Laser nedir?

Monokromatik (tek renkli), oldukça düz, yoğun ve aynı fazlı paralel dalgalar halinde genliği yüksek güçlü bir ışık demeti üreten alet. Laser İngilizce; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (uyarılmış ışın neşriyle ışık kuvvetlendirilmesi) cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiş, bir kelimedir.

1960 senesinde ABD’de Theodore H. Maiman tarafından keşfedilmiştir. Normal ışık, dalga boyları muhtelif, rengarenk, yani farklı faz ve frekansa sahip dalgalardan meydana gelir. Laser ışığı ise yüksek genlikli, aynı fazda, birbirine paralel, tek renkli, hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan ibarettir. Laser, Frekans spektrumunun mikro dalga bölgesinde tatbik sahası bulan maser’in optik dalga bölgesindeki benzeridir. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak bir trilyon hertz (saniyede salınım) ile üç bin trilyon hertz (saniyede salınım) arasında yer alır. Bu bölge, kırmızı ötesi ışınları, görülebilen ışınları ve elektromanyetik spektrumun morötesi ışınlarını kapsar. Buna karşılık mikro dalga frekans bölgesi yaklaşık olarak 300 milyon hertzden 300 milyar hertze kadar uzanır. Yani maser ve diğer mikro dalga aletlerine göre, laser çok yüksek frekanslarda (çok kısa dalga) boylarında çalışır.

Laserin önemi uygulamasının yaygın olmasında ve onun daha da genişlemesinin beklenmesinde

yatmaktadır. Özellikle uygulamanın genişliği, ışınların frekansların hassas bir şekilde kontrolünden, yayılan ışının yayılma düzeninden veya ışınların olağan üstü yoğunluğundan kaynaklanmaktadır. Laser dolayısıyla, holografide, metrolji (ölçme bilimi) ve opektraskopide çok önemli gelişmeler ortaya çıkmıştır. Bunlar yoluyla laser diğer bilimsel ve teknolojik alanlarda da etkisini göstermektedir. Laserin çalışma prensibi: Optik bakımdan saydam, bir ucunda tam sırlı ve yansıtıcı, diğer ucunda yarı sırlı kısmen yansıtıcı iki ayna bulunan bir tüp alınır. Buna gaz, sıvı veya katı bir madde doldurulur. Dışarıdan ışık verme, elektrik akımı geçirme suretiyle veya kimyasal bir yolla elde edilen enerji, ortamdaki atomlara ulaşır. Bunların bazısı bu enerjiyi emerler. Fazla enerji, atomları kararsız hale getirir. Kendisine bir foton (enerji paketçiği) çarpan, uyarılmış ve kararsız atom, fazla enerjiyi foton neşrederek verir. Fotonlar, benzer şekilde diğer fotonların neşrini sağlar. Uçlara ulaşan fotonlar, aynalardan yansıyarak geri dönerler ve olay devam eder. Uyarma ve tahriklerle ortamdaki fotonlar artar. Atomların hemen hemen hepsi, foton yaymaya başlayınca kuvvetlenen ışık, yarı sırlı uçtan dışarı çıkar. Bu, laser ışınıdır. Laser dalgalarını, uygun adım giden aynı üniforma ve şekle sahip askerlere, normal ışığı ise rastgele karakterli başıbozuk bir orduya benzetmişlerdir. Normal ışıkta dalgalar, birbirini zayıflatıcı karakterde olmasına rağmen, laserde birbirini kuvvetlendirici olurlar. Laser ışınları yüksek frekanslı olduklarından güneş ışını özelliklerine sahiptir. Ancak laser ışınları tek frekanslı yani, monokromatik olduğu için, kayıpları azdır. Ayrıca laser ışınları aynı fazda yapılan ışık dalgaları olduğu için yani, koherent özellik taşıdığı için, şiddeti büyük olur. Bu yüzden laser ışınlarının şiddeti güneş ışınlarının şiddetinin bir milyon katıdır. Güneş ışınının şiddeti 10.000 watt/metrekare olduğu halde, zayıf bir laser ışınının şiddeti 10 milyar watt/metrekareyi bulmaktadır.

