Lazerler

 

LASER kelimesi bu kaynağın prensiplerinin ingilizce ismi olan “Light Amplification by Stimulated of Radiation” (Işığın uyarılması ile elde edilmiş güçlendirilmiş ışık demeti) kelimelerinin baş harflerinden oluşur. Lazer, 1916'da Albert Einstein tarafından uygun koşullar altında atomların aşırı enerjiyi kendiliğinden veya ışıkla uyarıldığında aşırı enerji açığa çıkarabileceğinin önermesinin sonucudur. Alman fizikçi Rudolf Walther Ladenburg, ilk kez 1928'de uyarılmış emisyon gözlemledi, ancak o zaman pratik bir kullanımı yok gibi görünüyordu. 1951'de Charles H. Townes, daha sonra New York'taki Columbia Üniversitesi'nde, mikrodalga frekanslarında uyarılmış emisyon üretmenin bir yolunu düşündü. 1953'ün sonunda, rezonanslı bir mikrodalga boşluğunda saf bir mikrodalga frekansı yaydıkları uyarılmış amonyak moleküllerine odaklanan bir çalışma cihazı sergiledi. Kasabalar, cihaza “radyasyonun uyarılmış emisyonuyla mikrodalga amplifikasyonu” için bir maser adını verdiler. Aleksandr Mikhaylovich Prohorov ve P.N.'den Nikolay Gennadiyevich Basov Moskova'daki Lebedev Fizik Enstitüsü bağımsız olarak maser teorisini ortaya koydular. Çalışmaları için üçü de 1964 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı. Laser bir ışık kaynağıdır.

Bundan 50 yıl önce, ABD’nin California eyaletinde bulunan Hughes Araştırma Laboratuvarları’nda ilk lazer T. Maiman tarafından başarılı bir şekilde çalıştırılmış ve kısa bir sürede dünyanın birçok araştırma laboratuvarında da benzer sonuçlar elde edilmişti. Lazer ışığını, o güne dek bilinen ışık kaynaklarından ayıran çok önemli temel fiziksel özellikler vardı. Bunları kısaca şöyle özetleyebiliriz: Lazerle üretilen ışık, yaklaşık olarak eş fazlıdır. Çok basitleştirilmiş olarak açıklayacak olursak, lazer ışık dalgaları arasında sabit bir faz ilişkisi vardır veya bu dalgalar eş zamanlıdır diye düşünebiliriz. Dolayısıyla, böyle bir ışın demetini ikiye ayırıp uzun bir mesafeden sonra birleştirirseniz (bunu pratikte yapmanın birçok yolu vardır ve bu tür düzeneklere girişimölçer veya interferometre adı verilir), düzgün bir girişim deseni (yani ışık şiddetinin belli konumlarda sıfıra, belli konumlarda da tepe değere ulaştığı yeğinlik dağılımı) elde edebilirsiniz. Eğer ışık eş evreli değilse, elde edeceğiniz girişim deseni daha bulanık olacak veya tümüyle yok olacaktır. Lazer ışığının bu temel fiziksel özelliğini açıklayan eş fazlı kuramı konusunda günümüze dek çok kapsamlı araştırma yapılmıştır. Lazer ışığının daha gözle görülür, elle tutulur özelliklerine bakacak olursak, üretilen ışığın normal şartlarda, belli bir renkte olduğunu görürüz. Bir başka deyişle, üretilen ışık dar bir dalga boyu aralığındadır. Rengi belirleyen, ışığı üretmek için kullanılan ortamın (katı, sıvı veya gaz olabilir) spektroskopik yapısıdır. Lazer ışığının bir başka önemli özelliği, yönlü olması ve uzun mesafelerden sonra bile göreceli olarak toplu kalmasıdır. Böyle bir ışık demetini odakladığınız zaman, ortalama güçler düşük olsa bile çok yüksek güç şiddeti elde etmek mümkündür.
 

