Lazerin Yapısı Ve İşlevleri

[AsiRuH]

LAZERİN YAPISI VE İŞLEVLERİ

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. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak
bir trilyon hertz ile üç bin trilyon hertz 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, laser çok yüksek frekanslarda 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 olağanüstü
yoğunluğundan kaynaklanmaktadır. Laser dolayısıyla, holografide,
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 ve katı bir madde doldurulur. Dışarıdan
ışık verme, elektrik akımı geçirmek suretiyle veya kimyasal bir yolla
elde edilen enerji, ortamdaki atomlara ulaşır. Bunların bazıları bu
enerjiyi emerler. Fazla enerji, atomları kararsız hale getirir.
Kendisine bir foton 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 tahriklerde 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 rasgele karakteri bozuk 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 olduğu için kayıpları azdır. Ayrıca laser ışınları aynı
fazda yapılan ışık dalgaları olduğu için şiddeti büyük olur. Bu yüzden
laser ışınlarının şiddeti güneş ışınlarının şiddetinin bir milyon
katıdır.

Elektromanyetik dalga paketçiği de denen foton, güneş ışığı füzyon
reaksiyonuyla meydana gelip, bu şekilde yayılan foton enerjisidir.
Laser ışında foton yayılmasından ibarettir. Laserde foton üretimini
anlayabilmek için atomların değişik seviyelerinde ne gibi hadiseler
olduğunu bilmek gerekir. Bir atomun uyarılmış durumda bulunduğu kısa
zaman aralığında üzerine belli bir dalga boyunda foton düşürülürse,
atom aynı fazda foton yayar. Bu işlem peş peşe tekrarlanırsa, tamamen
aynı fazda bir ışın demeti elde edilir. En düşük enerji seviyesinde
bulunan bir atoma dışarıdan bir foton verilirse, atom enerjisi
kazanarak E1 enerji seviyesinden E2 enerji seviyesine uyarılmış olur.
Bu atom kendi halinde bırakılırsa, uyarılmış bulunduğu E2 enerjisinden
bir foton vererek tekrar E1 enerji seviyesine döner. Uyarılarak enerji
seviyesi E1’den E2’ye yükseltilen atom enerjisini geriye foton olarak
yaymaya başlarken bir foton daha çarptırılırsa atomu birbiri ile aynı
özellikte iki foton terk eder. 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, aynı frekansta, aynı yönde olduklarından adeta birbirine yan
yana yapışıktır. Paralel aynalar arasında şiddeti bu şekilde çığ gibi
artan ışınlar, ışık frekansına eş bir frekansta, darbeler halinde
oldukça parlak ışık huzmesi olarak yayılır. Laser ışınındaki
enerjisinin büyümesinin esası işte bu milyonlarca küçük enerji
kaynaklarının çok dar bir hüzme halinde aynı yönde ham yanyana hem de
ard arda 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 çarpıştırılmasıyla 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.

OSİLASYON

Yukarıda açıklanan 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 arsında 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 ışınlarından 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. Q-anahtarlamasının en kolay
şekli bir aynanın çok hızlı dönmesiyle gerçekleştirilebilir. Bu aynanın
diğer ayna ile aynı eksene geldiği zaman da laser yayılımı ortaya
çıkar. Bu konuda uygulanabilecek diğer teknik laser frekansına ışık
absorbe eden seyreltilmiş bir çözelti ortamı kullanmaktır. Bu şekildeki
absorbsiyon enerjinin depo edilmesini sağlar.










Mode kilitlenmesi

Çözelti kullanılarak ve anahtarlama ile elde edilen laser ışınının gücü
mode kilitlenmesi ile 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 bir güç elde edilir ki, bu
dünyadaki bütün elektrik santrallerinin toplam üretiminden daha
fazladır.

Laser ışınının özellikleri:

En büyük özelliği dağılmaz olması ve yön verilebilmesidir. Bu
özelliğinden istifade ile mesafe ölçme ve fiber optik teknolojisi
geliştirilmiştir. Dalga boyunun küçük olması dağılmayı da büyük ölçüde
azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine belli yönlerde hareket
ederler. Bu laserin çok parlak olmasını doğurur.
Laser ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır.
Frekans dağılım aralığı, frekansının bir milyonda 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 başka yere gönderebilir.
Laser ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler halinde yayınlanabilmesi
mümkündür. Kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile
sağlanabilir. Laser kendisinde bulunan yüksek enerji sayesinde kesme,
kaynak ve delme endüstrisinde kullanılır. 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 ölçümlerini mümkün kılar.
Laser ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için laser cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür.
LASER TÜRLERİ

Katı Laserler

İlk bulunan laser yakut laseridir. Yakut, az miktarda krom ihtiva eden
alüminyum oksit kristalidir. Kırmızı laser ışınları yayan, bu kristal
içindeki krom atomlarıdır.





Krom atomları optik olarak yeşil ve mor ışıkla uyarılır. 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
laserlerle birlikte kullanılan q-anahtarlı laser moduyla saniyenin
birkaç milyarda biri kadar devem 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 sebebiyle fazla optik pompalamaya ihtiyaç
göstermez ve su sebepten dolayı tercih edilir. Güneş ışığının
kullanılması uzay uydusuna yerleştirilen haberleşme sisteminde muhtemel
laser kullanımını mümkün kılmaktadır.

[AsiRuH]

Yarı İletken Laserleri

Yarı iletken malzemelerden elde edilen kristallerle de laser
yapılmıştır. Galyum arsenik kristali yarı iletken lasere 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 boyları bir milimetreden büyük değildir. Ancak çok verimli
çalışma için ortam sıcaklığı oda sıcaklığının çok altına
düşürülmelidir.

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. Bunlara mor ötesine yakın ve
kızılötesine yakın arasında laser türleri elde edilebilir. Genellikle
pompalama optik olarak cereyan 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 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 diyotta
ışık enerjisine çevrilmektedir. Dünyanın birçok telefon şirketleri bu
tatbikata geçmişlerdir.

Karbondioksit laserleri metal, cam, plastik kaynak ve kesme işlerinde kullanılır.


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

Laserin askeri alandaki tatbikatları çoktur. Mesafe bulma ve yer tanıma
maksadıyla kullanıldığı bilinmektedir. Hedefe gönderilen güdümlü
mermiler, hedef yakalanınca laser ışını ile infilak ettirilmektedir.
Gece karanlığında gece görüş dürbünleri sayesinde gündüzmüş gibi
operasyon yapılabilir. Çok başlıklı füzelerin hafızalarına
yerleştirilen hedef resmi, füze hedefe yaklaşınca laser ışını ile
tanınır. ABD’nin 1984 yılında 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.
Holografi, laser ışınları ile üç boyutlu resim çekme ve görüntüleme
tekniğidir.

Tıpta laser “kansız ameliyat” maksatları ile kullanılır. Yırtılmış göz
retinası, laser ışını ile acısız ve süratle dikilir. 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 İlgili 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 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. Laser özelliği dolayısıyla bilgisayarın hafıza
kapasitesini büyük ölçüde arttırabilir.