Lazer Kesme Hattının Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi ๏ TÜBİTAK-TEYDEB, 1511, (1120095) (2013-2015) ๏ Proje Yürütücüsü: Kemal İleri (Durmazlar A.Ş.) ๏ Yardımcı Araştırmacılar: Prof. Dr. Arif Demir, Yrd. Doç. Dr. Belgin Genç Öztoprak, Yrd. Doç

Dr. Erhan Akman, Öğr. Gör. Murat Güneş

Altyapı Desteği Verilen Projeler


Altyapı Desteği Verilen Projeler

23

Gerçekleştirilen Organizasyonlar


Gerçekleştirilen Organizasyonlar

25

Hakkında: http://fotonik.kocaeli.edu.tr/2014/ 

Bu toplantı, ulusal boyutta optik, elektro-optik ve fotonik konularına yönelik yıllık tek bilimsel toplantı serisi olan Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştaylarının 16.'sını oluşturmaktadır. Optik, elektro-optik ve fotonik alanlarının yüksek teknoloji dahilinde ekonomik katkısı büyük, savunma ve sağlık gibi stratejik sanayilerde uygulamaları geniştir. Bu nedenlerden dolayı, bu konularda ulusal düzeyde gelişmemiz önemli, bulunduğumuz düzeyin bilinmesi ve ilerletilmesi kritiktir.

Bu toplantıda, ülke çapında optik, elektro-optik ve fotonik konularında akademide ve endüstride araştırma ve geliştirme çalışması yapan gruplar (bilim insanları, yöneticiler, mühendisler, lisansüstü öğrencileri vs.) bir araya gelecek ve çalışmalarını birbirlerine sunup, tanışma, görüşme ve tartışma olanağı bulacaklardır. Bu, gruplar arası ortak çalışmaların başlatılmasına, karşılıklı destek ve %kir alışverişinde bulunulmasına ve ortak proje başvuruları (örneğin, Avrupa Birliği Çerçeve Programları) için çalışmalar yapılmasına ön ayak olacaktır.

Bu şekilde, bu toplantının optik, elektro-optik ve fotonik konularında ülkemizin bilim ve teknoloji çalışmalarına yarar ve katkı sağlaması beklenmektedir.

16. Ulusal Optik, Elektro-Optik ve Fotonik Çalıştayı, Kocaeli Üniversitesi - Kocaeli

05 Eylül 2014

๏ ∑!"# SURF# projesine# üyelik# gerçekleş7rilmiş7r# (26.10.2010).# Üyelik# 2014# yılında# da# devam#etmektedir.#

๏ http://www.eurekanetwork.org/e_surf/about

๏ Phonics21 şemsiye programına 2012 yılında üye olunmuştur. Üyelik 2014 yılında da devam etmektedir. ๏ http://www.photonics21.org/

Üyelikler


Üyelikler

27

Kocaeli Üniversitesi'ne Katkılar


Kocaeli Üniversitesi'ne Katkılar

29

Fen Bilimleri Enstitüsü'nde Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Yüksek Lisans Programının tez çalışmaları, LATARUM Laboratuar altyapısını kullanarak gerçekleştirilmektedir, bu bağlamda bu yıl 1 yüksek lisans öğrencisi alınmıştır.

Ürünler


Ürünler

31

Raman Spektrometre

Çözünürlük < 0.1 nm

Slit 50 µm

Grating 1200 l/mm

Dizilim Czerny-Turner

Işın Kaynağı 532 nm Lazer

Spektral aralık 532 - 700 nm / 0 - 4400 cm-1

Arayüz USB

Yazılım BAKI Raman Kontrol Yazılımı (Türkçe - C# ile geliştirildi)

Desteklenen İşletim Sistemleri Windows XP - Windows 7

Hizmet İçi Eğitimler / Ödüller


Hizmet İçi Eğitimler

33

Aşağıda listelenen ve LATARUM'da çalışmalarını yürüten araştırmacılara, Hizmet İçi Eğitim kapsamında Yrd.Doç.Dr. Erhan Akman tarafından 'Lazer Güvenliği' üzerine sunum gerçekleştirilmiş ve 'Lazerlerin Güvenli Kullanımı' üzerine eğitim verilmiştir (Ekim 2014).

- Yüksek Lisans Öğrencisi Muhammed İrfan

LATARUM Adresli Ödüller

LATARUM araştırmacılarından Mesure Mutlu Şanlı, Doç. Dr. Elif Kaçar ve Prof. Dr. Arif Demir tarafından sunulan 'İnce Film Üretim Yöntemi PLD-Atımlı Lazerle Depolama' başlıklı çalışma, SANTEK'14 En İyi Proje ödülü birinciliği.

Tam Metinler


Titanyum Üzerine Renkli Markalamada Lazer Tarama Hızının Etkisi

Lazer Kullanılarak Yüzeyler Üzerinde Periyodik Yapıların Oluşturulması

Tam Metinler

35

BAKİ-LIBS Tasarımı ve İnce Film Analizi

Lazer ile Oluşturulan Plazma Spektroskopisi (LIBS) ile Arkeolojik Seramiklerin Sır ve Boya Analizi

Lazer ile Oluşturulan Plazma Spektroskopisi (LIBS) ile Arkeolojik Seramiklerin Kil Sını$andırması

Raman Spektroskopisi ile İzmit Körfezi Deniz Suyunun Moleküler Analizi

Metal Nano-parçacık Katkılamanın Sudan Molekülü Raman Spektrum Şiddetleri Üzerine Etkileri

Lazerle Uyarmalı Raman Spektrometresi Tasarımı ve Tıp Alanında Uygulamalarının Gerçekleştirilmesi

Atımlı Lazerle Depolama ve Daldırmalı Kaplama Teknikleri

Kullanılarak ABS Hede$erin Kaplanması ve Karakterizasyonu

Atımlı Lazerle İnce Film Büyütme

Lazer ile Sıvı Ortamında Nanoparçacık Üretimi

Hava Balonu Temelli Lidarın Mekânsal Analizlerde Kullanımı ve

Web Üzerinden Gerçek Zamanlı Haritalama

Design and Performance Evaluation of Flash Lamp Driver

Paslanmaz Çelik Malzemenin Tek Atım Nd:YAG Lazerle Aşındırılmasının

Deneysel ve Sayısal İncelenmesi

Gözenekli Silisyum Tabanlı Organik Buhar ve Nemlilik Sensörü

Lazerle Yüzey İşleme

37

41

Lazerle Spektroskopi

45

49

53

57

61

65

İnce Film Üretimi

69

73

Lazerler ve Uygulamaları

Lazer Yapımı ve Modelleme

Diğer Uygulamalar

93

85

89

77

81

Titanyum Üzerine Renkli Markalamada Lazer Tarama Hızının Etkisi Ecem Yalaza1,2, Erhan Akman1,3, Elif Kaçar1,4, Arif Demir1,4 1Kocaeli Üniversitesi, Elektro-Optik Sistem Mühendisliği, 2BEAM AR-GE Optik ve Lazer Teknolojileri LTD, 3Kocaeli Üniversitesi, Sivil Havacılık Yüksekokulu, Elektrik Elektronik Bölümü 4Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

Giriş

Metal yüzeylerde lazer ile renkli markalama bir süredir bilinen bir işlemdir. Bu işlem, metal yüzeyinde boya ya da herhangi bir kimyasal işlem kullanılmadan sadece lazer ışını ile yüzeyi renklendiren bir işlemdir. Lazer ışınının metal yüzeylerle etkileşmesi yüzeyde bir oksit tabakası oluşturur. Metal yüzeylerde renklenmeyi sağlayan da bu oksit tabakadır. Yüzeydeki renklerin farklı olmasını sağlayan etken ise oksit tabakasındaki oksijen miktarıdır. Yüzeyde oluşan oksitlenme miktarı; lazerin çıkış gücü, lazer ışınının yüzeyi işleme hızı, ardışık tarama ışınları arasındaki mesafe, yüzeyin odak noktasına göre uzaklığı gibi parametrelere bağlıdır [1]. Mürekkep ile markalama, mekanik gravür, elektrokimyasal yöntemler, baskı, emülsiyon kaplama, elektrolitik oksidasyon (anodasyon) gibi markalama işlemleri bilinmektedir [2,3]. Bu yöntemleri uygulamanın zorluğu ve karmaşıklığı, işlemde kullanılan araç ve gereçlerin çizilmesi ve çabuk aşınması, uygulanan yüzeyin kalıcı olmaması ve çabuk solması gibi sorunlardan dolayı bu markalama yöntemlerinin çoğu kullanışlı değildir [4]. Geleneksel metotlara göre, lazer markalamanın birçok avantajı vardır. Lazer markalamada herhangi bir kimyasal işlem kullanılmaz, herhangi bir alete zarar verilmez, bir bilgisayar programı ile markalanan yer ve markalanacak şekiller kolay seçilir [3]. Ayrıca lazer markalama, markalama metotları arasındaki en ucuz ve en hızlı yöntemdir. Lazer markalamanın endüstriyel alanlarda da kişisel hediye yapma, güvenlik kartları hazırlama, yüzey dokusu işleme gibi birçok uygulaması vardır [2, 3].

