Lazerler, 20. yüzyılın ikinci yarısındaki en büyük icatlar listesinde zirveye yakın bir yerde yer almaktadır. Uydu, bilgisayar ve entegre devre ile birlikte yüksek teknolojinin sembolüdür.
Müzikhollerden Apollo projesine, kompakt disk okuyucularından göz cerrahisine kadar, “yıldız savaşları”’nı da içine alarak lazer hiç kuşkusuz modern fiziğin en yaygın teknik uygulamalarından biri olmuştur. Işığın saflığı ve kullanım alanlarının esnekliği, hemen maddeyle enerji hakkında bilgilerin tümünden yararlanan bilgileri içerir. Bunun en önemli kanıtı, 1966’da nobel ödülü kazanan Fransız fizikçi A. Kastler’in lazerin doğuşunda belirleyici bir rol oynayacak olan “optik pompalama” çalışmasıdır.
Lazer zaten “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”’ın yani “uyarılmış ışınım yayımıyla mikrodalga yükseltilmesi” kısaltması olan “maser”’in oğludur, çünkü uyarılmış yayım uygulamaları, ışık alanından önce mikrodalga alanında ortaya çıkmıştır: maser 1954’te doğmuş ve ancak 1960’ta Amerikalı Maiman ilk yakutlu lazeri gerçekleştirmiştir.
Ama uyarılmış yayımın ilkesi oldukça eskiye dayanır: 1917’den itibaren Einstein, kendiliğinden yayım ve soğurmanın ötesinde, maddeyle ışık arasındaki etkileşimin bu üçüncü ürünün kuramsal gerekliliğini ortaya koymuştu. Ayrıca, bu durumda yayımlanan ışığın uyarıcı ışıkla bağlantılı, uyumlu olması gerekeceğini, böylece bunun etkin bir şekilde büyütüleceğini göstermişti. Ama, bütün klasik ışık kaynaklarında uyarılmış yayım, kendiliğinden yayıma göre çok küçüktür. Bunun baskın olabilmesi için, hem çok daha fazla uyarıcı bağdaşık ışık, hem de yayım yapabilecek durumda, yani yüksek bir enerji durumunda bulunan çok sayıda atom gereklidir. İşte, “optik pompalama” nın belirleyici rolü buradadır ve bu üst enerji durumlarındaki atom topluluğunun sayısını arttırır.
Buradan anlaşıldığı gibi lazerin işleyişi pek kolay değildir. Ancak, bu işleyiş üzerinde daha derinlere inmeden sonucu değerlendirilebilir, yani lazerden yayımlanan ışığın tüm diğer ışıklara göre farkının ne olduğunu sorabiliriz. Zaten içimizden pek azı bir lazer yapabilir, ama hepimiz lazerin yayımladığı ışığın ilgi çekici özelliklerinden faydalanmaktan uzak kalmıyoruz.
I.1. LAZERİN İLKESİ
LAZERİN İŞLEYİŞİ, UYGUN ŞEKİLDE UYARILMIŞ BİR ORTAMIN ATOMLARININ YAYIMLADIĞI UYARILMIŞ IŞIĞA DAYANIR.
Herhangi bir ortamda, belirli bir elementin atomları, molekülleri veya iyonları birçok enerji düzeyi gösterir ve bu enerji düzeyleri arasında gidip gelirken, enerjileri iki düzey arasındaki farka eşit olan fotonlar yayımlar veya soğurur. Belirli bir frekansta bir foton yayımlamaya yatkın yüksek enerjili bir atom, tam olarak aynı frekansta bir ışıkla foton vermeye “teşvik edilebilir” ve yayımlanan ışık uyarıcı ışıkla bağdaşık (“senkronize”) olur.
I.1.A. ORTAM
Bununla birlikte, dengede bulunan bir ortamda alt enerji düzeyleri üst enerji düzeylerine göre daha kalabalıktır ve soğurma, uyarılmış yayıma önemli ölçüde baskındır. İşte bu yüzdendir ki bu olay, Einstein tarafından tanımlanmasından (1917) 1960’a kadar kullanılamadı; o yıl, üst enerji düzeylerinde çoğunlukta bir atom topluluğu bulunduran denge dışı ortamları gerçekleştirmek mümkün oldu.
Kullanılan ilk ortam, içinde az miktarda krom oksit bulunduran (yüzde 0.05) alümin kristalinden ibaret yakuttur. Bu krom iyonları yeşil ve maviyi kolaylıkla soğurur (yakutun kırmızı rengi buradan kaynaklanır) ve bu iyonlar yoğun ve parıltılı bir beyaz ışıkla aydınlatılırsa üst düzeylere geçebilir; bu düzeyden geri inerken 694.3 nanometrelik (metrenin milyarda biri) dalga boyuna sahip kırmızı bir ışık yayımlar. Bu ışıktan yeterli boyutta kullanma imkanı olursa, bu yayım uyarılabilir.
I.1.B. İKİ AYNA
Her iki tabanı paralel ve iyice parlatılmış yakuttan bir silindir yapılırsa, bu şekilde oluşmuş olan iki ayna yönü kendilerine dik olan ışığı silindir içine hapseder. Üstelik bunlar arasındaki uzaklık uygunsa, belirli bir dalga boyuna denk gelen ışık bağdaşık olur: bu “rezonans yapan çukurluğun” uçlarındaki ardışık yansımalardan sonra bütün dalgalar senkronize olur. Bunun sonunda silindirin ekseni boyunca yönlendirilmiş bir ışıkla kat edilen ortamdan bağdaşık ve monokromatik (tek renkli) bir ışık çıkar. Nihayet, bu ışığın frekansı ortamda uyarılmış yayımın frekansına denk gelirse, uyarılmış yayım yeterince büyüdükten sonra dışarıya alınabilir-ancak kısmen sır sürülmüş uç yüzeylerden birini delerek-. Böylece paralel, bağdaşık, monokromatik bir demet, kısası bir lazer demeti elde edilir.
