LASER

LASER; Aim. Laser (m), Fr. Laser (m), İng. Laser.
Monokromatik (tek renkli), oldukça düz, yoğun
ve aynı fazlı paralel dalgalar hâlinde genliği yüksek
güçlü bir ışık demeti üreten âlet. 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, yâni farklı faz ve frekansa
sâhip dalgalardan meydana gelir. Laser ışığı
ise yüksek genlikli, aynı fazda, birbirine paralel,
tek renkli, hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan
ibârettir. Laser, Frekans spektrumunun
mikro dalga bölgesinde tatbik sahası bulan maser’in
optik dalga bölgesindeki benzeridir. Optik frekans
bölgesi yaklaşık olarak bir trilyon hertz (sâniyede
salınım) ile üç bin trilyon hertz (sâniyede
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.
Yâni maser ve diğer mikro dalga âletlerine
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
sûretiyle veya kimyâsal bir yolla elde edilen
enerji, ortamdaki atomlara ulaşır. Bunların bâzısı
bu enerjiyi emerler. Fazla enerji, atomları kararsız
hâle getirir. Kendisine bir foton (enerji paketçiği)
çarpan, uyarılmış ve kararsız atom, fazla enerjiyi
foton neşrederek verir. Fotonlar, benzer şekildediğer 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
sâhip 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 sâhiptir. Ancak
laser ışınları tek frekanslı yâni, monokromatik olduğu
için, kayıpları azdır. Ayrıca laser ışınları aynı
fazda yapılan ışık dalgaları olduğu için yâni, 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 hâlde, 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 ibârettir. Laserde foton üretimini
anlayabilmek için atomların değişik enerji seviyelerinde
ne gibi hâdiseler 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, tamâmen
aynı fazda olan bir ışın demeti elde edilir. En
düşük enerji seviyesinde bulunan bir atoma dışardan
bir foton verilirse, atom enerjisi kazanarak E!
enerji seviyesinden E2 enerji seviyesine uyarılmışolur. Bu atom kendi hâline bırakılırsa, uyarılmış
bulunduğu E2 enerjisinden bir foton vererek tekrar
Ej enerji seviyesine döner. Uyarılarak enerji seviyesi
E^den E2’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 hâlinde
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
yâni, aynı dalga boyunda yapılan foton üretimine
uyarılmış yayılma işlemi denir. Milyonlarca atom
için bu işlem yapılırsa aynı yöne doğru milyonlarca
foton paralel ışınlar hâlinde bir noktadan yayılır.
Bu ışınlar aynı fazda (paralel), aynı frekansta ve aynı
istikâmette olduklarından âdeta birbirine yanyana
ve ardarda yapışıktır. Paralel aynalar arasında
şiddeti bu şekilde bir çığ gibi artan ışınlar, ışık frekansına
eş bir frekansta sâniyenin 10 milyonda biri
süreli darbeler hâlinde oldukça parlak ışık hüzmesi
olarak yayılır. Laser ışınındaki enerjisinin büyümesinin
esası işte bu milyonlarca küçük enerji kaynaklarının
çok dar bir hüzme hâlinde 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 veyaçarpışma pompalaması olarak bilinir. Kimyâsal
pompalama işleminde ise kimyâsal laserlerde kimyâsal
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
hâle getirilir. Bu düzenleme sonucu pompalama
devresinin bir kısmında depo edilen enerji diğer
kısmında büyük bir darbe olarak yayılır. Bu darbe
ancak sâniyenin 10 milyarda biri kadar devam
eder. Q-anahtarlamasınm 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 dünyâdaki bütün elektrik
santrallerinin toplam üretiminden daha fazladır.
Laser ışınının özellikleri:
1. Laser ışınının en büyük özelliği dağılmaz
(koherent) olması ve yön verilebilmesidir. Bu özelliğinden
istifâde 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 monokromatiközellik taşır. Frekans dağılım aralığı,
frekansının bir trilyonda biri civarındadır. Bu sebepten
istenilen frekansta çok sayıda dalgalar laser
dalgası üzerine bindirilmek sûretiyle 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
sâhib 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 mesâfe (ayın
dünyâya mesâfesi gibi) ölçümlerini mümkün kılar.
4. Laser ışını tek dalga boyuna sâhib olduğu
için laser cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek
mümkündür.
Laser türleri:
Katı laserler: İlk bulunan laser yakut laseridir.
Yakut, az miktarda krom ihtivâ 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 sâniyenin milyarda biri
gibi kısa bir sürede birkaç milyon wattlik 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 sâniyenin
birkaç milyarda biri kadar devam eden
birkaç milyar wattlik güç üretilebilir. Günümüzde
kullanılan laser, sert şeffaf kristalden meydana
gelir. Kristalde küçük miktarda genellikle nâdir
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 nâdir
toprak elementlerinden biridir. Enerji düzeyi sebebiyle
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 wattlik 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 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 sebeb olurlar. Neticede yeterli
seviyeye ulaşan foton neşri, laser ışınını meydana
getirmiş olur. Bu tür laserler verimli ışık kaynaklarıdır.
Genellikle boyutlan bir milimetreden büyük
değildir. Ancak çok verimli çalışma için ortam sıcaklığı
oda sıcaklığının çok altına düşürülmelidir.
Meselâ bir GaAs laserden -253°’de % 50 verimli birkaç
wattlik sürekli çıkış alınmıştır. Yarı iletken laserlerde
dalga boyu 0,64 mikron ile 32 mikron arasında
olup, 10 wattlik 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 hâle 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
sebeb olur. Aynalar vâsıtasıyla yeterli seviyeye
ulaştıktan sonra laser ışını elde edilmiş olur. Bu tür
laser ışınının dalga boyu 1,15 mikrondur.
Kimyâsal laserler: Kimyâsal laserlerde bir
gaz meydana getirilir ve kimyâsal reaksiyon yoluyla
pompalanır. Kimyâsal pompalama bir eksotermik
kimyâ reaksiyonunda enerji açığa çıkmasıyla
olur. Buna bir örnek hidrojen ve flüor elementleri
tersine çevrilmiş bir toplumda hidrojen
flüorür 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 sâniyenin 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
sâhiptir. 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 istifâde
edilerek milyonlarca değişik frekanstaki bilgi
aynı anda taşınabilmektedir. Bu maksatla foto diyot
kullanılmakta ve elektrik enerjisi foto diyotta
ışık enerjisine çevrilmektedir. Dünyânın birçok telefon
şirketleri bu tatbikata geçmişlerdir.
Karbondioksit laserleri metal, cam, plastik
kaynak ve kesme işlerinde kullanılır. Meselâ laser
19 mm kalınlıktaki iki çelik sacı 16 kw’lik 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 mesâfe ölçümünde kullanılır.
Peykler arasındaki mesâfeyi 25 cm hatâ ile ölçebilmektedir.
Laserle ilk mesâfe ölçümü, 1962 senesinde,
Ay’a yerleştirilen argon-iyon laseri ile
yapıldı. Ay’la Dünyâ arasındaki mesâfe devamlı laser ışını ile ölçülmektedir. Laser, inşaatlarda, boru
ve tünel yapımında, yön ve doğrultu tâyininde
ve tespitinde klasik teodolitlerden çok daha mükemmel
ve kullanışlıdır.
Laserin askerî alanda tatbikatları çoktur. Mesâfe
bulma ve yer tanıma maksadı ile kullanıldığı
bilinmektedir. Hedefe gönderilen güdümlü mermiler,
hedef yakalanınca laser ışını ile infilâk ettirilmektedir.
“GaAs” laserleri, helikopterlerde ve
tanklarda hedef aydınlatmada kullanılır. Gece karanlığında
gece görüş dürbünleri sâyesinde gündüzmüş
gibi operasyon yapılabilir. Çok başlıklı füzelerin
hâfızalarına yerleştirilen hedef resmi, füze
hedefe yaklaşınca laser ışını ile tanınır. Delici
ve kesici özellikleri ile ilgili silâhlar 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 sâniyenin
10 trilyonda biri zamanda mümkün olur. Halbuki
en mükemmel mekanik ve elektronik fotoğraf makinalarında
bu süre sâniyenin 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 tedâvisi ile durdurulabilmektedir.
Vücûdun çeşitli bölgelerindeki tümörler bıçakla
açılmadan yerinde kesilerek tedâvi 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
dünyâ enerji problemi ortadan kalkacaktır.
Laser ışınının darbe süresinin daha da kısaltılması
üzerinde çalışmalar devâm etmektedir. Laser
ışınının darbe süresi sâniyenin 10 milyonda biridir.
Bu sürenin sâniyenin trilyonda birine düşürülmesi
halinde kısa bir sürede üretilecek enerji bugün
dünyâda aynı müddette üretilmekte olan enerji
toplamından fazla olacaktır. Laser ışını ile çalışan
silahların yapılması ile çok uzaklardan mühimmat,
akaryakıt, karargah binâları imhâ edilebilecektir.
Daha şimdiden ABD’de bir fabrikanın
5 kiloyu geçmeyen laser tüfeği imâl ettiği bilinmektedir.
Bilgisayar teknolojisinde hâfıza kapasitesinin
arttırılması için bilim adamları holografi
üzerine çalışmalarını yoğunlaştırdılar. Milimetreninonda biri kadar dalga boyuna sâhip 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.