Lazerler ve Uygulamaları
Okan ŞİMŞEK
Lazerler ve Uygulamaları
❖ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
❖ Uyarılmış Radyasyon Emisyonu tarafından Işık Amplifikasyonu
❖ Emisyon: Fizikte emisyon, parçacığın yüksek enerjili
kuantum mekanik düzeyden düşük foton yayınımına doğru ışık üretimi sonucu çevrilmesi sürecidir.
Lazerler ve Uygulamaları
➢ Özellikleri;
❖ Yönelimlidir (Directional).
❖ Tek Renklidir (Monochromatic).
❖ Uyumluluk vardır (Coherent).
➢ Normal bir ışık kaynağına göre;
❖ Dar bir frekans dağılımına sahiptir.
❖ Daha yüksek şiddete sahiptir.
❖ Paralelleştirme (yönlendirme) derecesi çok büyüktür.
❖ Çok daha kısa atım süresine sahiptir.
Lazerlerin Çalışma Prensibi
❖ Lazerlerin 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.
❖ Fakat bu uyarılmış elektron sonsuza kadar bu yüksek enerji seviyesinde kalamaz.
❖ Bu yüzden uyarılan elektron yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçer.
Lazerlerin Çalışma Prensibi
❖ 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.
Lazerlerin Çalışma Prensibi
❖ 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.
Lazerin Tarihçesi
❖ Albert Einstein, 1917 yılında uyarılmış ışımanın varlığını öne sürmüştü.
❖ 1953 yılında ise MASER adı verilen, mikrodalga bölgesinde bir lazer geliştirildi.
❖ 2018 Nobel Fizik Ödülüne layık görülen araştırmaların gerçekleşmesinde hangi bilimsel gelişmelerin etkili olduğunu görebilmek için ise öncelikle kısaca 61 yıl öncesine gidelim.
❖ 1960 yılında ilk lazer, Theodore Maiman tarafından ABD’deki Hughes Araştırma Laboratuvarları’nda yakut kristali kullanılarak başarılı bir şekilde çalıştırılmıştı.
İlk Yakut Lazer
Lazerin Tarihçesi
❖ Lazer ışığını, o güne dek bilinen diğer ışık kaynaklarından ayırt eden en önemli özelliği, eş evreli oluşudur.
❖ Bir başka deyişle, lazerin ürettiği ışık dalgaları arasında sabit bir faz ilişkisi vardır.
❖ Bu özelliği sayesinde, bir lazer ışın demetini ikiye ayırıp uzun bir mesafeden sonra birleştirirseniz, düzgün bir girişim deseni elde edebilirsiniz.
❖ Ayrıca, lazer ile üretilen ışın hüzmesinin belli bir renkte ve yönlü olduğunu, uzun mesafelerden sonra bile göreli
olarak toplu kalabildiğini ve odaklandığında çok yüksek güç yeğinliği (şiddeti) elde edilebildiğini görüyoruz.
Lazerin Tarihçesi
❖ Geçtiğimiz 61 yıl içerisinde lazerler birçok farklı rejimlerde çalıştırılabilmiştir.
❖ Örneğin sürekli dalga rejiminde çalıştırılan bir lazerin çıkış gücü zamana göre sabit kalır.
❖ Darbeli lazerlerde ise, lazerin çıkışı kısa süreli ve tekrarlayan darbeler biçimindedir.
❖ Bu grupta yer alan femtosaniye lazerleri, uzunluğu femtosaniye mertebesinde olan optik darbeler üretir.
❖ Bu tür lazerlerin kullanım alanları arasında, sert
malzemelerin hassas işlenmesi, biyomedikal görüntüleme, çok hızlı fotokimyasal olayların ölçümü, X-ışını üretimi ve benzeri uygulamalar yer alıyor.
Lazerin Tarihçesi
❖ 2018 Nobel Fizik Ödülü, lazer konusunda öncü icatları ile gerek bilimsel gerekse teknoloji alanlarında yaygın etki yaratmış üç bilim insanına verildi.
❖ Ödülün yarısını, optik cımbız tekniğini ve uygulamalarını geliştiren Arthur Ashkin alırken, diğer yarısı genişletilmiş darbe amplifikasyonu (CPA, chirped pulse amplification) tekniğini icat eden Donna Strickland ve Gerard Mourou arasında paylaştırıldı.