I.2. DİĞERLERİNE BENZEMEYEN BİR IŞIK
LAZER DEMETİ, KLASİK KAYNAKLARDAN YAYIMLANAN IŞIKLARDAN BİRÇOK BAKIMDAN FARKLIDIR. ÇOK MONOKROMATİK, ÇOK PARALEL VE BAĞDAŞIKTIR.
Lazerin yayımladığı ışığın belirli bir dalga boyu vardır ve buna ait güç kilovatla ölçülür. Bu kesinlik kısmen, kullanılan yayımlayıcı enerji düzeyinin darlığına ve daha çok iki aynanın oluşturduğu rezonans boşluğunun oynadığı seçici role bağlıdır. İki ayna arasındaki uzaklık yayımlanan ışığın dalga boyunu belirlediğinden, dalga boyunu hafifçe değiştirmek için bu uzaklık değiştirilebilir (sıcaklık veya magnetik alan değişikliği ile).
I.2.A. PARALEL BİR DEMET
Gene aynaların varlığıdır ki, lazer demetine olağanüstü paralelliğini kazandırır: demeti oluşturan ışık iki ayna arasında birçok defa gidip gelmiştir ve eğer bunların doğrultuları tam anlamıyla dik olmasaydı, ışık boşluğun kenarlarından çıkmış olurdu.
Klasik bir ışık kaynağıyla ancak, odaklaştırıcı elemanları olan veya olmayan diyaframlar yardımıyla paralel bir ışık demeti oluşturulabilir: bu arada kırınım, elde edilen demeti genişletir. Aynı kırınım lazer demetini de genişletir, ama lazer demeti “doğuştan paraleldir” ve deliğin bütün genişliği boyunca çıkar: kırınımdan kaynaklan yelpaze şeklinde açılma yay dakikasının altında kalır.
I.2.B. BAĞDAŞIK BİR DEMET
Lazer demeti içine ince ve paralel iki yarık açılmış bir ekran yerleştirilirse girişim saçakları elde edilir, bu da iki yarıktan geçen ışıkların sabit bir faz farkı olduğunu gösterir. İki yarık klasik bir ışık kaynağıyla aydınlatılırsa girişim görülmez: kaynağın atomları kısa ışık darbeleri yayımlamakta, bunların faz farkları her an rasgele ve aralıksız değişmektedir. Böyle bir klasik kaynakla saçaklar elde etmek için iki yarığın, her atom yayımını “ikiye bölecek” şekilde bir başka yarıkla aydınlatılması gerekir.
Diğer iki niteliğinin yanı sıra daha az belirgin olan lazer demetinin bağdaşıklığı teknolojik uygulamalar bakımından oldukça zengindir: bunun sayesinde holografi gelişmiş ve lazerin metroloji ve optik lifler aracılığıyla iletimde kullanılması imkanı ortaya çıkmıştır.
I.3. PROJEKTÖR, METRE, TEL, NEŞTER, HAMLAÇ…
KOMPAKT DİKLERİN OKUNMASINDAN GÖZ CERRAHİSİNE VE ORADAN DÜNYA-AY UZAKLIĞININ ÖLÇÜLMESİNE KADAR, LAZERİN UYGULAMALARI ÜÇ ÖZELLİĞE DAYANIR.
Holografi, laboratuarlardaki bazı çok “sivri” uygulamalar-mesela spektroskopi (tayfgözlem) için uygulama- ve “lazer-show”lardaki estetik gösteriler bir kenara bırakılırsa, lazer uygulamaları üç kategoride toplanabilir: ölçümler, haberleşme ve ısıtma.
I.3.A. ÖLÇÜMLER VE KONTROLLER
Lazer demeti hem çok uzun mesafelerin ölçülmesini ve hem de karşılaştırmalı ölçümlerin çok büyük bir hassasiyet ve kesinlikle yapılmasını sağlar. Önce, paralelliği ve pek az dağılma göstermesiyle uzun mesafelerde algılanabilen bir enerji verir. Daha sonra iyice monokromatik ve önemli bir güce sahip olan ışığı onu, gerek girişimölçer ölçümlerinde, gerek Doppler etkili çizgisel hızların ölçümünde ideal bir kaynak durumuna getirir. Böylece lazer çok geniş bir ölçüm yelpazesi içinde uygulama alanları bulur: uydulardan Dünya kabuğundaki zayıf hareketlerin gözlemlenmesi, duyarlı aletlerin yönlendirilmesi veya kompakt disklerin okunması gibi…
Nihayet, zanaat alanında da lazer demeti “ışık ışını”nı maddeleştirmektedir: böylece, bugüne kadar görülmemiş bir kolaylıkla en ince optik ayarlamalar, mesela büyük spektrografların (tayfçeker) optik ayarlamaları gerçekleştirilebilmektedir.
I.3.B. HABERLEŞMELER
Bir vericinin iletilebileceği bilgi hacmi” bant gemiliğine”, yani bilgiyi taşıyan kipleme için kullanılabilir frekans yelpazesine bağlıdır. Oysa, kipleme frekansı “taşıyıcı” denen kiplenmiş dalganın frekansından büyük ölçüde daha düşüktür (genellikle 10 mislinden daha fazla); ve ihtiyaçların çok büyük ölçüde artması gitgide daha yüksek frekansların, 1000 megahertz’e kadar frekansların kullanılmasını gerektirmektedir.