Yöntem

Çalışma; çıkış gücü 20 W, atım süresi 200 ns, atım tekrar oranı 20-100 kHz olan endüstriyel $ber lazer (1064 nm) ile yapılmıştır. Fiber lazer ile tarama işlemi, lazer ışınını yönlendiren galvonometrik aynalar ile sağlanmıştır. Lazer ışını odak uzaklığı 160 mm olan F-Theta lens ile hedef yüzeyine odaklanmıştır.

Şekil 1'de gösterilen titanyum yüzeyinde oluşan farklı renkler, sırasıyla lazerin çıkış gücünü, markalama işlemi sayısını, lazer ışınının yüzeyi işleme hızını (tarama hızı) değiştirerek elde edilmiştir.


[email protected]

Şekil 1. Titanyumda renkli markalama.


37

Bulgular/Veriler

Bu çalışmada, farklı lazer tarama hızlarının, titanyum yüzeyinde oluşan oksit tabakası ve renklenme üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada renklenme sadece tarama hızını değiştirerek yapıldı. Deneyde kullanılan işlem parametreleri Tablo 1'de verilmektedir. Burada amaç; titanyum yüzeyindeki oksit oranının renklenmeye etkisini incelemektir.

Sonuç

Sonuç olarak, titanyumda renkli markalama mümkündür. Markalanan yüzeylerdeki oksit oranı, XPS analizleri sonucu belirlenmiştir. XPS sonuçları incelendiğinde tarama hızında meydana gelen azalma ile yüzeyde oluşan oksit oranının arttığı, hızda meydana getirilen artış ile de yüzeyde oluşan oksit oranının azaldığı Şekil 4' teki gra$kte gösterilmiştir.


Şekil 2. Tarama hızı değiştirilerek yapılan markalamalar.

Şekil 3. Tarama hızı değiştirilerek markalanan yüzeylerin optik mikroskop görüntüleri.

Hatching (mm) Tarama Hızı (mm/s) Çıkış Gücü (W) Frekans (kHz) İşlem Sayısı

1 0.1 65 17 20 12 0.1 100 17 20 13 0.1 135 17 20 14 0.1 170 17 20 15 0.1 205 17 20 1

Tablo 1. Tarama hızının renklenmeye etkisi.

Şekil 4. Yüzeyde oluşan oksit oranı.


38

Teşekkürler

Bu çalışma Devlet Planlama Teşkilatı tarafından desteklenen 2008K-120800 no'lu İDEAL projesi kapsamında desteklenmiştir.

Kaynaklar

[1] Arkadiusz J. Anton'czak, Dariusz Kocon, Maciej Nowak, Paweł Kozioł, Krzysztof M. Abramski, 'Laser-induced Colour Marking-Sensitivity Scaling For a Stainless Steel', Applied Surface Science 264 (2013) 229-236. [2] Arkadiusz J. Anto'nczak ,Bogusz Stepak, Paweł E. Kozioł, Krzysztof M. Abramski, 'The in(uence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium', Applied Physics A, DOI 10.1007/s00339-013-7932-8 (2013). [3] J. Qi , K.L. Wang , Y.M. Zhu , 'A study on the laser marking process of stainless steel', Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 273-276 [4] Z.L. Li a, H.Y. Zheng, K.M. Teh, Y.C. Liu, G.C. Lim, H.L. Seng, N.L. Yakovlev, 'Analysis of oxide formation induced by UV laser coloration of stainless steel', Applied Surface Science 256 (2009) 1582-1588



39

Lazer Kullanılarak Yüzeyler Üzerinde Periyodik Yapıların Oluşturulması Tuba İkier1, Elif Kaçar1, Erhan Akman1, Belgin Genç Öztoprak1, Arif Demir1, Gürler Akpınar2, Murat Kasap2, Dilek Ural2, Juseok Lee3, Marina Martinez Miro3, Löw Karin4, Cenk Aktaş3, Hashim- Abdul-Khaliq4, Michael Veith3 1Kocaeli Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 2Kocaeli Üniversitesi, Tıp Fakültesi, KABI Proteomiks Laboratuvarı, 3CVD/Biosurfaces Division, INM - Leibniz-Institute for New Materials, Campus D2 2, 66123 Saarbruecken Almanya 4Department of Pediatric Cardiology, Saarland University Hospital, Homburg/Saar, Almanya

Giriş

Malzemelerin yüzey yapılarını değiştirmek değişik uygulamalarda kullanılmak üzere malzeme verimliliğini arttırır. Örneğin stent gibi implant malzemelerin topogra$k değişimi, hücrelerin yüzeye tutunması, büyümesi ve çoğalması süreçlerini içeren hücre-implant etkileşiminde önemli rol oynar [1-3]. Malzeme yüzeyini değiştirmek için kullanılan yöntemlerden bazıları; grit-blasting [4], kimyasal aşındırma [5], titanyum plazma spray [6], lazerle işleme [1-3]. Lazer ile işleme yöntemi, implant yüzeyi üzerinde hem uygun yüzey topogra$si sağlar hem de daha az yüzey kirliliği oluşturur [6]. Bu yöntemde farklı özelliklerde nano-saniye [7,8], piko-saniye [9] ve femto-saniye lazerler [10] kullanılır. Lazerle periyodik yüzey yapıları oluşturmak için, birçok çalışmada uygulanan iki ışın girişim yöntemi [11-14] başarılı sonuçlar vermiştir. Bu yöntemin yanında femto-saniye lazerin kullanıldığı Michelson İnterferometre sistemi ile de periyodik yüzey yapılar üretilmiş ve bu sistem ile elde saçakların periyodunun, optik sistemi tekrar ayarlamaya gerek duymadan çeşitlendirilebilir olduğu gösterilmiştir [15].

Bu çalışmada; nano-saniye Nd: YAG lazer ve Michelson interferometre sistemi kullanarak oluşturulan iki ışın girişim tekniği ile Al/Al2O3 kaplı cam numuneler üzerinde periyodik yüzey yapıları oluşturulmuştur.

Yöntem ve Materyal

Katı malzeme yüzeyi üzerinde periyodik yapılar oluşturmak amacıyla, iki ışın girişim tekniği kullanılmıştır. Bu teknik için nano-saniye atım süreli, 10 Hz tekrarlama oranına sahip Nd: YAG lazerin (Continuum Surelite III) ikinci harmoniği (532 nm) ile Michelson interferometre sistemi oluşturulmuştur. Şekil 1&de görüldüğü gibi, kaynaktan çıkan lazer ışını aynalar yardımıyla iris&e gönderilir ve temizlenen bu ışın, kare maskeden geçerek ışın bölücüde ikiye ayrılır. Işınlardan biri (Işın 1) bir hareketli aynaya (HA1) diğeri de öbür hareketli aynaya (HA2) gider ve her iki ışın da aynalardan geri dönerek 150 mm odak uzunluğuna sahip olan merceğe doğru yol alırlar. Mercek tarafından hedefe odaklanan ışınlar, merceğin arkasında bulunan iris ve kare maskeden geçtikten sonra hedef üzerinde periyodik bir yapı oluştururlar.

Kullanılan hede$n kaplamasının zarar görmesini önlemek için 40-60 mW aralığında değişen güçlerde lazer demeti kullanıldı, ancak bu değerlere inildiğinde lazer kararsızlık gösterdiğinden iris ve maske kullanılarak lazerin gücü azaltılmıştır. Hedefe odaklanan lazerin gücü, hedef önüne yerleştirilen powermetre ile ölçülmüştür. Hareketli aynalara açı verilmeden önce ışınların (Işın 1 ve Işın 2) üst üste binmesi sağlanarak sistem ayarlanmıştır. Daha sonra hareketli aynaların açıları (ϴ) aynı miktarda değiştirilerek oluşan saçakların periyotları değiştirilmiştir. Saçakların periyotları, farklı odak uzunluklu mercekler kullanılarak da değiştirilebilir. Bu çalışmada odak uzaklığı sabit tutularak, ϴ açısı dolayısıyla da mercek üzerine düşen ışınlar arası mesafe değiştirilmiştir.


[email protected]


41

Deneyde hedef olarak INM Enstitüsü (Leibniz-Institute for New Materials) tarafından üretilen Al/Al2O3 kaplı 12 mm çaplı cam numuneler kullanılmıştır [16]. Numunelerin yüzeyleri 0,04º, 0,08º ve 0,12º olmak üzere üç farklı ϴ açısında işlenmiş ve yüzeylerde mikron boyutunda periyodik yapılar elde edilmiştir. Yüzey üzerinde elde edilen periyodik yapılar taramalı elektron mikroskobu (SEM: FEI-QUANTA 400 F) ile analiz edilmiştir. Ortalama kontak açıları kontak açı video sistem (CAM 101) kullanılarak 4 farklı yerden ölçüm alınarak elde edilmiştir.