Elektromanyetik dalga paketçiği de denen foton, güneş ışığı füzyon reaksiyonu ile meydana gelip, bu şekilde yayılan foton enerjisidir. Laser ışını da foton yayılmasından ibarettir. Laserde foton üretimini anlayabilmek için atomların değişik enerji seviyelerinde ne gibi hadiseler olduğunu bilmek gerekir. Bir atomun uyarılmış durumda bulunduğu kısa zaman aralığında üzerine belirli bir dalga boyunda foton (ışık) düşürülürse, atom aynı fazda foton yayar. Bu işlem peşpeşe tekrarlanırsa, tamamen aynı fazda olan bir ışın demeti elde edilir. En düşük enerji seviyesinde bulunan bir atoma dışardan bir foton verilirse, atom enerjisi kazanarak E 1 enerji seviyesinden E 2 enerji seviyesine uyarılmış olur. Bu atom kendi haline bırakılırsa, uyarılmış bulunduğu E 2 enerjisinden bir foton vererek tekrar E 1 enerji seviyesine döner. Uyarılarak enerji seviyesi E 1 ’den E 2 ’ye yükseltilen atom enerjisini geriye foton olarak yaymağa başlarken bir foton daha çarptırılırsa atomu birbiri ile aynı özellikte iki foton terkeder. Bu şekilde atom kat kat enerji seviyelerine çıkarılırsa bu seviyelerden düşerken de katlar halinde foton ürer. Bu işlem iki paralel ayna arasında aynı fazda olan fotonların toplanması şeklinde devam eder. Laser ışını dalgasının dalga boyu aynalar arasındaki mesafe ile uyumludur. Aynı frekansta yani, aynı dalga boyunda yapılan foton üretimine uyarılmış yayılma işlemi denir. Milyonlarca atom için bu işlem yapılırsa aynı yöne doğru milyonlarca foton paralel ışınlar halinde bir noktadan yayılır. Bu ışınlar aynı fazda (paralel), aynı frekansta ve aynı istikamette olduklarından adeta birbirine yanyana ve ardarda yapışıktır. Paralel aynalar arasında şiddeti bu şekilde bir çığ gibi artan ışınlar, ışık frekansına eş bir frekansta saniyenin 10 milyonda biri süreli darbeler halinde oldukça parlak ışık hüzmesi olarak yayılır. Laser ışınındaki enerjisinin büyümesinin esası işte bu milyonlarca küçük enerji kaynaklarının çok dar bir hüzme halinde aynı yönde hem yanyana hem de ardarda birleşmesi neticesidir. Laserin çalışması için enerji seviyesi düşen atomlarda daha fazla sayıdaki atomların uyarılacak enerji seviyelerine yükseltilmesi gerekir. Bu durum ise normal olarak atomların enerji seviyesi dağılımının tersidir. Bu sebepten laserin çalışması için gerekli durum tersine çevrilmiş dağılım olarak isimlendirilir. Tersine çevrilmiş dağılımı ortaya çıkarmak için pompalama işlemi kullanılır. Optik pompalama ise, yüksek frekanslı yoğun ışınların neşriyle yapılabilir. Yarı iletkenli laserlerde pompalama elektrik akımı yardımı ile gerçekleştirilir ve işlem elektriksel pompalama olarak isimlendirilir. Gaz laserlerinde ise pompalama işlemi elektron-atom veya atom-atom çarpıştırılması ile ortaya çıkarılır ve çarpışma pompalaması olarak bilinir. Kimyasal pompalama işleminde ise kimyasal laserlerde kimyasal reaksiyonlarla atom ve moleküller uyarılır. Gaz-dinamik laserlerde de pompalama ses hızı üstü gaz genişlemesi yoluyla gerçekleştirilir ve gaz genişleme pompalaması olarak isimlendirilir.

Osilasyon: Yukarıda açıklanan şekilde tersine çevrilmiş dağılım elde edildikten sonra, bu ortamdan geçen ışık rezonans durumuna getirilir. Optik asilator olarak da isimlendirilebilecek bu ortam yansıma, kırılma ve diğer kayıpları karşılayacak durumda olmalıdır. Bu amaçla laser ortamı, uzunluğuna doğru bir parça şeklinde düzenlenir ve iki ucuna çok kuvvetli yansıtıcılar konarak ışının bunlar arasında ileri-geri yansıması sağlanır. Bu yansıtıcılardan biri bir ölçüde saydam yapılarak rezonans frekansına ulaşan ışının laser ışını olarak ortamından dışarı çıkmasını sağlar.

Q- Anahtarlaması: Çok kısa ve çok güçlü çıkışlar Q-anahtarlaması kullanılarak depo edilmiş laser ışınından elde edilebilir. Bu tür teknikte yansıtıcılardan biri pompalama aralığının bir kısmında yansıtmayacak şekilde düzenlenir. Daha sonra yansıtıcı hale getirilir. Bu düzenleme sonucu pompalama devresinin bir kısmında depo edilen enerji diğer kısmında büyük bir darbe olarak yayılır.

Bu darbe ancak saniyenin 10 milyarda biri kadar devam eder. Q-anahtarlamasının en kolay şekli bir aynanın çok hızlı dönmesi ile gerçekleştirilebilir. Bu aynanın diğer ayna ile aynı eksene geldiği zaman da laser yayılımı ortaya çıkar. Bu konuda uygulanabilecek diğer bir teknik laser frekansında ışık absorbe eden seyreltilmiş bir çözelti ortamı kullanmaktır. Bu şekildeki absorbsiyon enerjinin depo edilmesini sağlar. Ancak çözeltinin daha fazla enerji absorbe edememesi durumunda, laser yoğun bir darbe yayınlayarak depolanan enerjiyi boşaltır.

Mode kilitlenmesi: Çözelti kullanılarak ve anahtarlama ile elde edilen laser ışınının gücü mode kilitlenmesi yoluyla daha da arttırılabilir. Böyle bir durumda birbirine yakın ve aralarında belirli bağıntının bulunduğu kilitli frekanslarda aynı zamanda titreşim meydana gelir. Böylece çok daha kısa zamanda yüz trilyon watt’a yaklaşan güç elde edilir ki, bu dünyadaki bütün elektrik santrallerinin toplam üretiminden daha fazladır. Laser ışınının özellikleri:

1. Laser ışınının en büyük özelliği dağılmaz (koherent) olması ve yön verilebilmesidir. Bu özelliğinden istifade ile mesafe ölçme ve fiber optik teknolojisi geliştirilmiştir. Dalga boyunun küçük olması saçılmayı da büyük ölçüde azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine belirli bir yönde hareket ederler. Bu, laserin çok parlak olmasını doğurur.

2. Laser ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır. Frekans dağılım aralığı, frekansının bir trilyonda biri civarındadır. Bu sebepten istenilen frekansta çok sayıda dalgalar laser dalgası üzerine bindirilmek suretiyle haberleşmede iyi bir sinyal jeneratörü olarak iş görür. Aynı anda birçok bilgi bir yerden diğer yere gönderilebilir.

3. Laser ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler (pulslar) halinde yayınlanabilmesi mümkündür. Kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile sağlanabilir. Laser kendisinde bulunan yüksek enerji sayesinde kesme, kaynak ve delme endüstrisinde kullanılır. Tek dalga boyuna sahip olması spektroskopide çok önemlidir. Ayrıca laser darbesinin çok kısa olmasından yüksek hız fotoğrafçılığında faydalanılır. Yönlü bir hareket olmasından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır. Bütün özellikleri ile uzak mesafe (ayın dünyaya mesafesi gibi) ölçümlerini mümkün kılar.

4. Laser ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için laser cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür. Laser türleri:

Katı laserler: İlk bulunan laser yakut laseridir. Yakut, az miktarda krom ihtiva eden alüminyum oksit kristalidir. Kırmızı laser ışınlarını yayan, bu kristal içindeki krom atomlarıdır. Krom atomları optik olarak yeşil ve mor ışıkla uyarılır. Bu şekilde elde edilen yakut laserinin dalga boyu 0,6927 mikrondur. Bu tür laser ile saniyenin milyarda biri gibi kısa bir sürede birkaç milyon wattlık güç nakledilebilir. İlk yakut laser sadece bir darbe ile çalıştırılırdı. Daha sonra bunun oda sıcaklığında ve sürekli biçimde çalıştırılması mümkün olmuştur. Darbenin gücünün yükseltgendiği ikincil bir laserle birlikte kullanılan Q-anahtarlı laser moduyla saniyenin birkaç milyarda biri kadar devam eden birkaç milyar wattlık güç üretilebilir. Günümüzde kullanılan laser, sert şeffaf kristalden meydana gelir. Kristalde küçük miktarda genellikle nadir toprak elementleri mevcuttur. Bu kristalin işlem için oda sıcaklığının çok altına indirilmesi gerekir. Bu laserler optik pompalama gerektirirler ve darbeli olarak çalışarak ısınmayı önlerler. Sıcaklık ve manyetik alanda yapılacak değişiklikle çalışma frekansı ayarlanabilir.

Neodimium çeşitli kristallerde kullanılan nadir toprak elementlerinden biridir. Enerji düzeyi sebepiyle fazla optik pompalamaya ihtiyaç göstermez ve bu sebepten dolayı tercih edilir. Neodimium’a en uygun kristal yttrium aluminum garnet (YAG) olarak bilinir. Oda sıcaklığında 100 wattlık lambadan veya ışık veren yarı iletken diottan çıkan ışıktan veya doğrudan güneş ışığından yararlanarak sürekli laser çalışması gerçekleştirilebilir. Güneş ışığının kullanılması uzay uydusuna yerleştirilen haberleşme sisteminde muhtemel laser kullanımını mümkün kılmaktadır.