Lazerin Çalışma Prensibi

Lazerin çalışma prensibini anlamak için öncelikle ışığın temel yapısı üzerine biraz bilgi vermekte fayda var. Işık, foton denilen enerji paketlerinden oluşur. Işığın sahip olduğu enerji fotonlar tarafından taşınır. Fotonların hem dalga hem de parçacık gibi davranma özelliği vardır. Ayrıca ışığın rengini fotonların sahip olduğu dalga boyu belirler. Lazerin çalışma prensibi fotonların uyarılmasına dayanır. Bu bilgi ışığında lazer ışığı elde etmek için bazı gazlar kullanılır. En sık kullanılan gaz karbondioksittir. Karbondioksit atomu elektrik, ışık veya başka bir yolla uyarıldığında diğer bir deyişle enerji verildiğinde atomun elektronları uyarılır ve düşük enerji seviyesinden yüksek enerji seviyesine geçer (E0(temel seviye) ->E1). Fakat bu uyarılmış elektron sonsuza kadar bu yüksek enerji seviyesinde kalamaz. Bu yüzden uyarılan elektron yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçer (E1- >E0). Geçiş sırasında yüksek enerji seviyesi ile düşük enerji seviyesi arasındaki fark kadar enerjiyi foton olarak dışarıya salar. Salınan foton başka bir atomun elektronunu uyararak aynı şekilde foton açığa çıkmasını sağlar. 

Uyarılma süreci sisteme enerji verilmesiyle devam eder. Lazerin iki ucuna yerleştirilen aynalar vasıtasıyla fotonlar her iki tarafa yansıtılarak daha fazla atomu uyarmaları sağlanır. Lazerin bir ucundaki ayna %100 yansıtma kapasitesine sahipken, diğer uçtaki ayna %1′ lik geçirgenliğe sahiptir. Demet haline getirilen fotonlar aynı faz ve aynı frekansta olacak şekilde birbirleriyle uyumlu olarak buradan dışarıya çıkar ve lazer ışını meydana gelir.

Lazerlerin ortak özellikleri: 

1) Monokromatiktir (Tek renklidir). Belirli bir dalga boyuna sahiptir,
2) Işın koherenttir. Her foton diğer foton ile senkronizedir ve ortamda az miktarda dağılırlar, 3) Işık tek yönlüdür. Mesafeye göre ışın açısı az değişir

4) Işınlar düşük çaplı olmasına rağmen yüksek enerjiye sahiptirler, şeklinde sıralanabilir. 

Lazer Çeşitleri 

1-Gaz lazerleri

a- Helyum-Neon lazerler (He-Ne): En çok kullanılan lazer gazıdır. Elektron çarpışması ile helyum uyarılır ve daha sonra yine çarpışma ile enerji Neon’a transfer edilir.

b- Argon lazerler: He-Ne lazerine benzer özellikler taşır. 488nm, 514.5nm, 351nm, nm, 472.7 nm, 528.7nm dalga boylarında ışınım yayar.

c- Karbon lazerler: lazer geçişleri CO2 deki titreşim-dönme uyarıları ile ilgilidir. Bu %30 kadar verimlidir. 10.6 ve 9.4 mikro-metre mertebesinde ışınım yayar.

d-Nitrojen lazer: N2 Lazerinde kalıcı geçiş iki elektronik enerji seviyesi arasında gerçekleşir, bu nedenle bu lazer ultraviyole bölgesinde 337 nm dalga boyunda çalışır.

e-Eximer lazerleri: Eximer ArF, KrF, XeC gibi moleküllerden oluşur. İtici veya ayrışan temel durumları vardır ve ilk uyarılmış durumlarında kararlıdırlar.

2-Dye lazerleri: lazer kazancı etil, metil alkol, gliserol veya su çözeltisindeki organik boyalardır. Bu boyalar örneğin Argon lazerleri ile optik olarak uyarılabilir ve 390-435, 460-515, 570-640 nm'de yayılabilir.