Lazerle hedef yüzey üzerinde oluşturulan saçak boşlukları yani periyot d;

' (1)

ile hesaplanır [3]. Burada, λ; ışının dalgaboyu (532 nm), α; hedef üzerine odaklanan iki ışın arasındaki açıdır ve α = tan-1(D/2f) ile verilir. Bu α değerinin değişmesi ile hedef yüzeyinde oluşan periyotlar değişir. Burada f merceğin odak uzaklığıdır ve sistemde 150 mm'de sabit tutulmuştur. D ise mercek üzerine düşen iki ışın arasındaki mesafedir. Bu çalışmada hareketli aynaların açıları θ değiştirilerek D mesafesi değiştirilmiş olur.

Tablo 1'de Michelson interferometre sisteminde bulunan aynaların (HA1 ve HA2) açılarının değiştirilmesi sonucu yüzeyde oluşan periyot ölçümleri ve kontak açı değerleri verilmiştir. Tablonun yanında yer alan resimde periyot ölçümü gösterilmiştir.

d = λ2sinα( )


Şekil 1, Deneysel sistem. Burada kullanılan kısaltmalar; A1: Ayna 1, A2: Ayna2, HA1: Hareketli Ayna 1,Hareketli Ayna 2, DB: Demet Bölücü, D: Mercekte İki Işın Arası Mesafe, α: Hedefte İki Işın Arası Açı, ϴ: Hareketli Aynaların Açıları.

Tablo 1. Deneysel sistemde, aynalara (HA1 ve HA2) verilen açı ϴ değiştirilerek elde edilen yüzeylerin ölçülen periyodu d ve ölçülen kontak açıları

Aynaların açısı (ϴº) Ölçülen Periyot: d(µm) Kontak Açısı (Φo)

0,04 26 173

0,08 21 158

0,12 16 148


42

Sonuçlar ve Tartışma

Deneysel düzenekte bulunan Michelson interferometre sistemindeki hareketli aynalara; 0,04º, 0,08º ve 0,12º olmak üzere üç farklı açı değeri verilerek işlenen Al/Al2O3 kaplı cam numune yüzeylerde oluşan saçakların periyotları sırasıyla 26 µm, 21 µm ve 16 µm olarak ölçülmüştür (Şekil 2).

Nano-saniye Nd:YAG lazerin ikinci harmoniği 532 nm ile oluşturulan Michelson interferometre sistemi kullanılarak elde edilen periyodik yapıların periyotları, sistemde yer alan hareketli aynaların açılarının değiştirilmesi ile kolaylıkla kontrol edilebilir. Bu sistem kullanılarak amaç doğrultusunda her türlü malzeme (titanyum, çelik) üzerinde uygulanabilir.

Teşekkürler

Bu çalışma 110M760 no'lu TÜBİTAK IntenC projesi tarafından desteklenmiştir.

Kaynaklar

[1]. H. Kenar et al. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 108, 305-312 (2013). [2]. J. Lee et al. Phys. Status Solidi A, 1-5 (2013). [3]. K. Kiefer et al. Nanotechnology, 25, 49, 5101 (2014). [4]. A.Wennerberg et al. Biomaterials 17, 15 (1996). [5]. D. Wei et al. Thin Solid Films 516, 1818-1825 (2008). [6]. A. Gaggl et al. Biomaterials 21,1067-1073 (2000). [7]. F. Yu et al. Biomaterials 26, 2307-2312 (2005). [8]. D.S.Milovanović et al. Optics &LaserTechnology 54, 419-427 (2013). [9]. M. Bereznai et al. Biomaterials 24, 4197-4203 (2003). [10]. A.Y. Vorobyev, C. Guo, Applied Surface Science 253, 7272-7280 (2007). [11]. H. Hosono et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 191, 89-97 (2002). [13]. M. Hirano et al. Applied Surface Science, 197-198, 688-698 (2002). [14]. K. Venkatakrishnan, et al. Appl. Phys. A 77, 959-963 (2003). [15]. V. Oliveira et al. Optic& Laser Technology 44, 2072-2075 (2012). [16]. M. Veith et al. Chem. Soc. Rev. 41, 5117 (2012).


Şekil 2. Michelson İnterferometre sistemi ile oluşturulan iki ışın girişim yöntemi ile işlenen Al/Al2O3 kaplı cam numune yüzeyler üzerinde oluşan periyodik yapıların SEM görüntüleri. Değiştirilen ayna açıları ve periyotları sırasıyla a) 0,04º

ve 26 µm, b) 0,08º ve 21 µm, c) 0,12º ve 16 µm. Alt sıradaki görüntüler üst sıradaki görüntülerle aynı özelliklere sahip olup farklı büyütmede çekilmiş görüntülerdir.


43

BAKİ-LIBS Tasarımı ve İnce Film Analizi Belgin Genç Öztoprak1, 2, Mesadet Asuman Sınmaz1, 2, Erhan Akman1, 2, Murat Güneş1, 2, Arif Demir1, 2 1BEAM Ar-Ge Optik, Lazer, Spektroskopi Ltd. Şti, 2Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

Giriş

Lazerle oluşturulan plazma spektroskopisi (Laser Induced Breakdown Spectroscopy-LIBS) optik yayınım spektroskopi temeline dayanmaktadır. Literatürde ilk araştırma sonuçlarının yayınlandığı 1962 yılından bugüne kadar lazerle oluşturulan plazma spektroskopi tekniği; endüstriyel uygulamalar da, sağlık alanındaki pek çok biyolojik uygulamada kullanılan LIBS sistemleri tasarım, kompakt yapı ve veri analizi aşamasında önemli ölçüde ilerleme kaydetmektedir [1]. Lazer, spektrometre ve diğer elektronik cihazların gelişimine bağlı olarak LIBS cihazları ticari olarak büyük gelişim göstermekte, laboratuar tipi cihazların yanı sıra taşınabilir ve uzaktan analiz cihazları üretilmektedir [2].

Bu çalışmada, BAKİ-LIBS sisteminin tasarımı, kurulumu ve ince $lm LIBS analizi gerçekleştirildi.

BAKİ-LIBS Sistemi

LIBS tekniği numune üstünde çok küçük bir alana (µm) odaklanan lazer atımı ile malzeme buharlaştırılarak plazma elde edilmesini ve plazmadaki uyarılmış parçacıklardan yayılan spektrumu kullanarak nitel ve nicel bilgi almak için kullanılan analitik atomik spektroskopi tekniğidir. LIBS tekniği ile malzeme analizi yapılması için enerji kaynağı olarak ns veya daha kısa atımlı bir lazer, odaklama/toplama optikleri ve yüksek çözünürlüklü deteksiyon sistemi ve spektral analiz sistemi kullanılmaktadır. Spektrometre ve kamera deteksiyon sistemini oluşturmaktadır [3]. Spektral analiz sistemi içinde; spektrometre çalışma parametrelerinin belirlendiği, spektrum verilerinin alındığı ara yüz yazılımı ve spektral çizgilerin belirlendiği veri bankası bulunmaktadır. Tekrarlanabilir ölçümler alınması için LIBS sistemindeki numune yeri sabit hale getirilmelidir. LIBS sisteminin sabit hale getirilmesi, hassas analizler ve çevresel etkilerin en aza indirilmesi için numune kapları kullanımı tercih edilmektedir. LIBS sistemlerinde cihazların senkronizasyonu ve istenilen zamanda ışınların analiz edilmesi için sinyal geciktirme üreteci (delay generator) kullanılmaktadır [4].

BAKİ-LIBS sisteminde (Şekil 1); temel dalgaboyunda (1064 nm) 5, 6 ns atım uzunluğuna sahip Q-anahtarlamalı Nd: YAG lazer (EKSPLA NL230), 20 Hz tekrarlama frekansına ve 120 mJ maksimum çıkış enerjisine sahiptir. Lazer ışınını malzeme yüzeyine odaklamak için 150 mm odak uzunluğuna sahip BK7 kaplamalı plano konveks mercek kullanılmıştır. Ölçümlerde sinyal gürültü oranını (SNR) azaltmak ve zamansal olarak atomik yayınım çizgilerini elde etmek için geciktirme üreteci (DG535, Stanford Research Systems) kullanılmıştır. BAKİ-LIBS sistemindeki lazer ve spektrometre gecikme üreteci ile senkronize edilmektedir. Farklı gecikme ve toplama süreleri için gecikme üreteci


[email protected]

Şekil 1. BAKİ-LIBS deneysel düzenek.