Ne var ki, görünür ışık 400 milyon megahertzlik bir yelpazeyi içine almaktadır. Pek tabii bunu yeterli bir enerjiyle, bağdaşık bir şekilde üretebilirsek, imkanların ne kadar çoğalabileceğini tahmin edebiliriz. İşte lazerin tam olarak yaptığı budur. Gerek serbest demetlerle (mesela Dünya ile bir uydu arasında), gerek yönlendirilmiş demetlerle (optik liflerde) hiç kuşkusuz gelecek lazerle şıklı haberleşmenin olacaktır. Optikelektronikte kullanılan düzenekler güç lazerlerinden farklıdır: burada boyları birkaç milimetre olan yarı iletkenli lazerler kullanılır.
I.3.C. ISITMA
Lazer demeti çok büyük bir hassasiyetle kilovatlarca enerjiyi bir noktaya odaklamaya da yarar. Şu halde boyutları çok küçültülmüş bir alanı ısıtmayı da sağlar. Böylece ister çelik levhalara, ister çeşitli kalınlıklarda doku kesmeye uyarlanmış olsun, kesme lazerleri gerçekleştirilmiştir. Tıp alanında en ilgi çekici uygulamalar göz cerrahisinde görülmektedir. Retinadaki yırtığın yarılmasını önlemek için çok belirgin noktaları ısıtmak gerekir ki, lazer bunu sağlamaktadır:; üstelik ışığı gözle görüldüğü için, gözün kırılma yapan ortamlarını fazla ısıtarak fazla hırpalamaz.
Pek doğal olarak bunun tehlikeleri de vardır: bir paralel lazer demeti göze çarparsa, göz bunu derhal retina üzerine odaklar ve bu kazanın sonucu retina ciddi şekilde yanar. Lazerle çalışanlar, bu ışığın doğrudan kendi gözlerine gelmemesine özen göstermelidir.
I.4. HOLOGRAFİ
LAZER BİR CİSMİN FOTOĞRAFINI ÇEKMEZ, AMA UYGUN ŞEKİLDE AYDINLATILDIĞINDA, ÜÇ BOYUTLU GÖRÜNTÜSÜNÜ VEREN BİR “HOLOGRAMINI” ALIR.
Holografinin ilkesi, D. Gabor tarafından 1948’de ortaya kondu: demek ki lazerden oldukça öncelere dayanmaktadır, ama hem güçlü, hem de bağdaşık ışık demeti sayesinde lazer holografiyi uygulanabilir kılmıştır.
I.4.A. İLKE
Bir cismin bir ışık dalgasının genliğini değil fazını değiştirdiğini, yani çeşitli ışık titreşimleri arasına basit bir zaman kayması soktuğunu düşünelim. Bu dalgayı bir film üzerine aktarırsak zaman kaymasıyla ilgili hiçbir kayıt alınmaz. Ama bu dalga, cisimle değişikliğe uğramamış bir “referans” dalgayla çakıştırılırsa, iki dalga girişim yapar ve kaymaları-cisim yüzünden-film üzerinde karanlık ve ışıklı çizgilerden oluşmuş almaşık bir dizi halinde yer alır; bu çizgiler görünürde rasgele dağılmış gibidir, ama konumları, biçimleri ve birbirinden uzaklıkları cismin doğasına ve yerleştirilmesine bağlıdır.
Bu şekilde elde edilmiş “hologram” tanınabilir hiçbir şeye benzemez, ama gene de cisimden gelen dalgaca taşınana bütün bilgiyi kodlanmış biçimde içinde saklar; bu bilgi, dekode edebilecek bir durum yaratabildiği ölçüde cismin görünüşünü yeniden oluşturabilecek yeterliliktedir.
Bunun için üzerine, hologramı gerçekleştirmeye yarayan aynı referans dalgayı yönlendirmek yeterli olur: o zaman bu aynı ışıkla aydınlatılmış cisme doğrudan bakıldığında ne görülürse, o görülmeye başlanır. Ve başımızı biraz oynatınca görüntü hafifçe değişir; hatta ilk cisimce gizlenmiş muhtemel başka cisimleri de görmek mümkün olur…
I.4.B. NEDEN LAZER ?
Demek ki holografinin ilkesi, girişim yapacak olan iki dalganın bağdaşık olması koşuluyla bu girişim olayına dayanır. Klasik bağdaşık olmayan kaynaklar, alışılagelmiş girişim montajlarındaki gibi, aynı ince yarıklardan ikiye ayrılmaları gerektirir, bu da çok az bir güç verir. Lazerle, buna karşılık kilovatlarca güçte bağdaşık bir ışık elde edilir ve demet iki bağdaşık kısma ayrılabilir. Hatta iki farklı lazere girişim yaptırılabilir. Nitekim holografi, neredeyse tamamen kuramsal bir tuhaflık iken, 1962’den sonra etkili bir teknik haline geldi. Onu Lippmann yöntemiyle-o da girişime dayanır-birleştirerek sadece üç boyutlu değil, renkli görüntüler de elde etmek mümkün olmuştur.
I.4.C. DİĞER LAZERLER
İlginç enerji düzeyleri gösteren, yani atom sayılarının tersine çevrilmesine yatkın olan herhangi bir malzemeyle lazer yapmak mümkündür. Çok sayıda yarı iletkenle yapılan şey budur ve bunlardan çok az güçlü, ama son derece küçük boyutlarıyla ilgi çekici olan lazerler gerçekleştirilmektedir.
Yine çok sayıda gazla lazerler gerçekleştirilir ve moleküllerin enerji düzeylerini (CO2 lazeri), iyonlaşmış bir gazın uyarılmış durumlarını (argon lazeri) veya bir elementin üst düzeyini bir başka elementin çok kalabalık düzeyiyle çakışmasını (helyum-neon lazeri) kullanan en az üç çeşit gaz lazeri bilinmektedir. Böylece morötesinden, uzak kızılaltına kadar uzanan geniş bir frekans yelpazesini kullanan lazerlere sahip olunur.
