Lazer

Lazer

Gösterilerde lazerler görsel efektler için kullanılmaktadır.

Çok şiddetli, koherent ve tek renk ışık elde etmek için geliştirilmiş optik düzeneklere maser ve lazer denir. İlk kez C. H. Townes (1953) tarafından mikrodalga bölgesinde geliştirilen ve Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Uyarılmış Işıma ile Mikrodalga Yükseltici) kelimelerinin ilk harflerinden yararlanarak kısaca maser adı verilen düzenekler daha sonra T. H. Maiman (1960) tarafından Laser (Lazer) (İngilizce LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) olarak adlandırılmıştır. Lazerler, fotonları uyumlu bir hüzme şeklinde oluşturan optik kaynaklardır.

İlk olarak 1917 yılında Albert Einstein tarafından stimüle ışımanın varlığı öne sürüldü. 1960 yılında Theodore Maiman optik frekansta lazer hereketini gerçekleştirdi ve yakut lazerinin varlığını kanıtladı. Bu olaydan sonra lazer kullanımında oldukça önemli gelişmeler oldu. Lazer ışını endüstriyel süreçlerde, mühendislik alanında, tıpta, bilimsel araştırmalarda, meteorolojide, iletişimde, holografide ve savunma donanımlarında kullanılmaktadır.

Çalışma prensibi

Lazerin temeli atom veya molekül enerji düzeyleri arasındaki elektron geçişleri ile oluşan ışık fotonlarına dayanır. Bir atomun iki enerji düzeyi ${\displaystyle E_{2}}$ ve ${\displaystyle E_{3}}$ olsun ve ${\displaystyle E_{3}>E_{2}}$ farzedelim. Minimum enerji ilkesine göre atom veya moleküller düşük enerji seviyesinde olmak istediklerinden ${\displaystyle E_{3}}$ seviyesindeki elektron kendiliğinden ${\displaystyle E_{2}}$ seviyesine inecektir. Ama bu sırada enerjisi ${\displaystyle E_{3}-E_{2}=h\nu }$ olan bir foton salar. Burada ${\displaystyle \nu }$ fotonun frekansıdır. Eğer elektron bu salınımı kendiliğinden yaparsa salınan fotonun yönü tamamen rastgeledir. Ancak eğer ${\displaystyle E_{3}}$ düzeyindeki elektron ${\displaystyle E_{3}-E_{2}}$ enerjisindeki başka bir fotonla etkileşerek ${\displaystyle E_{2}}$ düzeyine inerse bu şekilde salınan fotonun yönü ve fazı geçişe etki eden fotonla aynı olacaktır. Bu ikinci geçiş biçimine uyarılmış ışıma (stimulated emmision) denir ve lazerin çalışmasının ana ilkesidir.

Şimdi çok sayıda atomdan oluşan bir sistem ele alalım. Başlangıçta atomlar en alt enerji düzeyinde bulunduklarından bir şekilde atomların ${\displaystyle E_{3}}$ düzeyine çıkarılması gerekir. Bu pompalama(pumping) olarak adlandırılır. Ayrıca ${\displaystyle E_{3}}$ ve ${\displaystyle E_{2}}$ arasındaki geçişten lazer ışığı elde edebilmek için atomların ${\displaystyle E_{3}}$ düzeyinde kalma süreleri ${\displaystyle E_{2}}$ düzeyinde kalma sürelerinden uzun olmalıdır. Ancak bu şekilde ${\displaystyle E_{3}}$ düzeyinde bulunan atomların sayısı daima artacaktır (population inversion.

Class 1 ile 4 arasında değişen risk dereceleri mevcuttur.

En basit tür üç düzeyli lazerdir.

Lazerler, günlük yaşamda sıklıkla kullanılmaktadırlar. Örneğin, süper marketlerde ürün fiyatlarını, CD'lerden müziği, DVD'lerden de veri okumakta lazerlerden faydalanılmaktadır. 15 mW'ın üstündeki lazerler göze anında zarar verebilir.

100 mW'nin üstü ise kibrit yakabilir ve değişik yüzeylere yazı yazabilir.

Çesitli lazer tiplerinin tayfları.