45

kullanılarak BAKİ-LIBS sistemi tetiklenmektedir. Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan ışımalar kolimatör ile bağlantılı 600 μm çapında $ber demeti ile toplanarak 7 kanallı çapraz Czerny-Turner dizilimine sahip BAKİ spektrometre sistemine aktarılmaktadır. BAKİ spektrometre çapraz Czerny-Turner tasarımında ve 200-900 nm dalgaboyu bölgesini kapsamaktadır, 3600 piksel lineer CCD dizi detektörün kullanıldığı spektrometre çözünürlüğü 0,75 nm'dir. BAKİ spektrometre yazılımı spektral çizgileri belirlemek için NIST veri bankasını kullanmaktadır.

Lazerle oluşturulan plazma spektroskopisinde (LIBS) ince $lm analizi gibi hassas analizler tek lazer atımı ile gerçekleştirilir. Tek atım deneyleri örnek yüzeyinden kaldırılan malzeme miktarını azaltmak için ve derinlik çözünürlüğünün gerektiği şartlarda önem kazanmaktadır. Tek atım LIBS ölçümlerinin yapılmasındaki amaç sürekli olarak numuneden malzeme kaldırmayı önlemektir. Analiz süresince gönderilen her bir lazer atımı malzemenin ince bir tabakasını kaldırırken gelecek bir sonraki atım için numune yüzeyi yeni bir yüzey olarak tanımlanmaktadır. Böylece aynı noktadan alınan her bir lazer atımı sonucunda LIBS ölçümlerinin kaydedilmesi ile ardışık katmanların element içeriği bilgisi sağlanır. Bu amaçla, ince $lm analizinde lazer atımlarını yazılım ile kontrol edebilmek amacı ile BAKİ-LIBS sistemine mekanik shutter eklendi.

BAKİ-LIBS sisteminde lazerin tetiklenmesi için gerçekleştirilen mekanik shutter arduino kontrollüdür. Tek atım ince $lm analizleri için lazer 5 atım atacak şekilde ayarlanmaktadır. Sistemin çalışması; lazer çıkışından gelen ilk trigger sinyali arduino'ya girmekte, arduino bu sinyali aldığı andan itibaren 180 ms bekler ve beşinci atımı numune yüzeyine geçecek şekilde mekanik shuttera sinyal göndermektedir. Aynı anda spektrometreye de sinyal gönderilmekte ve beşinci atım ile oluşan plazmayı yakalayacak şekilde spektrometrenin toplama zamanı başlatılmaktadır, spektrometrenin yazılımından da gecikme verilerek plazma yayılım sinyallerinin yakalanması sağlandı. Ayrıca, spektrometre tetiklemesini geciktirici jeneratör aracılığ ı i le de gerçekleştirilebilmektedir, bu düzenekte, lazerin çıkışından arduinoya giden sinyal ikiye bölünmüş bu sinyallerden biri geciktirme jeneratörüne diğeri ise spektrometreye açılma sinyali olarak gönderilmiştir. Her iki sistemin çalışma performansı üzerinde çalışmalarımız devam etmektedir.

BAKİ-LIBS İnce Film Analizi

CZTS (Cu2ZnSnS4) ince $lm güneş hücrelerinin soğurucu katmanını oluşturan p-tipi yarı iletkendir, cam alttaş üzerindeki metalik çok katmanlı ince $lmin bileşiminde bakır, kalay ve çinko elementleri bulunmaktadır. BAKİ-LIBS analizleri gerçekleştirilen metalik ince $lm katmanlı CZTS numune yüksek vakumda mıknatıssal saçtırma tekniği kullanılarak üretilmiştir. BAKİ-LIBS analizlerinde CZTS numunesinin katmanların bileşimi aynı noktadan alınan spektral verilerinin atım sayısına göre bileşen değişimi ile incelendi (Şekil 2). Benzer şekilde bu teknik kullanılarak farklı bileşenlere sahip numunelerin katman kalınlıkları da belirlenebilmektedir [5]. BAKİ-LIBS ince $lm analizinde CZTS numune yüzeyine 58 mJ atım enerjisine sahip tek lazer atımı, 3 ms gecikme ve 10 ms toplama süresi kullanılarak uygulandı. Her bir atımda elde edilen LIBS verilerinin sinyal değişiminden $lmdeki katman değişimi görüldü. Uygulanan enerji ince $lmlerin katman analizi için fazla olduğu için ilk atımda birinci ve üçüncü katmandan gelen verilerin her ikisini de toplamaktadır. CZTS çok katmanlı ince $lm BAKİ-LIBS analizinde, ilk atımda Cu ait katmandan gelen veriler ve Zn ait katmandan gelen veriler bulunmaktadır. Uyguladığımız 58 mJ lazer enerjisi ile CZTS ince $lmin 3. katmanına kadar inildiğini göstermektedir.

Çok katmanlı CZTS ince $lmin aynı noktasından tekli atımlar halinde alınan BAKİ-LIBS ölçümlerinde ilk atımında üst katman olan Cu katmanından veriler kaydedilirken, ikinci atımda $lmin ikinci katmanından Sn elementine ait yayınım çizgileri kaydedildi. Film katmanlarının nanometre kalınlıklı olmasından dolayı 3. atım sonrasında cam altlıktan gelen Ca ve Na elementlerinin yayınım çizgileri spektrometre tarafından kaydedildi.



46

Sonuç

Lazerle malzeme analizi spektroskopi (LIBS) sistemi lazer, spektrometre, sinyal geciktirme üreteci ve odaklama/toplama optiklerinin kullanıldığı numune kabı bileşenlerinden oluşmaktadır. BAKİ-LIBS sistemi ince $lm bileşim ve derinlik analizi için lazeri ile senkronize çalışacak şekilde yeniden düzenlenmiştir. Tek atım çalışmaları için sisteme bilgisayar kontrollü mekanik shutter eklenmiştir. Güneş hücrelerinin soğurucu katmanını oluşturan CZTS ince $lmin BAKİ-LIBS analizleri farklı atım sayılarında gerçekleştirildi. İnce $lmlerin değişik katmanlarının ince $lm bileşiminde sırası ile Cu, Sn ve Zn elementleri belirlendi.

Teşekkürler

Bu çalışmaya 0404.TGSD.2010 ve 9130018 numaralı projeler ile katkılarından dolayı Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığına ve TÜBİTAK'a teşekkür ederiz.

Kaynaklar

[1] Brech F., Cross L., Appl.Spectrosc., 1962, 16, 59-64. [2] Miziolek A. W., Palleschi V., Schchter I.,1st ed., Cambridge,New York 1-640, 2006. [3] Genç B., Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006. [4] Cremers D. A., Radziemski L. J., 1st ed., Wiley, Chichester, 1-313, 2006. [5] Genc Oztoprak B., Akman E., Hanon M., Günes M., Gümüs S., Kacar E., Gundogdu O., Zeren M., Demir A., , Optics & LaserTechnology, 45,748'755, 2013.


Şekil 2. Çok katmanlı ince $lmin 58 mJ enerji uygulanarak alınan BAKİ-LIBS spektrumları.


47

Lazer ile Oluşturulan Plazma Spektroskopisi (LIBS) ile Arkeolojik Seramiklerin Sır ve Boya Analizi Mesadet Asuman Sınmaz1, 2, Belgin Genç Öztoprak1, 2, Arif Demir1, 2 1BEAM Ar-Ge Optik, Lazer, Spektroskopi Ltd. Şti, 2Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

Giriş

LIBS atomik yayınım spektroskopi temeline dayanan bir teknik olup, lazerle üretilen plazmadan yayılan karakteristik ışımalar ile malzemenin kimyasal bileşimini belirleyebilmektedir. LIBS tekniğinde, lazer atımları bir mercek kullanarak örnek üzerine odaklanır ve malzeme yüzeyinde plazma ortamı oluşturur. Plazma ışığı ikinci bir mercek ya da #ber optik kablo kullanılarak toplanır ve spektrometreye kayıt edilen spektral çizgilerden bileşimindeki elementler belirlenir. LIBS çevresel, medikal, endüstri, askeri ve kültürel miras alanlarında kullanılmaktadır. Kültürel mirası yansıtan arkeolojik numunelerin karakterizasyonunu belirlemede kullanılan teknikler numune hazırlamayı gerektirir. Ancak, numune hazırlığı arkeologlar ve sanat tarihçileri tarafından numuneye zarar verdiği ve zaman almasından dolayı istenmeyen bir durumdur. LIBS numune hazırlamayı gerektirmez, bu nedenle, LIBS kültürel miras analizlerinde son yıllarda sık tercih edilen bir teknik haline gelmiştir. Bu çalışmada, Osmaniye yüzey araştırmalarından toplanan İslam ve Bizans kültürlerini ait seramiklerin sır ve boya katmanlarının LIBS tekniği ile spektrokimyasal analizleri gerçekleştirildi.

Malzeme ve Deneysel Kurulum

Antik dönemden bugüne kadar yapılan çömleklerin üzerine sır tabakası kaplanmaktadır. Dekorasyon ve sıvı emilimini önlemek amacıyla kaplanan bu sır tabakası ince camsı bir malzeme olup silika akı ve boya maddesi içerir. Genellikle, SiO2 malzemesinde büyük oranla barındıran feldispat ya da silika cam malzeme formunda olarak kullanılır. Renklendirme için ayrıca birkaç metal oksit kullanılmaktadır.