3- Katı hal lazerleri (Solid state)

a- Ruby lazer: Doğal kristal aleminyum oksidden oluşur. 496.3 nm de ışınım yayar. Bazı aleminyum kristali +3 ile Cr +3 iyonları yer değiştirir.

b- Neodymium YAG (Nd:YAG): Yittiryum-Aleminyum-Garnetten oluşur. Bazı Y +3 iyonu ile Nd +3 iyonu yer değiştirir. Etkin ışınım aralığı 1.064 mikro meterededir.

c- Yttrerbium YAG: yarı 3 seviyeli lazerdir. 1.030μm’de ışınım yayar. Düşük kuantum eksiği ve YAG'ın iyi termal özellikleri nedeniyle optik verimliliği % 80 kadar gözlenir.

d-Titanium Sapphire(Ti: sapphire): Nadir bir toprak elementi olan Neodimyumun aksine, Titanyum bir geçiş metalidir. Ti 3 + iyonları safir (Al203) içindeki Al3 +

iyonlarının belirli bir bölümünün yerini alır. Geçiş metal lazerlerinde, lazer aktif elektronik durumları titreşimlere güçlü bir şekilde bağlanan dış 3 elektronları var.

4- Yarı iletken lazerler : kuantum kuyusu olarak da bilinen yarı iletken lazerler en küçük, en seri halde üretilebilir ve kolayca ölçeklenebilir. Temel olarak, öne eğik olduğunda taşıyıcısının yeniden birleştirilmesiyle, ışık yayan diyotlara (LED'ler) çok benzeyen

dalga boyunda ışık üreten p-n bağlantı diyodlardır. Lazer diyotlar uyarılmış
radyasyon yayarken LED'ler kendiliğinden emisyona sahiptir. Popülasyonun
çevrilmesi için operasyonel akım eşik değerinden daha yüksek olmalıdır. Yarı
lazer içindeki aktif ortam, iki boyutlu iki tabakanın birleşme bölgesi şeklindedir.

salınımını sürdürmek için optik geri besleme için harici ayna gerekmez. İki katman arasındaki kırılma indeksi farkları veya aktif ortama toplam iç yansıma nedeniyle yansıtıcılık bu amaç için yeterlidir. 

Lazerlerin Kullanım Alanları

Endüstri sanaysinde: Endüstriyel uygulamalar artık lazerle kaynaklama, delme, kesme (örn. Cam süsleme, kırpma, frezeleme), ani tavlama, püskürtme ve diğerleri gibi birçok yeni prosedürü içermektedir. Lazer işlemlerinin temel avantajı, ürünün mekanik bir temas olmaksızın, örneğin uzaktan işleme veya koruyucu bir atmosferde işleme, erişilmesi zor ürünün parçalarının yanı sıra klasik yöntemlerle etkilenemeyen malzemelerin teknolojik işlemesinde işlemden ibarettir. Lazerli dökme, lazer taramalı üç boyutlu karmaşık parçaların imalatı yapılabilmektedir. Partiküller arası birleşmeyi oluşturan ısıtma sürecidir. Ayrıca metallere biçim verme işlemi de yapılmaktadır. Lazerli ayırma ve talaş kaldırma yöntemlerinde, delme kesme, oyuk açma gibi işlemler yapılır. Lazer kaynağı ve lehimleme, sanayide sıkça kullanılmaktadır. Lazerler, ayrıca malzeme yüzeylerin çok ince tabaka ile kaplanmasında kullanılır. Mayın taramada, duvar içinde elektrik kablolarının tespiti gibi işlerde de kullanılır.

Ölçmede, muayenede ve analizlerde : Mesafe, alan, hacim ölçümlerinde lazerler hassas sonuçlar verir. Yön ve seviye tayininde, hız kontrol radarlarında; havada uçakların, denizde gemilerin koordinatlarının tespitinde kullanılır. Marketlerde ve lojistik hizmetlerde barkod okunmasında yararlanılır. Katı, sıvı, gaz malzemelerin içerik analizlerinde kullanılır.

Kumanda kontrol tekniğinde: Lazerlerden bir sinyal olarak fiziksel ve kimyasal süreçlerin uzaktan kumandalı, temassız kontrol edilmesinde yararlanılır.