II. TEMEL İLKELER
Atomlar ve moleküller alçak ve yüksek enerji düzeylerinde bulunabilirler. Alçak enerji düzeyinde bulunanları, genellikle ısı etkisiyle uyararak daha yüksek düzeylere geçirmek olanaklıdır;yüksek düzeylere geçen atomlar ve moleküller daha alçak bir düzeye geri dönerken ışık salarlar. Adi ışık kaynaklarında, uyarılmış durumdaki çok sayıda atom ve molekül birbirlerinden bağımsız olarak ve birçok değişik renkte (bir başka deyişle, dalga boyunda) ışık yayarlar. Ama, bir atomun uyarılmış durumda bulunduğu kısa zaman aralığında üzerine belirli bir dalga boyunda ışık düşürülecek olursa, atom kendisini uyaran bu dalga ile aynı fazda ışınım salar. Bu ışınım, böylece, uyaran dalgaya eklenmiş ve onu güçlendirmiş olur;, eğer bu olgu yeterince yoğun bir biçimde gerçekleştirilirse sonuçta çok güçlü ve tümüyle eş fazlı bir ışık demeti elde edilir (“eş fazlı” terimi, demeti oluşturan dalgaların tümünün aynı frekansta (aynı renkte) olduğunu ve aynı fazda titreştiklerini ifade eder).
Uyarılmış yayım ilkesini Einstein 1917’de ortaya koymuş ama 1950’lere gelinceye değin bu ilke uygulamaya geçirilememişti. 1953’te ABDli fizikçiler C.H. Townes ve A.L. Schawlow bu ilkeden yararlanarak mikrodalga frekanslarında çalışan maseri gerçekleştirdiler. SSCBLİ fizikçiler A. Phorov ve N. Basov da, bağımsız olarak, benzer çalışmalar yürüttüler. ABDli fizikçi T.H. Maiman tarafından 1960’da gerçekleştirilen ilk lazerde yakuttan bir çubuk kullanılıyordu; sonradan çok çeşitli lazer türleri gerçekleştirildi.
Uyarılmış yayım olayı, kendiliğinden yayım olayı gibi, uyarılmış bir E2 enerji halinden, bir E1 alt enerji düzeyine düşen bir atomun, bir molekülün vb. bir foton yayımlanmasına karşılık gelir. Böylece oluşan ışımanın v frekansı E2-E1=hv bağıntısıyla verilir (h Planck değişmezi). Uyarılmış yayım, bir fotonun sistem üzerine, E2den E1e geçişi belirten, E2-E1 enerjisiyle gelmesinden kaynaklanır. Isıl dengede olan bir sistemde, uyarılmış parçacık sayısı önemsizdir. Bu durumda, sistem üzerine gelen v=(E2-E1)/h frekanslı bir ışımanın soğurulma olasılığı, uyarılmış bir yayıma yol açma olasılığından çok daha yüksektir. Söz konusu ışımanın uyarılmış bir yayıma yol açma olasılığının kayda değer olması için, E2 enerjili parçacıkların sayısı N2’den, E1 enerjili parçacıkların sayısı N1’den büyük olması gerekir. Bu sonuca ulaşmak için, pompalama adı verilen bir dış uyarma yardımıyla, bir nüfus evirtimi gerçekleştirilir.
Uyarılmış yayım sırasında ortaya çıkan iki enerji düzeyi her zaman temel enerji düzeyi ve pompalamayla erişilen uyarılmış düzey değildir. Burada çoğu kez, Söz konusu olan ara düzeylerdir (şek. 1 ve 2).
Lazer olayını başlatmak için uyarılmış yayımı olanaklı kılacak enerji düzeylerine sahip kurucu öğelerden (atomlar, moleküller, iyonlar vb.) oluşan etkin bir ortam gereklidir. Bu ortam, iki enerji düzeyi arasında nüfus evirtimi oluşturacak biçimde pompalanır. Frekansı ışınımsal geçişe karşılık gelen tek renkli bir ışık demeti etkin bir ortama gönderildiğinde buradan uyarılmış yayımla yükseltilmiş olarak ve aynı doğrultuda çıkar. Bu yükseltici ortamı, bir ışıma üretecine dönüştürmek için bir rezonans boşluğuna yerleştirmek gerekir. Bir lazerde bu boşluk, birbirine koşut ve yayımlanan ışımaya dik iki aynadan oluşur (Pérot-Fabry boşluğu). Aynalardan en az biri, üretilen ışımanın dışarı çıkabilmesini sağlamak için kısmen saydamdır. Aynalar arasındaki uzaklık birkaç santimetreden birkaç metreye kadar değişebilir.
Bir lazerin yayımladığı ışık hem uzayda hem de zamanda bağdaşıktır, çünkü fotonlar aynı dalga boyunda, aynı doğrultuda ve aralarında faz farkı olmaksızın yayımlanır. Bundan önemli pratik sonuçlar elde edilir:
1. Bağdaşık olmayan kaynakların ışımalarının tersine, lazer ışıması yönlendirilmiştir; demetin ıraksaması birkaç saniyelik bir açıyla sınırlandırılabilir. Dolayısıyla küçük bir uzay açısı içinde kimi zaman çok büyük bir enerji ya da güç elde edilebilir.
2. Bir lazer demeti odaklandığında, kullanılan optik düzeneğin odağında çok küçük boyutlu (birkaç dalga boyu kadar) bir odak lekesi, dolayısıyla da birim yüzey başına çok büyük bir enerji yoğunluğu elde edilir.