Lazer uyarılmış emisyonu ve prensibinin animasyon ile açıklanması

Renk	Dalgaboyu aralığı	Frekans aralığı
Kırmızı	~ 625 to 740 nm	~ 480 to 405 THz
Turuncu	~ 590 to 625 nm	~ 510 to 480 THz
Sarı	~ 565 to 590 nm	~ 530 to 510 THz
Yeşil	~ 525 to 565 nm	~ 580 to 530 THz
Turkuaz	~ 500 to 520 nm	~ 600 to 580 THz
Mavi	~ 430 to 500 nm	~ 700 to 600 THz
Mor	~ 380 to 430 nm	~ 790 to 700 THz

koherns:Lazer ışığı, hem zamanca aynı zamanlı hem de uzaysal olarak aynıdır.Bu özelliğinden dolayı lazer ışığı, metalleri milimetrik olarak kesme, kaynatma gibi işlerde üstün avantaj saglar.Alışık olduğumuz kohernt(tek fazlı)değildir, elektromanyetik dalgayı oluşturan fotonlar genellikleaynı fazda değildir.

Tarihi

İlk pratik lazer 1960 yılında pembe renkli yakut ile yapıldı. Atif bölgenin çeşitliliği çok arttı. Hatta pompalanmaya uygun her şeyden lazer olabileceği düşüncesi hakim oldu. Kullanılan aktif ortamın fiziksel doğasına bağlı olarak lazerleri, yalıtkan lazerler, yarı iletken lazerle, gaz ve boya lazerleri olmak üzere dört gruba ayırabiliriz.

• Katkılanmış Yalıtkan lazer: Burada aktif ortam bir katı içine gömülmüş safsızlık iyonlarından ibarettir.Normal olarak mevcut yapıdaki iyonlar yerine girerler.Mevcut örgü de önemlidir, çünkü ısısal iletim, ısısal genişleme lazerin oluşturacağı güç düzeyleri belirlemek için önemlidir.Bunun dışında mevcut yapı safsızlık iyonlarının enerjisini etkiler, öyle ki aynı iyon farklı örgülere katkılandığı zaman biraz farklı dalga boylarında lazer elde edilir.Bizim açımızdan en önemli iyonlar geçiş metal iyonları ve nadir toprak elementi iyonlarıdır
• Yakut Lazer: Tarihte ilk başarılı lazerdir.Lazer geçişi 694 nm arasındadır.Buna göre yakut üç düzeyli bir lazer sistemidir.Toplam iyonların sayısının yarısından fazlası E kare düzeyine pompalanır ve nüfus terslenmesi oluşturulur.Pompalama, parıltı tüpüyle yapıldığı zaman hızlı bozunumlar geniş bandlardan geçer.Yüksek basınçlı civa ark lambası pompalama için sıkça kullanılır
• Alexandrite Lazer: Yakut ile aynı spektroskopiye sahiptir ve 1973 yılında 680 nm dalgaboyunda lazer ışığı veren üç düzeyli lazer olarak yapıldı.Bununla birlikte, son zamanlara daha uzun dalgaboylu lazer elde edildi ve dört düzeyli lazer pompalama belirtgenleri gösterdi.Bundan başka , lazer dalgaboyu 700-820 nm arasında değiştirilebildi.Bu özellik ayarlanabilen lazerin ilk örneği oldu.
• Nd:YAG Lazer: Nd iyonu örgüde yttrium iyonunun yerine geçer.Katılama, maksimum 0,015 eV düzeyindedir.Dört düzeyli bir lazerdir.
• Yarı İletken Lazer: Katı maddelerden yapılmış olmasına rağmen yarı iletken lazer hem enerji hem de pompalama mekanizmaları bakımından yalıtkan katkılı lazerleri oldukça farklıdır.Yalıtkanlardaki atomların tek enerji düzeyleri gözlenirken yarı iletkenlerdeki elektonlar geniş bandlı enerji düzeylerini işgal eder.Her band yakın biçimde ilgili değil, fakat bütün olarak maddeye aittir.Katının, başlangıçta birbirinden iyice uzak atomları, birbirine yakın getirmek ve bir topluluk elde etmek olarak düşünülebilir.
• He-Ne Lazer: Günümüzde de en yaygın atomik lazer He-Ne lazerdir.Bu lazer aktif ortamı 10 kısım helyum ve 1 kısım neondan oluşur.Bu karışım, birkaç milimetre çapında dar delikli ve 0.1–1 m uzunluğunda 10 torr basıncında bir borudur.Bir boşalma oluşturulur.Boşalma başladığında tüpün direnci azalır, akımı sınırlandırmak için güç kaynağına seri bir diren. ilave edilir.Lazer geçişleri neon enerji düzeyleri arasında olur.Dört temel lzer geçişi 3.39 μm, 1.15 μm, 632.8 nm , 543.5 nm dalgaboylarına sahiptir.Her geçişin başlama veya sonlanma düzeyleri ortaktır.Buna göre geçişler birbirleriyle adeta yarışırlar, istenmeyen dalgaboylarına karşı dikkatli önlemler alınmalıdır.Çoğu kez amaçlanan hedef, gerksinene lazer hücresini, sadece istenen dalgaboyunda yansıtıcı yapmaktır.