Sağlıkta: Lazer teknolojisinin sağlık sektöründeki önemi büyüktür. Bölgesel zayıflama, lazer epilasyon gibi plastik cerrah olarak tabir edilen grubun yanı sıra insanlığın en büyük belalarından olan kanserin tedavisinde de lazer kullanılır. Ayrıca göz hastalıkları için de kullanılır. Birçok hastalığın tanısında ve tedavisinde kullanılır. Diş ve diş eti ile göz operasyonlarının neredeyse tamamı lazerle yapılır. Burun kanamalarının tedavisinde kullanılır. Lazerler, tedavi amaçlı olarak birçok ameliyatın yerini almaktadır. Ayrıca, cilt tedavisinde ve bakımında, istenmeyen tüylerin arındırılmasında lazerlerden yararlanılır.

Askeri ve Savunma sanayisinde: Lazerler, çeşitli askeri uygulamalarda da ortaya çıkar; en yaygın olarak kullanılan, lazer menzil bulucuları olarak adlandırılan, hedef lazer mesafesini büyük bir doğrulukla ölçebilen ve füzenin en iyi yörüngesini elde edebilen lazer menzil bulucularıdır. Lazerli silahların üretimi ve kullanımı her geçen gün artmaktadır. Hedef saptama, mesafe ölçme, imha etme, devre dışı bırakma gibi amaçlarla lazerlere ilgi artmaktadır.

İletişimde ve haberleşmede: Lazer sinyalleriyle kodlanan verilerin minimum kayıplarla fiber optik kablolar kullanılarak uzak mesafelere aktarılması sağlanmaktadır. Lazer ışığının, aynı fazlı birçok fotondan oluşması temeline dayanan bu iletişim yöntemiyle aynı frekansta birden fazla kişinin birbiriyle bağlantı kurması mümkün olabilmektedir.

Astronomi, jeodezi ve jeofizikte lazerler: Lazerin çalışmaya başlamasından kısa bir süre sonra, radyasyon yaymak için radar sisteminin bir parçası olarak da kullanıldı. Bu durumda, lazer radyasyonunun özellikleri arasında, düşük ıraksama ve kullanılan çok kısa pulslar (10-12 s mertebesinde) üretme kapasitesi vardır. Laser radar olarak adlandırılan bu cihaz lazer ışınımını gelen ışının yönüne geri yansıtan nesnelere olan mesafeleri ölçebilir. Işın yansıtma kaynağının yoğunluğunu arttırmak için ölçülecek nesneler, uydu lazer yansıtıcıları, yani gelen ışını yansıtan köşe prizmaları taşırlar. Reflektörlerin kullanım amacına bağlı olarak, yani astronomi, jeodezi, jeofizik veya ekolojide, yer hedeflerine, uydulara veya Ay'ın yüzeyine monte edilirler. Mesafe, optik radyasyon, ölçülen nesneden yansıtılan pulsun geri döndüğü ana kadar geçen zaman aralığı ölçülerek ölçülür. Lazer radar aralığı, yansıtılan sinyalin enerjisinden, yani “radar equation” den hesaplanır. Bu denkleme göre, alınan işaretin büyüklüğü, mesafenin dördüncü gücüyle orantılı olarak azalır. Genellikle lazer reflektörlerle donatılmayan yer nesneleri, bulutlar, uçaklar ve benzerleri ile lazer radar aralığı 20 km'ye kadardır. 

Kaynaklar

Kasnak, G. ve Fıratlı H. E., 2016, Lazer Fiziği ve Lazer Uygulamalarında Temel Kavramlar, Turkiye Klinikleri J Periodontol-Special Topics 2016;2(2).

https://www.britannica.com/technology/laser/History

http://portal.ku.edu.tr/~asennar/2010-BT-2.pdf

https://electrologs.com/2017/12/27/lazerlazerin-calisma-prensibi-ve-lazer-cesitleri/

https://www.dunyaatlasi.com/lazer-nedir-ozellikleri-kullanim-alanlari-nelerdir/

https://application.wiley-vch.de/books/sample/3527327150_c01.pdf

https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-974-fundamentals-of-photonics- quantum-electronics-spring-2006/lecture-notes/chapter7.pdf

http://www.haberself.com/h/7334/ http://www.arsci.cz/stahuj/Fyzika3-201-212.pdf