Çeşitli ayırt edici özellikleri yönünden birbirinden farlı birçok lazer türü vardır. Bunlar etkin ortama göre (katı, sıvı, gaz, yarıiletken), pompalama biçimine göre (flaş, gazlı deşarj tüpü, akım pompalamalı, kimyasal tepkime) ya da çalışma biçimine göre (sürekli, başıboş, tetiklemeli) sınıflandırılabilir.
Optik pompalama (bir yansıtıcı ile çevrili, helis biçiminde ya da doğrusal flaş) özellikle katı lazerleri için (şek. 3 ve 4), elektriksel pompalama (elektriksel boşalma) ise gaz lazerleri için kullanılır. Kimyasal tepkimeyle pompalama, birbirlerine etkiyen maddeler (örneğin döteryum fluorür molekülleri veren fluor+döteryum) kullanarak uyarılmış durumda moleküller üretmeye dayanır. Kimi durumlarda, üretilen molekülün (eksipleks [uyarılmış kompleksi], temel hali ayrışık olduğundan ancak uyarılmış elektron hallerinde bir bağlı hal vardır, bu da nüfus evirtimini kolaylaştırır (örneğin soy gaz halojenürleri).
Etkin ortam sürekli olarak pompalandığında, lazer yayımı kalıcı olabilir: böylece sürekli bir lazer elde edilir. Pompalama flaş yapılırsa, yayım darbelidir. Bir lazer darbesinin süresi, genellikle flaşın süresinden kısa olduğundan uyarılmış düzey ardışık olarak boşalır ve yeniden dolar, bu da flaşın çalışmasının sona ermesiyle tamamlanan birbirine yakın lazer darbelerinden oluşmuş bir dizinin elde edilmesine neden olur (başıboş çalışma). Darbeli bir lazerde, çalışma eşiğine erişildiğinde lazer yayımı engellenebilirse pompalama daha yüksek bir düzeye dek sürdürülebilir. Daha sonra yayım, kısa (birkaç nanosaniye kadar) bir darbe biçiminde serbest bırakılarak tepe değeri oldukça büyük bir güç elde edilebilir. Yayımı başlatmak için döner prizma, Kerr etkisi ya da akustik-optik etki gibi değişik yöntemler kullanılır.
Yapılış ve kullanım alanları açısından değişik türlerde lazerler geliştirilmiştir, bunların en önemlileri aşağıda sıralanmıştır.
III. LAZER ÇEŞİTLERİ
OPTİK POMPALAMALI KATI LAZERLER
Lazer etkisinin oluşması için atomları uyararak yüksek enerji düzeylerine çıkmalarını sağlamanın yollarından biri lazerde kullanılan maddeye, bu maddenin yayacağı ışığın frekansından daha yüksek frekanslı ışık düşürmektir. Optik pompalama olarak adlandırılan bu sürecin verimi düşük olduğundan güçlü bir pompalama gerçekleştirilmesi gerekir.
Optik pompalamalı lazerde uygun malzemeden yapılmış bir çubuk bulunur; bu çubuğun uçları düz ve birbirine paralel olacak biçimde parlatılmış ve lazer ışığının yansıyabilmesi için ayna ile kaplanmıştır. Çubuğun yan çeperi saydamdır, böylece pompalayıcı lambadan gelen ışığın çubuğun içine girmesi sağlanır. Pompalayıcı lamba darbeli çalışan bir gaz boşalmalı lamba (fotoğrafçılıkta kullanılan elektronik flaş lambasının benzeri) olabilir; bu lamba çubuğun çevresine sarılmış olabileceği gibi, çubuğun yanına boylamasına yerleştirilmiş ya da ışığının bir ayna aracılığıyla çubuğa odaklanması sağlanmış olabilir. İlk lazerde yapay bir gök yakut kristali (safir, alüminyum oksit) olan pembe yakut kullanılmıştı. Sonraları birçok azrak toprak elementleri kullanıldı; en yaygın kullanılan element neodimdir. Bu tür lazerden çok güçlü ışık çakımları biçiminde binlerce wattlık güçler elde edilebilir.
SIVI LAZERLER
Katı lazerlerin bir sakıncası yüksek güçte çalışırken malzeme içinde oluşan ya da pompalama lambasından kaynaklanan çok büyük ısının etkisiyle zaman zaman kırılma ve hasar ortaya çıkmasıdır. Sıvı lazerlerde, kristal ya da camsı çubuk yerine saydam bir bölme içine konmuş uygun bir sıvı (örn. neodim oksit ya da neodim klorürün selenyum oksiklorürdeki eriyiği) kullanılır. Sıvının içine konduğu bölme istenildiği kadar büyük yapılabilir, böylece yüksek güçlerin elde edilmesi olanaklı olur. Ne var ki inorganik sıvıların pek azı lazerlerde kullanılmaya elverişlidir.
BOYARMADDELİ LAZERLER
Bazı organik boyar maddeler flüorışıma özelliği gösterir, bir başka deyişle üzerlerine düşen ışığı farklı bir renkte yeniden yayımlarlar. Atomlarının uyarılmış durumda bulunma süresinin çok kısa (saniyenin kesri kadar) olmasına ve yayımlanan ışığın dar bir bantta toplanmasının olanaklı olmamasına karşılık, boyarmaddelerin lazerlerde kullanılmasının nedeni bunların geniş bir frekans bölmesi içinde ayarlanabilme özelliği göstermesidir.
Rodamin 6G gibi boyarmaddeler başka bir lazerle uyarılma sonucunda lazer etkisi gösterir. Turuncu-sarı bir ışık yayan rodamin 6G, sürekli olarak çalışan (ışığı darbeler biçiminde değil sürekli bir demet olarak veren) ilk lazerin gerçekleştirilmesinde yaralanılan boyarmaddedir; böylece frekansı ayarlanabilen sürekli bir lazer demetinin elde edilmesi olanaklı olmuştur. Bir başka boyarmadde olan metilumbelliferon, hidroklorik asitle karıştırıldığında ışık tayfının morötesinden sarıya kadar uzanan bölgesinde lazer etkisi gösterir, böylece tayfın bu bölgesinde istenen dalga boyunda lazer ışığı elde edilebilir.