Bu çalışmada, Ortaçağ dönemine ait Osmaniye arkeolojik yüzey araştırması çalışmalarından seçilen şe%af ve renkli sırlı seramik parçalarının LIBS tekniği ile element bileşenlerinin analizi gerçekleştirildi. LIBS ölçümlerinde kullanılan farklı ekipmanlar ve deneysel düzenekler hakkında detaylı bilgileri LIBS temel kitaplarında bulmak mümkündür [1-3].

Bu çalışmada kullanılan BAKİ-LIBS deneysel sistemi Şekil 1.' de gösterilmektedir. Arkeolojik seramiklerin analizinde temel dalgaboyunda (1064 nm) 4,4ns atım uzunluğuna sahip Q-anahtarlamalı Nd: YAG lazer (EKSPLA NL301HT) kullanıldı. Lazer 20 Hz maksimum tekrarlama oranında 450 mJ maksimum çıkış enerjisinde çalışabilmektedir. Malzeme yüzeyine lazer ışınını odaklamada 150 mm odak uzunluğunda BK7 kaplamalı plano dışbükey mercek kullanıldı. Ölçümlerde sinyal gürültü oranını (SNR) azaltmak ve zamansal olarak atomik yayınım sürecini ele almak için geciktirme üreteci (DG535, Stanford Research Systems) kullanılarak lazer ve spektrometre tetiklendi, sistem senkronize edildi. Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan ışımalar kolimatör ile bağlantılı 600 μm çapında #ber demeti ile toplanarak 7 kanallı çapraz Czerny-Turner dizilimine sahip BAKİ spektrometre sistemine aktarıldı. LIBS yayılım çizgilerini tanımlayabilmek BAKİ spektrometre yazılımı içerisinde elementlere ait NIST veri bankasında alınmış referans geçişler yer almaktadır. [4]


[email protected]


49


a) Sır Analizi

Bu çalışmanın amacı, İslam ve Bizans dönemlerine ait olarak tanımlanan seramiklerin sır yapılarındaki benzerlikleri ve farklılıkları belirlemektir. LIBS ölçümlerinde her bir spektrum 1064 nm dalgaboyunda, 10 mJ lazer enerjisi ve 20 Hz tekrarlama oranına sahip Nd:YAG lazerin 3 atım ortalaması alınarak kaydedildi. Her iki kültüre ait içerisinde şe%af sırrı barındıran seramiklerin LIBS spektrumları Şekil 2.'de gösterilmektedir. Seramiğin sır yapısında var olan temel elementler Pb, Mg, Si, Al, Ca, Li olarak belirlendi. İslam ve Bizans seramiklerindeki şe%af sırrın arasındaki farkın Sr elementi olduğu görülmektedir. İslam seramiklerinde Sr belirlenmesi, bitkisel içerikli hammaddelerin kullanıldığını göstermektedir. Elde ettiğimiz sonuçlar arkeometri alanında yapılan çalışmalar ile desteklenmektedir. Antik dönemde Bizans ve İslam sırları yüksek kurşunlu sırlar ve kalay katkılı alkali sırlar olarak ikiye ayrılmaktadır [5]. Hongjiao Ma ve grubu tarafından 10. ve 12. yy arasındaki Çin seramik teknolojisinde seramik sır yapımında Sr kullanıldığı belirtildi [6].

Ayrıca, her iki kültüre ait yeşil sırlı seramiğin sır katmanında Cu elementi gözlemlenmiştir. Her iki kültüre ait ancak Yapılıpınar ve Örenşehir olmak üzere farklı kazı alanlarından seçilen kahverengi sırlı seramik yapısında temel olarak Fe elementinin bulunmasının yanısıra Yapılıpınar kazı alanına ait seramik sır yapısında ayrıca Zn varlığı da tespit edilmiştir.


Şekil 1. Arkeolojik seramiklerin analizi için BAKİ-LIBS deney sisteminin şematik gösterimi.

Şekil 2. Şe%af sır LIBS spektrumları. Ekli küçük resimde, 1-A seramik örneğindeki Sr yayınımı daha net görebilmek için spektrumun 530-730 nm aralığındaki detaylı gösterimi.


50

b) Boya Analizi

Boya maddeleri antik dönemden günümüze kadar birçok alanda kullanılmıştır. Renkli çalışmalarda boyanın tanımlanması, üretim tarihi bilenen bir boya ise eserin tarihlendirme bilgisi sağlamaktadır. Boyalı arkeolojik eserlerin restorasyon çalışmalarında uygun boyanın hazırlanması için eser üzerindeki boyanın karakterizasyonu önem taşımaktadır. Arkeolojik seramiklerin yüzeylerinde dekoratif amaçlı kullanılan boya maddeleri renklere özgü farklı elementleri barındırmaktadır. Bu çalışmada, M.S. 13 yy Ortaçağ dönemine ait ve Bizans kültürünü yansıtan kazı bezemeli seramik parçasının yüzeyindeki boyaların BAKİ-LIBS sistemi ile yüzey tarama analizleri gerçekleştirildi. Seramik üzerinde kahverengi ve yeşil renkleri de içerisinde barındıran bir bölgeden çizgi boyunca 1 mm aralıklar ile 26 adet LIBS spektrumları alınarak uzay çözünürlüklü LIBS analizi uygulandı. Sırasıyla kahverengi ve yeşile renklerine özgü Fe ve Cu elementlerinin varlığı kaydedilen spektrumlarda görülmüştür, alınan spektrumlardan bu elementlerin konum boyunca elementlerin değişimi sunuldu. Boya analizindeki LIBS ölçümleri için Nd:YAG lazerin temel dalgaboyu kullanılarak 30 mJ lazer atım enerjisi ve 3 atım ortalaması alınarak gerçekleştirildi.

Şekil 3.'de görüldüğü gibi 8. lazer atımı noktasında Fe elementinin normalizasyon şiddeti yükselmektedir. Bu noktada Fe elementinin şiddetinin maksimum olmasının sebebi seramik üzerine bezeme olarak yapılan koyu renkteki (kahverengi) çizgilerin bir tanesine lazer atımının bezeme üzerine denk gelmesidir. Cu elementinin değişiminin 8. lazer spotundan sonra kısmi olarak arttığı görülmektedir. Bunun nedeni ise seramik üzerindeki boyanın homojen bir yapıya sahip olmamasından kaynaklanmaktadır.

Teşekkürler

Bu çalışmaya 0404.TGSD.2010 numaralı projenin katkılarından dolayı Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığına teşekkür ederiz.

Kaynaklar

[1] Cremers D. A., Radziemski L. J., Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, 1st ed., Wiley, Chichester, 1-313, 2006. [2] Noll R., Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Fundamentals and Applications, 1st ed., Springer, Berlin, 1-546, 2012. [3] Miziolek A. W., Palleschi V., Schechter I., Laser- Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Fundamental and Applications, 1st ed., Cambridge, Newyork, 1-640, 2006. [4] http://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/lines1.pl [5] Tite M, Mason R, Molera J, Vendrell saz M. Wood N., Lead galzes in antiquity methods of production and reasons for use, Archaeometry 40, 2 (1998), 241-260.]. [6] Ma H., Henderson J., Evans J., The exploration of Sr isotopic analysis applied to Chinese glazes: part One, Journal of Archaeological Science 50 (2014), 551-558].

Şekil 3. Arkeolojik seramik yüzeyinde bulunan boya maddesindeki Cu ve Fe elementlerinin normalize olmuş şiddet değişimi.