Lazer ışınının yönü

Yönü sabit olan lazer ışını çok düşük alıcılıdır. Lazer ışınının yönlülüğü önemli avantaj sağlar. Bunlar;

1. Düşük çaplı ışınlarda yüksek enerjiler oluşması
2. Mesafeye göre ışın açısının az değişmesi
3. Işının ortamda az miktarda dağılması
4. Odaklanmanın istenilen bölgelerde kolay oluşması.

Lazerden gönderilen ışının yön açısı ɑ lazerin yapısındaki malzemenin cinsine bağlıdır. Bu açı lazer çeşitlerine göre değişim göstermektedir. Lazerin yapısında özel optik elemanlar kullanılırsa ɑ açısı birkaç sekunde kadar düşürülebilir.Cisim üzerine odaklanan lazer ışınının çapı birkaç mikrometre kadardır.

Gözlem evinden çıkan lazer ışını

Birkaç kaynaktan çıkan lazer ışınları

Kullanım alanları

Günlük hayattaki ilk kullanımı 1974 yılında oldu.Süpermarketlerin barkod okuyucuları, daha sonra 1982 yılında tanınan lazer disk okuyucu ve kompakt disk çalarlar ilk lazer donanımlı cihazlardır. Çoklu ortam sunumlarında, reklamcılıkta, açık hava mekanlarının vitrin düzenlemesinde, oyunların özel efektlerinde, müzelerde, kulüplerde, konserlerde, tıpta, iletişim alanlarında lazer kullanılır. Lazer yazıcı, CD çalar yaygın kullanım alanlarındandır.

Endüstride kullanımı

Lazerin endüstride kullanılması için çeşitli özelliklerden yararlanılır.

Tek yönde gitmesi

Lazerin en önemli özelliği tek yönde gitmesidir. Küçük dağılma açısı lazer ışınının taşıdığı enerjinin kolaylıkla toplanıp bir alan üzerine odaklanabileceği anlamına gelir.

Şerit genişliği

Lazer ışını tek renkli olmasına rağmen lazer spektral içeriği lazer ortamının şerit genişliği kadar olabilir. Spektral olarak saf olan lazer ışınları bilimsel araştırmalarda kullanılır.

Işının uyumluluğu

Uyarılan dalga, uyarıcı dalga ile aynı fazdadır. Buna göre her iki dalganın uzay içerisinde elektrik alanlarının değişmesi aynıdır. Başka bir uyumluluk ise zamana bağlı uyumluluktur.Işık spektrumu spektrometre adı verilen bri aletle ölçülür.

Parlaklık

Lazer ışınının önemli bir özelliği, diğer tüm kaynakların ışınlarına göre daha parlak olmasıdır.

Odaklanma özelliği

Lazer ışınlarının odaklanması dalga boylarına göredir. Bu özellik, CW lazer ile kesme işlerinde, etiket okuyan cihazlarda kullanılır.

Tıpta kullanımı

Hastalıkların teşhis ve tedavisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Göz hastalıklarının tedavisi, mikro cerrahi uygulamalarında yaygın kullanılır.

Cerrahide lazerin en başarılı olduğu kullanım alanlarından biri de göz hastalıklarının tedavisinde kullanılan ışıkla pıhtılaştırma yoludur.Ağ tabakadaki kan damarları bozulunca, küçük ve çok zayıf yeni damarlar oluşur.Bu damarlar kolay kopabileceği için kanamalara sebep olur.Işıkla pıhtılaştırma yöntemi ağ tabakanın ilgili yerlerini yakarak yeni damarların oluşmasını engeller. ^[1]

Kaynakça

• Tübitak Bilim Teknik Dergisi
• Prof. Dr. Köksal F., Dr.Köseoğlu R. (2011) Spektroskopi ve Lazerlere Giriş, Niğde, Nobel Yayın Dağıtım
• Musayev,E.Optoelektronik Devreler ve Sistemler.Birsen yayınevi:İstanbul(1999)

1. (1990). FABBRİ Bilim ve Teknik Ansiklopedisi Serhat Yayınevi: İstanbul ISBN No:9752922325

Dış bağlantılar

• http://phet.colorado.edu/tr/simulation/lasers
• http://www.zaplat.com/video/teknik_videolar/170355/Lazer_Yapimi