GAZ LAZERLERİ
Gazlı boşalmada atomlar uyarılmış düzeylere geçerler ve ışık yayımlarlar; bu olgunun en yaygın örneği ışıklı neon lambalarıdır. Bu süreçte bazen çok sayıda atom, belirli bir enerji düzeyinde birikebilir; boşalmalı lambalı iki ucuna aynalar yerleştirilecek olursa lazer etkisi ortaya çıkar. Bu olguya yol açan koşullar seyrek ortaya çıkar ve boşalmanın ortaya saldığı ışınımdaki dalga boylarının pek azı için geçerlidir; ama birçok gazda lazer etkisi oluşturulabilmektedir. Elde edilen lazer demeti ideal doğru çizgiye çok yakındır; bu nedenle inşaat işlerinde hizalama amacıyla kullanılır.
DİNAMİK GAZ LAZERLERİ
Sıcak bir gaz hızla soğutulursa, alçak enerji düzeylerinin birindeki moleküllerin sayısı daha hızlı azalıp yüksek bir düzeydeki moleküllerin sayısının altına düşebilir; bu durumda lazer etkisi ortaya çıkar. Bu koşul, yanmakta olan ve azotla karıştırılmış karbon monoksitin bir jet (fışkırma) memesinden çıkarken birden genleşmesi sırasında sağlanabilir. Böyle bir lazerden 30 bin wattın üstünde yüksek güçler elde edilebilmiştir.
KİMYASAL LAZERLER
Bazı kimyasal tepkimelerde lazer etkisinin oluşmasına yeterli olacak sayıda yüksek enerjili atomlar ortaya çıkar. Örneğin, hidrojen ve flüor elementleri hidrojen flüorür oluşturmak üzere tepkimeye girdiğinde ortamda bulunan karbon di oksit gazında lazer etkisi oluşur. Bu tür lazerlerde az miktarda kimyasal madde kullanılarak yüksek enerjiler elde etmek olanaklıdır.
YARIİLETKEN LAZERLER
Yarıiletken lazerde farklı türden katkılanmış iki yarıiletken madde düz bir bitişim oluşturacak biçimde yan yana getirilmiştir. Böyle bir aygıttan yüksek şiddette bir elektrik akımı geçirilirse eklem bölgesinde lazer ışığı ortaya çıkar. Çıkış güçleri sınırlı olan yarıiletken lazerler, maliyetlerinin düşüklüğü, boyutlarının küçük olması ve verimliliklerinin yüksekliği nedeniyle kısa erimli iletişimde (telefon, televizyon vb.) ve uzaklık ölçme aygıtlarında kullanılır.
LAZERLERİN YÜKSELTEÇ VE OSİLATÖR OLARAK KULLANILMASI
Lazerlerin çoğunda etkin malzeme uzun ve dar bir sütun biçimindedir, bunun iki ucuna birbirine bakan birer ayna yerleştirilmiştir. Aynalar kaldırılırsa, bu aygıt, güçlü bir lazer demetini yükselterek daha da güçlü bir lazer demeti oluşturmak amacıyla kullanılabilir. Aynaların varlığı ise aygıtın bir osilatör (titreşim üreteci) olarak çalışması sonucunu doğurur; bu durumda üretilen lazer demetinin dalga boyu, başlıca iki etmene bağlıdır: Aynalar arasındaki uzaklık ve lazer ortamının nitelikleri.
KISA, GÜÇLÜ DARBELER ÜRETEN LAZERLER
Yükselteç olarak çalışan sütun ile iki uçtaki aynalar arasına yerleştirilen bir engelleyici (obtüratör) kapalıyken lazer etkisi oluşamaz. Lazer etkisinin ortaya çıkması için gerekli koşullar sağlanmışken engelleyici birden açılırsa, sütunda depolanmış durumdaki enerji, saniyenin çok küçük bir kesri kadar süren ve tepe gücü birkaç yüz bin kilowatt olabilen çok güçlü bir ışık darbesi biçiminde açığa çıkar. Bu işleme “Q anahtarlaması” denir. Q anahtarı mekanik bir engelleyici olabilir; ama genellikle normal durumda ışık geçirmeyen, bir elektrik darbesi uygulandığında ise saydam duruma geçen sıvı ya da katı bir optik engelleyici kullanılır. Engelleyici olarak, normal durumda ışık geçirmeyen, ama üzerine lazer ışığı düşürüldüğünde saydamlaşan bir boyarmaddeden de yararlanılabilir.
Bir lazer genellikle birkaç kipte birden (bir başka deyişle, değişik frekanslarda) titreşim yapar. Bu kipler kip kilitlenmesi denen bir yöntemle eş zamanlanabilir; bu durumda daha da güçlü ve kısa süreli darbeler elde edilir. Böyle darbelerden çok hızlı delik açma işlemlerinde yararlanılır; deliğin açılması o kadar kısa sürede gerçekleşir ki, çevredeki malzeme bu işlemden etkilenmez. Bu tür ışık darbeleri bilimsel araştırmalarda da kullanılır.