51

Lazer ile Oluşturulan Plazma Spektroskopisi (LIBS) ile Arkeolojik Seramiklerin Kil Sını"andırması Mesadet Asuman Sınmaz1, 2, Belgin Genç Öztoprak1, 2, Arif Demir1, 2 1BEAM Ar-Ge Optik, Lazer, Spektroskopi Ltd. Şti, 2Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

Giriş

Arkeolojik nesnelerin karakterizasyonundaki en önemli bilgi kullanılan malzemelerin kimyasal bileşenlerinin bilinmesidir. Kimyasal karakterizasyon bilgisi bu alanda çalışan araştırmacılara malzemenin yapımında ne kullanıldığı, nasıl ve ne zaman yapıldığının yanı sıra nerede kullanıldıkları hakkında bilgilere ulaşılmasına izin verir. Arkeoloji biliminin araştırılmasında kullanılan analitik kimya ve arkeoloji uygulamaları arkeometri adı altında yeni bir dalın ortaya çıkmasını sağlamıştır. Malzeme biliminde ve analitik kimyada kullanılıyor olan çok sayıda element analizi tekniği bulunmaktadır. Bunlar X-ışını, optik spektroskopi ve kütle spektroskopisi temeline dayanan tekniklerdir [1]. Tüm analiz teknikleri sanat ve arkeoloji alanında da kullanılmaktadır. Arkeologlar sadece bu analiz sonuçlarına bağlı kalmayıp arkeolojik numunelerin kemometrik analizi üzerinde de durmuşlardır. Kullanılan tüm bu analiz tekniklerinin sonuçlarından yararlanarak arkeolojik sını"andırma işlemi yapılmaktadır. Arkeolojik numunelerin bu yönlü analiz edilmesi ve sonrasında kemometri işlemlerine tabi tutulması adı altında disiplenler arası yeni bir alan olan arkeometri dalı oluşmuştur. Kemometrik yöntemlerin temel amacı alınan verilerde gizli kalan ve bozulmamış bilgi elde etmektedir [2]. Kemometri analizleri sonucunda veriler arasındaki farklılıkları tespit edebilir veya benzerlik eğilimlerini tespit edebilmektedir. Bu çalışmada analiz edilen seramikler Osmaniye yüzey araştırmaları süresince toplanan farklı kil yapısına sahip seramik türlerinin spektrokimyasal analizleri gerçekleştirildi. Kil analizleri yapılmak üzere Osmaniye'nin farklı yerlerinden (Yapılıpınar, Örenşehir ve Taşlıhöyük) frit, kireçli frit ve kırmızı toprak yapısında tanımlanan seramiklerin spektrokimyasal analizleri gerçekleştirildi ve LIBS ölçümlerinin sonucuna göre killerin PCA ile kümelenmesi sağlandı ve PLS-DA metodu ile örnek sını"arına göre bir model oluşturuldu ve bu model farklı numune sını"arını tanımlamak için kullanıldı.

Malzeme ve Deneysel Kurulum

Frit iki ya da daha fazla mineralin (bir silika ve kireç (CaCO3)) eriyene ve renkli cam formuna gelene kadar yüksek sıcaklıklarda ısıtmasıyla oluşturulmuş renkli cam olarak da tanımlanır [3]. Fritlerin içeriğindeki elementler düşük konsantrasyonlara sahiptir. Bir numunenin frit olup-olmadığını örnek içeriğindeki Ca ve Fe elementlerinin miktarı ile belirlenir [4]. Bu çalışmada, toplam 13 adet seramikten her birinden 5'er adet BAKİ-LIBS verisi kaydedildi ve ölçüm değerlendirmeleri bu verilerin ortalaması alınarak gerçekleştirildi. Toplanan bu verilerin tümü seramiklerin sını"andırma aşamasında kullanıldı. Arkeolojik seramiklerin kil analizi için her bir spektrum 20 Hz tekrarlama frekansında 30 mJ lazer enerjisinin 10 atımın ortalaması alınarak çok kanallı BAKİ spektrometre ile kaydedildi. Kil analizleri yapılmak üzere 3 gruba ayrılan seramiklerden, her bir grubu temsilen birer adet örnek seçip LIBS spektral ölçüm sonuçları Şekil 1.'de gösterilmektedir. Arkeolojik seramiklerin kil sını"andırılması çalışmasında bir önceki çalışma olan LIBS tekniği ile arkeolojik seramiklerin sır ve boya analizi çalışmasında tanımlanan BAKİ-LIBS deneysel ölçüm sistemi kullanılmıştır [5]. Tüm spektral veriler 200 nm ile 900 nm aralığında BAKİ spektrometre ile kaydedildi.


LIBS analizlerinde diğer seramik örneklerinden farklı olarak frit numunesinde Ti elementi saptanmıştır. Benzer şekilde kırmızı topraklı seramik numunesinin kil yapısında da frit numunesinin kimyasal bileşiminden farklı olarak Fe elementi belirlenmiştir. Kireçli frit ve frit içeriği

Lazer ile Oluşturulan Plazma Spektroskopisi (LIBS) ile Arkeolojik Seramiklerin Kil Sını"andırması

[email protected]


53

karşılaştırıldığında kireçli frit yapısında yüksek miktarda Ca elementi saptanmıştır. Ca miktarının fazla olmasından dolayı kireçli frit ve kırmızı toprak seramiğinin kil yapısının boşluklu olduğu görülmektedir.

Yaptığımız deneyde Redford ve grubunun yapmış olduğu çalışma sonuçlarına benzer sonuçları elde edidi. Redford ve grubu INAA tekniği yardımıyla İslam sırlı frit (fritware) parçalarını inceledi ve incelenen seramikleri PCA yardımı ile sını"andırdı. Başlangıçta toplamda 168 numune içerisinden ön analizler sonucunda 37 numune kireçli kil yapısından dolayı frit olarak tanımlanmadı. Redford ve grubu, ayrıca geriye kalan örneklerin kümeleme analizi sonuçlarını sundular ve bazı örnekler kümeleme analizinde tanımlanamadı. Tanımlanamayan bu örneklerden birinde yüksek Ca ve Fe, düşük Na oranını içermesinden dolayı bu seramik örneği Redford tarafından frit olarak tanımlanmadı. Analiz sonuçlarına göre kireçli frit seramiklerinin içeriğinde çok fazla Ca ve Fe var olduğu sunuldu [4].

Arkeolojik seramiklerin LIBS ile ilgili sını"andırması çalışmasında, tüm numunelerden alınan spektral yayılım çizgilerine bakılarak Ca, Na, Mg, K, Si ve Al temel olan elementler olarak görülürken Ti ve Fe elementleri iz elementleri olarak belirlendi.. Frit ve diğer seramikler arasındaki temel fark Ca miktarlarının farklı olması ve özellikle de kırmızı toprak içeriğinde Fe elementini barındırıyor olmasıdır. Kırmızı toprak, kireçli frit ve frit seramiklerinin sını"andırılması için temel bileşenler analizi (PCA) yapıldı. PCA ve PLS-DA analizleri ticari olarak mevcut bulunan LIBS Graphical Development Tool (LIBS GDT) (New Folder Consulting) kemometrik yazılımı kullanılarak elde edildi. Her numune için yazılımda ayrı bir isim atanmış ve bir işaretleyici kullanılmıştır (Şekil 2). Örneğin, burada S1 numunesi H0 olarak tanımlanmış ve içi dolu mavi dairesel işaretleyici ile ifade


Şekil 1. Kırmızı toprak, kireçli frit ve frit numunelerinin 270-460 nm aralığındaki BAKİ-LIBS spektrumları.

Şekil 2. Kırmızı toprak, Kireçli Frit ve Frit seramiklerinin PCA analizi.

Şekil 3. Kırmızı toprak, Kireçli Frit ve Frit seramiklerinin PLS-DA sonuçları.


54

edilmektedir. PCA analizi sonucundan da görüleceği gibi H0 ve H1 kireçli frit, H2 ve H3 frit seramikler olup geriye kalanlar ise kırmızı toprak yapısına sahiptir.

Frit seramiklerin kırmızı toprak yapısına sahip seramiklerden uzakta yer aldığı Şekil 2'de görülmektedir. Ayrıca, kireçli frit yapısındaki seramikler ise her iki grubun ortasında yer aldığı PCA analizinden görülmektedir. Frit seramiklerinin diğer seramiklerden ayrıldığı gibi kendi içlerinde de gruplandığı görülmektedir. PLS-DA sonuçlarını karışıklık matrisi Şekil 3'de görülmektedir. PCA analizinin yanı sıra arkeolojik kil seramiklerinin LIBS verileri ile tam çapraz doğrulama metodu kullanıldı. Örnek sını"arı bir diğeri ile karışmamıştır ve sonuçlar %100 genel ayrım ile elde edilmiştir. (Şekil 3). PLS-DA analizinde örnek sını"arına göre bir model oluşturuldu ve bu model farklı numune sını"arını tanımak için kullanılmıştır. İncelenen numunelerin doğru sını"arda yer alması için belirli örnek sını"ar ile ilişkili spektral veriler yardımıyla test edilip oluşturulan bu model onaylandı. Bu çapraz doğrulama modelleri B. Genç Öztoprak ve grubunun böbrek taşı analiz ve sını"andırma çalışmasında da sunulmuştur [6].

Teşekkürler

Bu çalışmaya 0404.TGSD.2010 numaralı projenin katkılarından dolayı Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığına teşekkür ederiz.

Kaynaklar

[1] Miziolek A. W., Palleschi V., Schechter I., Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Fundamental and Applications, 1st ed., Cambridge, Newyork, 1-640, 2006. [2] Brereton R. G., Applied Chemometrics for Scientists, 1st ed., John Wiley, England, 1-3, 2007. [3] Go&er Z., Archaeological Chemistry, 2st ed., John Wiley, New Jersey, 1-623, 2007. [4] Redford S., Blackman M. J., Luster and Fritware Production and Distribution in Medieval Syria, Journal of Field Archaeology, 1997, 24(2), 233-247. [5] Sınmaz M .A.,LIBS Analizleri ile Arkeolojik Seramiklerin Analizleri, Yüksek Lisans Tezi Kocaeli Üniversitesi, Fen Bİlimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2014,10046421. [6] Genç Öztoprak B., Gonzalez J., Yoo J., Gülecen T., Mutlu N., Russo R. E., Gündoğdu Ö., Demir A., Analysis and Classi'cation of Heterogeneous Kidney Stones Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Applied Spectroscopy, 2012, 11, 1353-1361.