Nobel Fizik Ödülü (2018)
Lazerin Tarihçesi
❖ Arthur Ashkin, neredeyse bilim kurgu filmlerini anımsatan öncü çalışmalarında, ışığın oluşturduğu basınç (radiation pressure) ile cisimlerin ötelenebileceğini veya yer çekimi kuvvetini dengeleyerek tutulabileceğini, bir başka deyişle, tuzaklanabileceğini ilk kez deneysel olarak gösterdi.
❖ Bu yöntemin etkin bir şekilde kullanılabilmesi için
odaklanmış ve dolayısıyla yüksek şiddete sahip bir lazer hüzmesi gereklidir.
❖ Ayrıca, yanlış anlaşılmaya neden olmamak için hemen vurgulamakta fayda var.
❖ Tuzaklanabilen cisimler oldukça küçük boyutlardadır.
Lazerin Tarihçesi
❖ Günümüze dek yapılan deneylerde, atomların, virüslerin, bakterilerin ve mikroskopik taneciklerin tuzaklanabileceği deneysel olarak gösterildi.
❖ Bu yönteme dayalı oluşturulan ve odaklı lazer ışığı ile
cisimlerin dengede tutulabilmelerini sağlayan cihaza optik cımbız (optical tweezer) adı veriliyor.
❖ Bu alandaki en çarpıcı gelişmelerden bir tanesi 1987 yılında gerçekleşir.
❖ Ashkin, geliştirmiş olduğu optik cımbız ile canlı bakterilerin tuzaklanabileceğini ve bunlara zarar vermeden birçok
biyolojik özelliğin incelenebileceğini gösterir.
Lazerin Tarihçesi
❖ Bu öncü çalışmanın ardından, optik cımbızlama, özellikle yaşam bilimleri alanında ve hücrelerin incelenmesinde yaygın kullanılan bir teknik olarak ortaya çıktı.
❖ Strickland ve Mourou’nun icat ettiği chirped pulse
amplification (CPA, gerilmiş darbe amplifikasyonu) tekniği sayesinde, bilinen en şiddetli optik darbelerin üretimi
mümkün olmuştur.
❖ 1985 yılında geliştirilen CPA tekniği, lazer darbelerinin optik kazanç ortamına zarar vermeden amplifikasyonunu sağlayan öncü bir tekniktir.
Lazerin Tarihçesi
❖ Kısaca açıklayacak olursak, uzunluğu genellikle 100
femtosaniye mertebesinde olan lazer darbeleri önce bir kırınım ağından (diffraction grating) geçirilerek zamanda 1000 kat kadar genişletilir ve optik yükselticiye gönderilir.
❖ Bu sayede, darbelerin yükseltici ortamında oluşturabilecekleri zarar riski azaltılmış olur.
❖ Darbe enerjisinin yükseltilmesi uyarılmış ışıma (stimulated emission) mekanizması ile gerçekleşir.
❖ Darbe enerjilerinin yükseltilebilmesi için farklı kazanç ortamları kullanılabilir.
Lazerin Tarihçesi
❖ En yüksek güçlere çıkılabilen amplifikasyon sistemlerinde aktif iyon katkılanmış kristal veya cam ortamlar (örneğin titanyum katkılı safir kristali veya neodymium katkılı cam gibi) kullanılır.
❖ Yükseltici ortamdan her geçişte darbe enerjisi artırılır.
❖ Yükseltme miktarı doyuma varana kadar bu süreç devam eder.
CPA Tekniği
Lazerin Tarihçesi
❖ CPA tekniği ile lazer darbe enerjisinin bir milyon kat veya üzerinde yükseltilmesi mümkündür.
❖ Yükseltilmiş darbeler daha sonra ikinci bir kırınım ağı
çiftinden geçirilerek zamanda sıkıştırılır ve bu sayede çok yüksek tepe güçlerine erişilebilir.
❖ Tepe güçleri petawatt mertebesinde olan lazer darbeleri üretilebilmiştir.
❖ Ticari olarak darbe tepe güçleri 10-100 GW mertebesinde olan CPA sistemleri de mevcuttur.
Lazerin Tarihçesi
❖ Örneğin Koç Üniversitesi Yüzey Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi’nde bulunan ve tepe gücü 40 GW olan bir CPA sistemi ile birçok farklı spektroskopi ve malzeme işleme çalışması sürdürülüyor.
❖ CPA yöntemi ile enerjisi artırılan lazer darbeleri faz uyumlu X-ışını üretimi, göz ameliyatları, hassas malzeme işleme ve daha birçok alanda kullanılıyor.
❖ Özetle söyleyecek olursak, 2018 Nobel Fizik Ödülü, buluşlarıyla lazerlerin tıp, yaşam bilimleri ve malzeme bilimlerindeki bazı önemli uygulamalarını mümkün kılan üç bilim insanına verildi.
Lazer Çeşitleri
➢ En çok kullanılan lazer türleri;
❖ Diyot Lazer (Yarı iletken lazer türlerinden biri)
❖ Yakut Lazer (Katıhal lazer türlerinden biri)
❖ Nd Yag Lazer (Katıhal lazer türlerinden biri)
❖ Karbondioksit Lazer (Molekül lazer türlerinden biri)
➢ Lazerlerin Uygulama Alanları
❖ Tıp
❖ Malzeme işleme
❖ Askeri alan
❖ İletişim ve haberleşme
❖ Uzay teknolojileri
❖ Gösteri ve eğlence sektörü
➢ Lazerlerin Uygulama Alanları
❖ Lazerlerin birçok çeşidi ve az önce saydığımız gibi birçok uygulama alanı vardır.
❖ Malzeme işleme alanında, lazerle delme, kesme, kaynak, yüzey işleme gibi işlemler yapılmaktadır.
❖ Ayrıca lazerle mesafe ölçümü ve 3 boyutlu malzeme üretimi de yapılmaktadır.
❖ Lazerlerin en önemli uygulama alanlarından biri de kuşkusuz tıp alanıdır.
❖ Tıpta deri hastalıklarında, göz hastalıklarında, diş
çürüklerinin temizlenmesinde, sindirim sistemindeki
tümörlerin giderilmesinde, beyin ve omurilik tümörlerinin çıkarılmasında, bel fıtığı ameliyatlarında ve daha birçok alanda kullanılmaktadır.
➢ Lazerlerin Güvenli Kullanımı
❖ Lazer ışınları göz veya deri yoluyla soğurulduğunda, dokuların kimyasal dengesini bozabilir, dokuda sıcaklık artmasına bağlı deformasyonlara sebep olabilir.
➢ Lazerlerin Güvenli Kullanımı
❖ Lazer ışımasına en hassas olan organ gözdür ve retina
yaralanması çok ciddidir.
❖ Deri yoluyla soğurulan ışınlar ise yanıklara sebep olabilir.
❖ Işının dalga boyuna göre deride farklı tabaka seviyelerinde
soğurulur.
❖ Lazerin çeşidi, çıkış gücü ve maruziyet süresine göre zarar verme derecesi değişebilir.
➢ Genel Emniyet Kuralları
❖ Lazer ışın demetleri veya optik
yolların yönü kapıya ve pencereye dönük olmamalıdır.
❖ Işın yolları göz seviyesinden aşağıda veya yukarıda
konumlandırılmalıdır.
❖ Camlar, pencereler opak
materyallerle kaplanmalıdır.
❖ Gücü ne kadar düşük olursa olsun ışın demetlerinin göze
gelmesinden her durumda kaçınılmalıdır.
➢ Genel Emniyet Kuralları
❖ Işın demetlerine veya yansımalara maruz kalmamak için koruyucu gözlük, koruyucu bariyer, zırh veya kapalı kabin sistemler kullanılmalıdır.
❖ Lazer cihazı kapalı bir odada
çalıştırılıyorsa, odanın kapısı kapalı tutulmalı ve kapı üzerine uyarıcı bir levha asılmalıdır.
❖ Lazerin kullanıldığı odada ayna bulunmamalıdır.
❖ Çalışmaya başlamadan önce saat, yüzük, bilezik veya küpe gibi ışığı yansıtabilecek takı ve aksesuarlar çıkarılmalıdır.
Kaynaklar
❖ https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/press- physics2018.pdf
❖ https://sarkac.org/2018/10/lazer-fiziginde-devrimsel-iki- bulus/
❖ http://www.hisam.hacettepe.edu.tr/ISG/ElifKacar.pdf
❖ Charlene W. B., John T., Lasers, Facts On File, Inc., New York, 2006.