Yarı iletken laserleri: yarı iletken malzemelerden elde edilen kristallerle de laser yapılmıştır. Galyum arsenik (GaAs) kristali yarı iletken laser örnektir. Yarı iletken diod gibi p-n malzemenin birleşmesinden meydana gelmiş olup, p-n malzemenin birleştiği yüzey yakut laserindeki aynalar görevini yapar. Birleşim yüzeyinde pozitif voltaj p tarafına ve negatif voltaj n tarafına verildiği zaman elektronlar n malzemesinden p malzemesine geçerken enerjilerini kaybeder ve foton yayarlar. Bu fotonlar tekrar elektronlara çarparak bu elektronların daha çok foton üretmesine sebep olurlar. Neticede yeterli seviyeye ulaşan foton neşri, laser ışınını meydana getirmiş olur. Bu tür laserler verimli ışık kaynaklarıdır. Genellikle boyutları bir milimetreden büyük değildir. Ancak çok verimli çalışma için ortam sıcaklığı oda sıcaklığının çok altına düşürülmelidir. Mesela bir GaAs laserden -253°’de % 50 verimli birkaç wattlık sürekli çıkış alınmıştır. Yarı iletken laserlerde dalga boyu 0,64 mikron ile 32 mikron

arasında olup, 10 wattlık bir güç elde edilir.

Gaz laserleri: İlk gaz laser helyum ve neon karışımı şeklinde kullanılmıştır. Bu karışım uzun bir tüpe ve iki küresel ayna arasına yerleştirilmiştir.

Helyum ve neon gazı ile çalışan laserde bu gazlar yüksek voltaj altında iyonize hale gelir. Helyum atomları elektrik deşarjı esnasında elektronların çarpması ile ikazlanarak yüksek enerji seviyelerine çıkar. Bunlar, kazandıkları enerjilerini neon atomlarındaki eş enerji seviyelerine aktarırlar. Bu enerji aktarma işlemi fotonun yayılmasına sebep olur. Aynalar vasıtasıyla yeterli seviyeye ulaştıktan sonra laser ışını elde edilmiş olur. Bu tür laser ışınının dalga boyu 1,15 mikrondur.

Kimyasal laserler: Kimyasal laserlerde bir gaz meydana getirilir ve kimyasal reaksiyon yoluyla pompalanır. Kimyasal pompalama bir eksotermik kimya reaksiyonunda enerji açığa çıkmasıyla olur. Buna bir örnek hidrojen ve flüor elementleri tersine çevrilmiş bir toplumda hidrojen flüorur meydana getirmek üzere reaksiyona girdiklerinde laser etkisi ortaya çıkar.

Sıvı laserler: En çok kullanılan sıvı laser türü, organik bir çözücü içindeki organik boyanın seyreltik bir çözeltisidir. Bunlarla mor ötesine yakın (0,32 mikron dalga boyu) ve kırmızı ötesine yakın (1,2 mikron dalga boyu) arasında laser türleri elde edilebilir. Genellikle pompalama başka bir laserle optik olarak ceryan eder. Birkaç laser paralel olarak çalıştırılabilir. Böylece saniyenin birkaç trilyonda biri devam eden laser darbeleri elde edilebilir. Boya laserlerinin en önemli özelliği dalga boyunun geniş bir alanda hassas bir şekilde ayarlanabilmesidir. Laser ışınının kullanıldığı yerler:

Laser, haberleşmede kullanılabilecek özelliklere sahiptir. Laser ışını da güneş ışını gibi atmosferden etkilenir. Bu sebeple atmosfer, radyo yayınlarında olduğu gibi laser yayını için uygun bir ortam değildir. Bu bakımdan laser ışınları, içi ayna gibi olan lifler (fiber) içinden gönderilirse, lifler ne kadar uzun, kıvrıntılı olursa olsun kayıp olmadan bir yerden diğerine ulaşır. Bu liflerden istifade edilerek milyonlarca değişik frekanstaki bilgi aynı anda taşınabilmektedir. Bu maksatla foto diyot kullanılmakta ve elektrik enerjisi foto diyot da ışık enerjisine çevrilmektedir. Dünyanın birçok telefon şirketleri bu tatbikata geçmişlerdir.

Karbondioksit laserleri metal, cam, plastik kaynak ve kesme işlerinde kullanılır. Mesela laser 19 mm kalınlıktaki iki çelik sacı 16 kw’lık ışınla dakikada 50 cm hızla birbirine kaynak eder. Aynı sacı aynı ışınla dakikada 4,25 cm hızla keser. Bu tip laserle üstüste 50 adet elbise kumaşı aynı anda çabucak kalıbına uygun olarak biçilir.

Laser, uzayda mesafe ölçümünde kullanılır. Peykler arasındaki mesafeyi 25 cm hata ile ölçebilmektedir. Laserle ilk mesafe ölçümü, 1962 senesinde, Ay’a yerleştirilen argon-iyon laseri ile yapıldı. Ay’la Dünya arasındaki mesafe devamlı laser ışını ile ölçülmektedir. Laser, inşaatlarda, boru ve tünel yapımında, yön ve doğrultu tayininde ve tespitinde klasik teodolitlerden çok daha mükemmel ve kullanışlıdır.

Laserin askeri alanda tatbikatları çoktur. Mesafe bulma ve yer tanıma maksadı ile kullanıldığı bilinmektedir. Hedefe gönderilen güdümlü mermiler, hedef yakalanınca laser ışını ile infilak ettirilmektedir. GaAs laserleri, helikopterlerde ve tanklarda hedef aydınlatmada kullanılır. Gece karanlığında gece görüş dürbünleri sayesinde gündüzmüş gibi operasyon yapılabilir. Çok başlıklı füzelerin hafızalarına yerleştirilen hedef resmi, füze hedefe yaklaşınca laser ışını ile tanınır. Delici ve kesici özellikleri ile ilgili silahlar henüz bilinmemektedir. Ancak ABD’nin 1984’te geliştirdiği füze savunma sistemi, düşman füzesini havada iken uzaydan gönderilen laser ışını ile tahrip edebilmektedir.

Holografi ve fotoğrafçılıkta çok mühim yeri vardır. Laserle görüntü kaydetme süresi saniyenin 10 trilyonda biri zamanda mümkün olur. Halbuki en mükemmel mekanik ve elektronik fotoğraf makinalarında bu süre saniyenin 5 binde biridir. Halografi, laser ışınları ile üç boyutlu resim çekme ve görüntüleme tekniğidir.

Tıbta laser "kansız ameliyat" maksatları ile kullanılır. Yırtılmış göz retinası, laser ışını ile acısız ve süratle dikilir. Göz tansiyonunun (glokomun) ilerlemesi laser tedavisi ile durdurulabilmektedir. Vücudun çeşitli bölgelerindeki tümörler bıçakla açılmadan yerinde kesilerek tedavi edilebilir. Damardaki dokular, laser ışını ile kaynar ve kanama olmaz. Çürük diş çukurları dolgu yapılmak üzere acısız delinebilir. Laserle ilgili beklenen gelişmeler:

Nükleer enerji alanında laserin çeşitli gelişmelere yol açacağı umulmaktadır. En önemlisi başlatılması zor olan termonükleer-füzyon olayının (hidrojen bombası ve güneşte her an meydana gelen reaksiyon) laser ile tetiklenmesidir. Böylece dünya enerji problemi ortadan kalkacaktır.

Laser ışınının darbe süresinin daha da kısaltılması üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Laser ışınının darbe süresi saniyenin 10 milyonda biridir. Bu sürenin saniyenin trilyonda birine düşürülmesi halinde kısa bir sürede üretilecek enerji bugün dünyada aynı müddette üretilmekte olan enerji toplamından fazla olacaktır. Laser ışını ile çalışan silahların yapılması ile çok uzaklardan mühimmat, akaryakıt, karargah binaları imha edilebilecektir. Daha şimdiden ABD’de bir fabrikanın 5 kiloyu geçmeyen laser tüfeği imal ettiği bilinmektedir. Bilgisayar teknolojisinde hafıza kapasitesinin arttırılması için bilim adamları holografi üzerine çalışmalarını yoğunlaştırdılar. Milimetrenin onda biri kadar dalga boyuna sahip laser ışınları kendi dalga boyları kadar bir alana bilgi depolayabilmektedirler. Bilgi depolama, bilgi okuma işlemi laser ışınının lityum niobat kristaline çarptırılması ile olmaktadır. Laserin bu özelliği bilgisayar kapasitelerinin büyük ölçüde artmasına sebep olacaktır.

Yorumlar

Bu sayfa ait yorum bulunamadı. İlk yorum yapan siz olun.

Yorum ekle

Vazgeç