AYARLANABİLİR LAZERLER
Lazerin değişik frekanslara ayarlanabilmesi bilimsel araştırmalar açısından önemli bir özelliktir; bu olanağı sağlayan lazer türleri arasında geniş bir frekans bandında çalışabilen boyarmaddeli lazerler başta gelir. Aynalardan biri yerine yalnızca belirli bir frekanstaki ışığı yansıtan bir ayna (örn. bir kırınım ağı) konarak istenen dalga boyu seçilir. Bazı katı lazerler de, sıcaklık ve kristalin yönlenişi değiştirilerek, dar bir frekans bölgesi içinde ayarlanabilir. Kimi lazerler ise, harmonikler (gelen lazer demeti frekansının tamsayı katları frekanslı demetler) üretebilir; lityum iyodat kristalinin bu özelliğinden yararlanılarak, kızılötesi ışınımdan sudan daha kolay geçebilen yeşil lazer ışığı elde edilir.
KATI LAZERLERİ
Kullanılan ilk gereç yakuttur (1960). Bu, % 0.05 oranında üçdeğereli krom iyonları (Cr+++) içeren, saydam bir Al2O3 alümin kristalidir; krom iyonlarının enerji düzeylerinin konumu nedeniyle nüfus evirtimine olanak verir. Uygulamada, yapay yakutlardan yontulmuş çubuklar kullanılır. Yayım dalga boyu, kızıl bölgede 694.3 nm dir. Başıboş çalışmada bir yakut lazeri 30-40 kilowatt, darbeli çalışmada ise 30 ile 100 MW arası güç sağlar.
Neodimli cam, yakut lazerlerinden birkaç yıl sonra ortaya çıkmıştır. burada, neodim iyonlarıyla (Nd+++) katkılanmış biçimsiz bir malzeme (cam) söz konusudur. Bu, 1060nm de (yakın kızılötesi) yayım yapan, 4 düzeyli bir malzemedir. Neodimli cam lazerleri yalnızca darbelidir. Bunların birbirinden oldukça farklı iki türü vardır: askeri uzaklık ölçümde kullanılan küçük lazerler ve plazmaları, çekirdek kaynaşmalarını incelemede kullanılan yüksek güçlü lazerler. İkinci tür lazerler bir lazer yükselteçleri bataryası biçimindedir.
YAG (Yttrium Alüminyum Garnet) neodime katkılanmış ve aynı dalga boyu üzerinden yayım yapan bir itriyum ve alüminyum grenasıdır. Bu gereç sürekli ya da darbeli bir çalışmaya olanak verir. Erbiyum ya da holmiyum iyonları gibi başka malzemeler üzerinde de incelemeler yapılmaktadır.
GAZ LAZERLERİ
Ortam çoğu kez bir gaz karışımından oluşur; karışımdaki bileşenlerden biri, uyarımını çarpışmalarla öbürüne aktarır. En yaygın olanları, güçleri zayıf (miliwatt düzeyinde) olmakla birlikte, helyum-neon lazerleridir. Bu lazerlerde yayım çizgilerini veren neon gazıdır. En çok kullanılan dalga boyu, kızıl bölgede 632.8 nm’dir. 1150 ve 3390 nm’lik tayf çizgileri de kullanılabilir.
İyon lazerleri, etkin malzemesi iyonlaştırılmış bir gaz olan gaz lazerleridir. En yaygın olan argon lazeridir. Argon atomları, bir elektrik boşalmasının elektronlarıyla çarpışarak iyonlaşır. Bu lazerlerle çok sayıda tayf sayısı elde edilebilir (mavi-yeşil bölgede 488 nm, 496.5 nm ve 514.5 nm). Yayımlanan güç yüksektir (onlarca watt).
Karbondioksit lazerleri’nde, CO2 karbondioksit moleküllerinin temel elektron durumundaki titreşim-dönme geçişlerinden yararlanılır. Gaz karışım CO2, azot ve helyumdan oluşur ve uyarma azot moleküllerinden karbondioksit moleküllerine aktarılır. Sürekli ya da darbeli olabilen yayım kızılaltı bölgede (10.6 mm ya da 9.6 mm) yapılır. Karbondioksit lazerlerinin %10 ile %15 arasında değişen yüksek bir verimi vardır. Maksimum güç, sürekli çalışmada 400 kW, kısa darbeli çalışmada ise 10 TW dir.
HF/DF kimyasal lazerler’de lazer yayımı verecek olan, titreşim yönünden uyarılmış HF ya da DF moleküllerini üretmek için flüor atomunun hidrojen (ya da izotopu döteryum) üzerindeki tepkimesinden yaralanılır. En güçlü lazerlerde, flüor atomu, F2 flüor molekülünün (ya da NF3 bileşiğinin) özel bir odada hidrojenle (ya da bir hidrokarbonla) yanmasıyla elde edilir. Yayım dalga boyları HFF lazer için 2.7 mm, DF lazer için ise 3.8 mm dolayındadır. DF lazer bugüne dek gerçekleştirilmiş olan en güçlü sürekli lazerdir. ABD ‘de yapılmış bir ilkörnek, 2.2 MW lik bir güç sağlanmıştır.
Metal buharlı lazerler’de (en yaygın olanı helyum-kadmiyum lazeridir) etkin ortam, buhar halindeki kadmiyumdan oluşur. 100 miliwatt’a kadar olan güçlerde, 441.6 ve 325 nm’lik dalga boylarıyla sürekli çalışma sağlanabilir.
En son gerçekleştirilmiş lazer tipi olan iyot lazerleri’nde etkin ortam olarak atom halinde iyot kullanılır ve cam lazerinin dalga boyuna yakın, 1315 nm’lik bir dalga boyu üzerinden yayım gerçekleştirilir. Bu tip bir lazer ile 1 TW’lık bir güç sağlanmıştır.
