Nanosaniye lazer demetiyle metal malzemelerin etkileşiminin sayısal ve deneysel incelenmesi

Abstract

Gelişen teknolojiyle lazerler günümüzde endüstri, sağlık gibi çeşitli alanlarda lazerle aşındırma sürecine dayanan birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu uygulamaların kontrol edilebilmesi ve geliştirilebilmesi için lazer-malzeme etkileşimi sırasında meydana gelen ısınma, erime ve buharlaşma süreçlerinin detaylı olarak araştırılması gerekir. Bu tez kapsamında lazerle malzeme etkileşimini içeren farklı uygulamalar için lazerle aşındırma işleminde meydana gelen ısıl süreçler sayısal ve deneysel olarak incelendi. Tez çalışmasında Gauss formunda şiddet dağılımına sahip nanosaniye süreli bir lazer demetinin bir metal yüzeye uygulanması sürecinde lazer demeti ile katı malzemenin etkileşimi sırasında meydana gelen ısınma, erime ve buharlaşma süreçlerini sayısal olarak incelemek için matematiksel bir model ele alındı. Ele alınan matematiksel model kullanılarak farklı uygulamalar için lazerle aşındırma işleminde meydana gelen ısıl mekanizmalara bir öngörü sağlamak amacıyla hesaplamalar gerçekleştirildi. Deneysel ve sayısal sonuçların lazerle aşındırma işlemi için ısı iletiminin incelenmesine ışık tuttuğu ve yüzey buharlaşmasından kaynaklanan malzeme aşınımı için bir tahmin verebildiği sonucuna varıldı.

Lasers are used in many applications based on laser ablation in several areas such as industry, medical area through the technological advances. Detailed investigations of laser heating, melting and vaporization processes occurred during laser-material interaction are necessary to control and develop these applications. In the scope of this thesis, thermal processes occurred during laser ablation were studied numerically and experimentally for several applications based on interaction of laser with material. In the thesis study, a mathematical model was considered to numerically investigate laser heating, melting and vaporization processes occurred in the interaction of laser beam with solid material during irradiating a metal surface by nanosecond laser beam with Gaussian intensity distribution. Using the considered mathematical model, calculations were performed for different applications to get an insight to the thermal mechanisms taking place in the laser ablation process. It was concluded that experimental and numerical results provide an insight for investigation of heat conduction for laser ablation process, and give an estimation for material removal caused by surface vaporization.