55

Metal Nano-parçacık Katkılamanın Sudan Molekülü Raman Spektrum Şiddetleri Üzerine Etkileri Arzu Altınpınar1, Dilek Erdaş3, Erhan Akman2, Elif Kaçar1,2,3, Seda G. Sağdınç3 1Kocaeli Üniversitesi, Elektro-Optik Sistem Mühendisliği, 2Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi 3Kocaeli Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü

Giriş

Raman spektroskopisi yöntemlerinden biri olan Yüzeyi Genişletilmiş Raman Saçılması (SERS: Surface-Enhanced Raman Scattering); özel olarak hazırlanmış metal nano-parçacıkların Raman aktif moleküller tarafından soğurulması ile Raman sinyallerinin artması amaçlanır [1]. Birçok molekül incelenmek üzere bu yöntem geliştirilmektedir. İlgilenilen moleküllerden biri de Sudan molekülüdür (C22H16N4O) ve sentetik boya olarak bilinen organik bir bileşendir. Genellikle endüstriyel renklendirmede ve gıda sektöründe kullanılmaktadır. Bu molekül uzun süreli kullanımlarda kanser riskini arttırmaktadır. Toz haldeki sudan molekülünün çözücüsü Kloroform' dur [2].

Bu çalışmada SERS tekniği kullanılarak Sudan molekülünün moleküler analizi yapılmıştır. SERS materyali olarak altın (Au) nano-parçacık kullanılmıştır.

Yöntem ve Materyal

Raman sinyallerinin arttırılması amacıyla; metal yüzeylerin lazer ile aşındırılması sonucu sıvı içinde elde edilen altın (Au) nano-parçacıklar kullanılmıştır. Bu nano-parçacıklar, atım süresi 6 ns, tekrarlama oranı 10 Hz olan, 1064 nm dalgaboylu Nd: YAG lazer kullanılarak hem saf su ve hem de kloroform içinde üretilmiştir [3]. Tablo 1'de üretilen nano-parçacıkların üretim şartları ve 'Malvern Zetasizer' kullanılarak ölçülen boyutları verilmiştir. Üretilen nano-parçacılar Şekil 1'de görüldüğü gibi koyu pembe ve açık pembe renkli bir sıvı halindedir.

Raman Spektroskopisinde; maksimum çıkış gücü 150 mW, çözünürlüğü 5 (cm-1) ve spektral aralığı 3500-50 (cm-1) olan 780 nm dalga boyuna sahip Therrmo Scienti%c DXR Smart marka Raman Spektrometresi kullanılmıştır.


Bu çalışmada hem katı hem de sıvı halde iki tür numune hazırlanmıştır. İlk tür numune, saf su içinde üretilmiş Au nano-parçacığın 0,02 ml'lik miktarı ile katı halde bulunan 15 mg'lık Sudan molekülünün karıştırılıp kurutulması ile elde edilmiştir. Şekil 2'de bu numuneden alınan Raman spektrumları görülmektedir. Hem Au nano-parçacık katlanmış hem de saf Sudan katı numunelerinden, 150 mW


[email protected]

Şekil 1. (a) Saf su ve (b) Kloroform içinde üretilen Altın (Au) nano-parçacıklar.

Tablo 1. İzmit Körfezinden alınan Gölcük ve Körfez numunelerinin Raman spektrumları

Metal Parçacık Çözeltiler Aşındırma Süresine (dakika)Boyut (nm)

Altın (Au) Saf su 15 87Altın (Au) Kloroform 15 94


57

lazer gücü ve 10s'lik uyarma süresi ile alınan spektrumlar karşılaştırıldığında, Au nano-parçacık katkısının spektrum şiddetlerini arttırdığı gözlenmiştir. İkinci tür numune ise; 15 mg'lık Sudan molekülü, kloroform içinde hazırlanan 3 ml'lik Au nano-parçacık içinde çözdürülerek elde edilmiştir. Lazer gücü 60 mW (Şekil 3.) ve 150 mW (Şekil 4.) olmak üzere 10 s'lik uyarma süresi ile Raman spektrumları elde edilmiştir.

Şekil 2. Katı Sudan molekülü ve Au nano-parçacık eklenmiş Sudan molekülünün Raman spektrumlarının karşılaştırılması (Lazer gücü 150 mW ve uyarma süresi 10 s).

Şekil 3. Sudan çözeltisi ve Kloroform içinde üretilmiş Au nano parçacık içerin Sudan çözeltisinin Raman spektrumlarının karşılaştırılması (Lazer gücü 60 mW ve uyarma süresi 10 s).

Şekil 4. Sudan çözeltisi ve Kloroform içinde üretilmiş Au nano parçacık içerin Sudan çözeltisinin Raman spektrumlarının karşılaştırılması (Lazer gücü 150 mW ve uyarma süresi 10 s).



58

Şekil 3 ve Şekil 4'de Au nano-parçacık katkısının elde edilen spektrumlar üzerinde etkin olduğu görülmektedir. Özellikle 150 mW lazer gücü uygulanarak elde edilen spektrumda Au nano-parçacık katkılı çözeltiden elde edilen spektrumların, nano-parçacık katkılanmamış çözeltiden alınan spektruma göre 10 katı şiddette olduğu görülmektedir. Bu da SERS üzerinde hem nano-parçacık katkısının hem de uygulanan lazer gücünün önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir.

Sudan molekülünün Raman kaymalarına denk gelen moleküler bant yapılarının Tablo 2.'de belirtildiği gibi bükülme, gerilme, düzlem içi ve düzlem dışı deformasyon gibi titreşim modlarına karşılık geldiği belirlenmiştir.

Teşekkürler

Yapılan bu çalışma Kocaeli Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeler birimi tarafından desteklenen, 2014/022 no'lu 'Yaşayan ve Yaşatan bir Kocaeli için Çevresel Durum Analizi' projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir.

Kaynaklar

[1] Christine J Hicks, et al. Spring 2001, MSU CEM 924. [2] Zhou Xiaofong, et al. Experimental and Theoretical Analysis for identifying Sudan red molecules based on Raman spectroscopy, Trends in Applied Sciences Research 1 (2006) 55-161. [3] E.Akman, et al. Framentation of the gold nanoparticles using femtosecond Ti:Sapphire laser and their structural evolution, Optics Laser Technology 49 (2013) 156-160.

Tablo 2. Sudan Molekülünün Raman Spektrum değerleri (X: Katı Sudan Molekülü ve Y-Z: Sudan Çözeltisi). Titreşimsel modlar: , gerilme; δ, düzlem içi deformasyon,γ: düzlem dışı deformasyon, τ: bükülme


Raman Kayması (cm-1) Moleküler Bant

X Y-Z X Y-Z

160 261 τ(C-C) δ(C-C )312 366 τ(C-C) δ(C-C )486 667 γ(C=O) γ(O-H)520 760 γ(C=O) δ(C-H)625 1158 γ(C-C) ν(C-N)736 1192 γ(C-H) δ(C-O )812 1218 γ(C-H) ν(C-N)864 1322 γ(C-C) δ(O-H)997 1386 γ(C-C) ν(N=N)

1157 1410 γ(C-N) ν(N=N)1192 1478 δ(C-H) ν(N=N)1215 1594 δ(C-N) ν(C=O)1291 3020 δ(C-H) ν(O-H)1304 δ(C-H)1393 δ(C=N)1465 δ(C-H)1490 δ(C-H)1594 δ(N=N)


59

Raman Spektroskopisi ile İzmit Körfezi Deniz Suyunun Moleküler Analizi Arzu Altınpınar1, Elif Kaçar1, 2, Erhan Akman2, Murat Güneş2, Arif Demir1, 2 1Kocaeli Üniversitesi, Elektro-Optik Sistem Mühendisliği, 2Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

Giriş

Raman spektroskopisi, monokromatik bir ışık kaynağının elastik olmayan saçılması temeline dayanan bir spektroskopi tekniğidir. Lazer kaynağından çıkan fotonlar malzeme tarafından soğurulur ve malzeme tarafından tekrar yayılır. Tekrar yayılan fotonların frekansları malzemeye gelen lazer fotonlarının frekansına göre yukarı veya aşağı yönde kayma gösterir. Bu değişim malzemeye ait moleküllerin titreşim, dönme ve diğer düşük frekanslı geçişleri hakkında bilgi sahibi olmamızı sağlar [1]. Raman spektroskopisi, bir saçılma spektroskopisi yöntemi olup, çoğunlukla kızıl altı (IR: InfraRed) spektroskopisinin tamamlayıcı yöntemi olarak kullanılmaktadır. Kızıl altı spektroskopide gözlenemeyen zayıf titreşimler Raman spektroskopisinde gözlenir [2]. Raman spektroskopisi, çok az veya numune hazırlığı gerektirmeyen ve numuneye zarar vermeyen kullanışlı bir tekniktir. Toz, $ber, katı, sıvı ve gaz numunelerin analizi için kullanışlıdır ve doğrudan cam kap içinde örneklendirme yapılabilir.

'Yüzeyi Genişletilmiş Raman Spektroskopisi' (SERS: Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) tekniği, özel olarak hazırlanmış metal nano-parçacıkların Raman aktif moleküller tarafından soğurulması sonucunda Raman sinyallerinin artmasını sağlayan Raman spektroskopi tekniğidir[3].

Bu çalışmada, SERS yöntemi geliştirilerek İzmit Körfez bölgesinin Gölcük ve Körfez noktalarından temin edilen deniz suyu örnekleri analiz edilmiştir. Deniz suyu örneklerine, sıvı içinde lazerle üretilmiş altın nano-parçacıklar katkılanarak Raman spektrumlarının şiddetlerinin artması sağlanmıştır.

Yöntem ve Materyal

SERS yönteminde kullanılan Altın (Au) nano-parçacıklar; lazerle sıvı içinde üretilmiştir. Au metal numune, 10 ml'lik Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) çözeltisi içine yerleştirilerek üzerine atım süresi 6 ns, atım tekrarlama oranı 10 Hz olan 1064 nm dalga boylu Nd: YAG lazer demeti odaklanmış ve 30 dk boyunca 800 µJ enerji ile metal yüzeyin aşındırılması sonucu nano-parçacıklar üretilmiştir [4]. Au nano-parçacıkların (Şekil 1) boyut analizi 'Malvern Zetasizer Nano series' ile yapılarak ortalama boyutun 198 nm olduğu belirlenmiştir (Şekil 2).

Raman spektroskopisi için 780 nm dalga boyuna sahip, maksimum çıkış gücü 150 mW, çözünürlüğü 5 ve spektral aralığı 3500-50 (cm-1) olan 'Therrmo Scienti$c DXR Smart' marka Raman Spektrometresi kullanılmıştır. Ayrıca; Raman spektrumlarını desteklemek amacıyla spektral aralığı 4000-600 (cm-1) ve çözünürlüğü 4 (cm-1)' 'ATR Bruker-Tensor 27' model Fourier Dönüşüm Kızıl Altı Spektrometresi (FT-IR: Fourier Transform InfraRed) kullanılmıştır.


[email protected]

Şekil 1. Sıvı içinde üretilen Au nano-parçacıklar Şekil 2. Altın nano-parçacıkların boyut dağılımı.


61


İzmit Körfezinin Gölcük ve Körfez bölgelerindeki deniz yüzeylerinden alınan su numuneleri $ltre kâğıdı kullanılarak süzülmüştür ve sırasıyla "Gölcük" ve "Körfez" olarak adlandırılmıştır. Her iki numune de hem doğal haliyle hem de altın nano-parçacık katılmış haliyle analiz edilmiştir. Her iki numuneye ait spektrumlar, 100 mW' lık bir lazer gücü uygulanarak 1s toplama süresi ile elde edilmiştir. Raman Spektrometresi ile analiz edilen Körfez numunelerinin spektrumları Şekil 3'de görülmektedir. Burada Raman sinyallerini artırmak amacıyla, Körfez numunesinden 3 ml alınarak kuvars küvet içinde 0,04 ml altın nano-parçacık ile karıştırılmıştır. Nano-parçacık katkılı ve katkısız Körfez numune spektrumları incelendiğinde, nano-parçacık katkısının beklenen etkiyi sağlayarak spektrum şiddetinde artışa yol açtığı görülmektedir. Benzer şekilde hazırlanan Gölcük numunelerine ait spektrumlar da Şekil 4'de görülmektedir. Ancak nano-parçacıkların etkisi bu ölçümlerde çok net gözlenememiştir.

Gölcük ve Körfez numuneleri birbirleri ile karşılaştırıldığında, aralarında bir fark olmadığı gözlenmiş, bu durumun numunelerin deniz yüzeyinden alınmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Ayrıca her iki numunenin FT-IR spektrometresi kullanılarak da spektrumları alınmıştır. Şekil 5'de verilen FT-IR spektrumları, hem Gölcük hem de Körfez numuneleri üzerinde 30 tarama gerçekleştirilip bu taramaların aritmetik ortalamaların değerlendirilmesi ile elde edilmiştir.

Şekil 3. İzmit Körfezinden alınan Körfez numunesinin Raman spektrumu.

Şekil 4. İzmit Körfezinden alınan Gölcük numunesinin Raman spektrumu.



62

İzmit körfezinden alınan Gölcük ve Körfez numunelerinin Raman spektrumları (Şekil 1 ve Şekil 2) değerlendirildiğinde, Tablo 1.'de gösterildiği gibi 100-620-1000-1600 (cm-1) dalga boylarına ait baskın pikler gözlenmiş ve sırasıyla spektrumların Sülfür, Gypsum, Anhyrite, C=C moleküller bant yapılarına ait olduğu belirlenmiştir.

Teşekkürler

Bu çalışma Kocaeli Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeler birimi tarafından desteklenen 'Yaşayan ve Yaşatan bir Kocaeli için Çevresel Durum Analizi' projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir.

Kaynaklar

[1] R. J. Bakker, Raman spectra of 'uid and crystal mixtures in the systems H2O , H2O-NaCl and H2O-MgCl at low temperatures: Applications to 'uid-inclusion research, The Canadian Mineralogist. 42 (2004) 1283-1314. [2] Santosh Kumar, et al. Spectroscopic studies of valine and leucine molecules a comparative study, Elixir Vib. Spec. 39 (2011) 4996-4999. [3] Christine J Hicks, et al. Spring 2001, MSU CEM 924. [4] E.Akman, et al. Framentation of the gold nanoparticles using femtosecond Ti:Sapphire laser and their structural evolution, Optics Laser Technology 49 (2013) 156-160.

Şekil 5. İzmit Körfezinden alınan Gölcük ve Körfez numunelerinin IR spektrumu.


Tablo 1. İzmit Körfezinden alınan Gölcük ve Körfez numunelerinin Raman spektrumları

Raman Kayması (cm-1) Moleküler Bant

100 Sülfür220 Sülfür620 Gypsum790 CCl4

1000 Anhyrite1030 Sulfur1154 Caratenoid1320 Diamond1450 CH31581 Graphane1600 C=C2900 C-H3052 O-H


63

Lazerle Uyarmalı Raman Spektrometresi Tasarımı ve Tıp Alanında Uygulamalarının Gerçekleştirilmesi Murat Güneş1, Belgin Genç Öztoprak1, Erhan Akman1, Arif Demir1, 2 1Kocaeli Üniversitesi, Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi 2Kocaeli Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü

Giriş

Raman spektroskopisi infrared spektroskopisinin tamamlayıcısı olarak kullanılmaktadır. Esnek saçılmaları belirleyen Raman spektroskopisi, sıvı çözeltilerin spektrumlarını almaya olanak sağlamaktadır. Bu avantajı sayesinde Raman spektroskopisi ile medikal numunelerin birçoğu rahatlıkla incelenebilmektedir. Ayrıca Raman spektroskopisi ile dokuların, vücutta üretilen taşların ve ilaçların incelenmesi de mümkündür.

Yöntem

Son 20 yıl içerisinde lazer sistemlerinin gelişmesi ve yeni nesil spektrograf ve CCD kameraların üretimi ile Raman spektrometrelerin kullanım alanı artmıştır. Günümüzde Raman spektroskopisi birçok endüstriyel laboratuarda rutin bir şekilde kullanılmaktadır [1].

Birçok laboratuarda, kızılötesi ve Raman spektroskopisi tekniği tamamlayıcı teknik olarak kullanılmaktadır, çünkü her yöntem belirli bir numunenin farklı yönlerini incelemektedir. Kızılötesi titreşimsel spektrometreler fonksiyonel gruplara ve yüksek polar bağlara hassas iken, Raman temel yapılara (backbone structure) ve simetrik bağlara karşı hassastır [2].

Sistem Bileşenleri

a) Optik Aksam

Sistemin optik tasarımı Optikwerks programı kullanılarak yapılmıştır. Spektrometre için Czerny-Turner dizilimi kullanılmıştır.

Lazerle Uyarmalı Raman Spektrometresi Tasarımı ve Tıp Alanında Uygulamalarının Gerçekleştirilmesi

[email protected]

Şekil 1. Doku analizi için Raman sistemi-Raman mikro-probu.


65

b) Mekanik Aksam

Optik masa üzerinde kurulan Raman spektrometre sistemine ait sistem iyileştirmeleri gerçekleştirilmiş ardından sistemin pa

lazer teknolojileri araştırma ve uygulama...

Documents