SERBEST ELEKTRONLU LAZERLER
Bunlar, bir hızlandırıcıdan çıkan yüksek enerjili elektron paketlerini, evirici olarak adlandırılan bir dizi mıknatısın oluşturduğu sabit, almaşık bir magnetik alanın içinden geçirerek senkroton, bağdaşık ve tek renkli yeğin bir ışıma kaynağı elde etmeye olanak verir. Elektronların enerjileri ya da magnetik alanın dönemi değiştirilerek, X ışınlarının dalga boylarından, uzak kızılötesinin dalga boylarına kadar değişen dalga boyları elde edilebilir.
IV. LAZERİN UYGULAMA ALANLARI
Lazer ışımasına özgü özellikler (düşük ıraksama, çok küçük bir yüzey üzerine odaklaştırılabilme, yüksek oranda tekrenklilik ve bağdaşıklık, darbeli lazerlerle çok yüksek ani güçler elde edilebilmesi) bu düzeneklerin giderek daha geniş uygulama alanları bulmasını sağlamaktadır:
v Makine yapımında, optikte ve bayındırlık işlerinde (yollar, tüneller vb.) hizalama;
v Yüzeyleri, uzunlukları, düzeyleri biçim değiştirmeleri (holografi, lazer taneliliği, harelenme ile) ve yer değiştirmeleri ölçme, hız ölçüm, açıları ölçme, lazer cayrometresi, uzaklık ölçüm, tane ölçüm vb.;
v Bir lazer demetini yoğunlaştırarak kaynak, işleme, delme, kesme;
v Plazmaları üretme ve inceleme, denetimli nükleer kaynaşma tepkimeleri üretme;
v Serbest uzayda telekomünikasyon ve özellikle optik liflerle sabit noktalar arasında bağlantı kurma;
v Çubuklu kodların okunması, sayısal plakların (işitsel ya da görsel) okunması;
v Foto dizgi, baskı makineleri;
v Lazer gösterileri, lazer hologramları;
v Tıbbi ve askeri uygulamalar.
Lazer ışığı, başka kaynaklardan elde edilen ışığa oranla çok daha güçlü, tek renkli ve eş fazlıdır; dağılmadan yayılan çok ince bir demeti oluşturur. Farklı türden lazerler bu niteliklere değişik oranlarda uyan demetler üretirler; ayrıca lazerler arasında büyüklük, verim ve dalga boyu açılarından da farklılıklar vardır. Her uygulama alanı için en uygun lazer türü seçilerek lazerin bulunuşundan önce çok zor gerçekleştirilebilen ya da hiç gerçekleştirilemeyen birçok işlem yapılabilmektedir.
Gaz (örn. helyum-neon) lazeriyle üretilen ve görünür ışıktan oluşan sürekli bir demet, ideal doğru çizgiye çok yakındır ve bu niteliği nedeniyle her tür hizalama işinde kullanılır. Böyle bir lazerden çıkan demetin ıraksaması (demeti oluşturan ışınların birbirlerinden uzaklaşmaları) 1/1000 dolayındadır, bu da kuramsal sınıra yakın bir değerdir. Büyük inşaatlarda, örneğin delerek tünel açan makinelerin denetiminde ya da boru hatlarının döşenmesinde lazerden yaygın bir biçimde yararlanılır. Büyük jet uçaklarının yapımında kullanılan tezgahlarda hizalama amacıyla lazer kullanılarak 60 m’lik uzaklıklarda 0.25mm duyarlıkla çalışmak olanaklıdır.
Darbeli lazer, ışıklı radarlarda kullanılır; “lidar” olarak adlandırılan bu radar, ışık demetinin çok ince olması nedeniyle, hedeflerin keskin bir biçimde belirlenmesine olanak sağlar. Radarda olduğu gibi, lidarda da bir cismin uzaklığı, ışığın o cisme ulaşması ve yansıyıp geri gelmesi için gereken zaman ölçülerek bulunur. Ay yüzeyine yerleştirilmiş bir aynadan yansıyıp Yer’e geri dönen lidar yankıları yardımıyla cisimlerin uzaklığı 30 cm’lik hata payıyla ölçülebilmektedir. Ay’a ilk inen astronotlar, Ay’ın yüzeyine, bu ölçümlerde kullanılmak üzere çok prizmalı bir yansıtıcı yerleştirmişlerdir. Yer yüzeyindeki iki gözlemevinden bu aynanın uzaklığı ve doğrultusu aynı anda ölçülürse, bulunan sonuçlardan gözlemevleri arasındaki uzaklık büyük doğrulukla hesaplanabilir. Bu türden bir dizi ölçüm yaparak kıtaların birbirlerine göre kayma hızlarını belirlemek olanaklıdır.
Bir uçağa düşey doğrultuda yerleştirilen lazerli bir radar aracılığıyla, uçağın yerden yüksekliği ölçülebilir ya da örneğin, bir stadyumdaki yarış pistlerinin ya da bir evin çatısının biçimi gibi ince ayrıntılar belirlenebilir. Darbeli lazerli radarla toz parçacılarından, hatta yükseklerdeki hava moleküllerinden yankı almak olanaklıdır. Böylece hava yoğunluklarının ölçülmesi ve hava akımlarının izlenmesi olanaklı olur. Hava alanları üzerindeki bulut örtüsünün yüksekliği basit bir lidar aygıtıyla ölçülebilir.
Lazer demetinin çok yüksek bir eş fazlılık özelliği göstermesi, ışık demetlerinin girişimine dayanan ölçmeler ve uygulamalar bakımından önemli bir üstünlüktür. İkiye ayrılan ve farklı yollar izledikten sonra yeniden bir araya getirilen iki demetin arasında bir faz farkı ortaya çıkabilir. Demetler aynı fazdaysa birbirlerini güçlendirir, zıt fazdaysa zayıflatırlar. İki dalganın toplamı olan dalga, dalgaların izledikleri yolların uzunlukları arasındaki fark yarım dalga boyu (görünen ışık için yaklaşık
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder