BÖLÜM 1. GİRİŞ

Yirminci yüzyılın ikinci yarısının en önemli buluşlarından biri lazerdir. Bugün lazer, gerek ilmi çalışmalarda, gerekse günlük hayatımızda önemli yer tutmaktadır. Lazer kelimesi, İngilizce’de “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” cümlesini oluşturan kelimelerinin baş harflerinin alınmasıyla oluşturulmuştur. Türkçede ise uyarılmış radyasyon ile güçlendirilmiş ışık anlamına gelmektedir. İlk olarak 1960 yılında T. H. MAİMAN, yakutla optik frekanslarda bir lazeri çalıştırmayı başarmıştır.

Lazerle ilgili araştırmalar, başlangıçta daha çok gaz lazerler hakkında yapılmıştır. Bunun sebebi ise; gazlardaki enerji seviyeleri ve yayılma şartlarının, katı cisimlere göre daha iyi bilinmesidir.

1951 yılında A. Javan, W. R. Bennett, Jr. A. D. R. Herriot kırmızı ötesi bölgede çalışan Helyum-Neon lazerini keşfetmişlerdir. Helyum-Neon lazerinde 6328  kırmızı çizgisinin keşfi gaz lazerlerinin önemini artırmıştır Daha sonraki yıllarda bu tip lazerlerde gelişmeler kaydedildiği gibi başka gazlarla işleyen lazerlerde keşfedilmiştir.

BÖLÜM 2. LAZERLERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Lazerlerin temel prensibi ve yapılışı oldukça basittir. Lazerin işlemesinde esas olan olaylar indüklemiş emisyon (Katı yada sıvı yüzeyden, elektronların elektromanyetik radyasyon yoluyla veya elektronların ısı yoluyla açığa çıkarılması.) ve optik pompalama olup, iki şekilde incelenir. Lazerler, koherent (birbirine paralel ışınlar), monokromatik (tek bir renk dalga boyundan) ve şiddetli frekanslı radyasyon sağlayan aletlerdir.

Lazer cihazlarında kavite adı verilen içerisinde aktif madde bulunan bir hücre bulunur. Lazer adını bu kavite içerisindeki dalga boyunu ayarlayacak maddeden alır. Aktif maddenin uyarılması ile oluşan fotonlar aynalar yardımı ile paralel hale getirilerek sistem dışına ışık enerjisi halinde çıkarılır.

Meydana gelen ışık, aynalar sayesinde aktif atomların içinden birçok defa gelip gider. Böylece stasyoner dalgalar oluşur. Stasyoner: Aynı anda kesişen birden fazla dalga hareketidir. Düzlem dalgaların yayılma vektörü, aynalara dik olup aynalar arası uzaklık L ve bu uzaklık f/2  nin tam katı ise;

olup, rezonans frekansı da

dir. Burada m, tamsayı, c ışık hızını gösterir, m’in her bir değerine bir frekans eşlik eder ve m’in her bir değeri bir moda karşılık gelir. Öte yandan, ortamın kırılma indisi n ise (n = optik yol) bu halde interferometrenin (Girişim özelliğinden faydalanılarak kullanılan cihaz) rezonans frekansı

şeklini alır.

Kavitenin iki komşu modu arasındaki frekans farkı

olup iki ayna arasında bir gidiş-geliş için ışığın sarf ettiği zaman

olur.

2.1 EMİSYON ÇEŞİTLERİ VE ABERASYON

2.1.1 Kendiliğinden olan emisyon

Şekil 2.2′de gösterilen sistemde N tane atom olsun. Bu atomlardan N1 tanesi  enerji seviyesinde, N2 tanesi  enerji seviyesinde bulunsun. Şekil 2.2′ ye göre  >   dir. Genel olarak   seviyesi temel seviye,   uyarılmış seviyedir.

Bir atomun veya molekülün başlangıçta ikinci seviyede olduğunu farz edelim. Bu iki seviye arasındaki enerji farkı   ,    olduğu için maddenin yapısının temel prensiplerine göre atomlar denge durumunda mümkün olabilecek en alt seviyedeki enerji durumuna geçerler.

Şekil 2.3′ de görüldüğü gibi, atom veya molekül n=2 durumundan n=1 durumuna geçerse bir enerji kaybeder ve ışık salar. Bu geçiş tabiatın kuralı gereği kendiliğinden olduğu için buna kendiliğinden olan emisyon denir.

Kendiliğinden olan emisyon, atom veya molekül  den  ’e dışarıdan hiçbir etki olmadan geçmesi ve bu sırada atom yayınlanması olayıdır. Bu geçiş bazen foton yayınlanmadan da mümkündür. Bu şekilde olan geçişlerde kaybolan enerji madde tarafından emilir.

2.1.2 Uyarılma İle Olan Emisyon

Şekil 2.4 de görüldüğü gibi iki seviyeli bir sistemi düşünelim ve atom başlangıçta 2. seviyede  olsun

Bu sistem üzerine elektromanyetik dalga gelsin ve madde ile etkileşsin. Gelen radyasyonun elektrik alanı, uyarılmış durumdaki elektronla etkileşir. Buradaki elektrik alanı

şeklinde verilir.  Gelen fotonun elektrik alanı bu şekilde titreşimli olarak değiştiğinden elektrona titreşimli olarak etkir. Dolayısıyla aynı frekansta bir foton yayınlanıp alt seviyeye geçmesine neden olur. Buna uyarılma ile olan emisyon denir.

2.1.3 Absorbsiyon Olayı

Şimdi ele aldığımız sistemdeki atomun başlangıçta 1 durumunda olduğunu düşünelim.(Şekil 2.5) Eğer bu seviye, temel seviye ise dışarıdan bir etki olmadıkça atom bu seviyede kalacaktır. Şimdi frekansı f olan bir elektromanyetik dalga bu madde üzerine düşürülsün.

Yine f = ( – ) / h olsun. Bu durumda atomun (1) durumundan (2) durumuna uyarılma ihtimali vardır. Bunun için atomun –   kadar enerjiyi kazanması gerekir. Bu olay absorbsiyon olayı olarak bilinir.

2.2 OPTİK GERİBESLEME

İsmine rağmen lazer bir yükselticiden çok bir titreşiciye benzer. Bir elektronik titreşicide, yükseltici bir pozitif geri besleme sağlanarak özel bir frekansta ayarlanır ve sistem açıldığında, girişte görünen uygun frekansın herhangi bir elektriksel gürültü sinyali şiddetlendirilir. Şiddetlendirilmiş çıkış, girişe beslenir ve tekrar kuvvetlendirilerek işlem böylece devam ettirilir. Bununla birlikte, yükseltici yüksek gerilimde doyuma ulaşacağı için, besleme geriliminden büyük bir çıkış üretilemez.

Lazerde pozitif geri besleme, optiksel bir rezonatör ( belli bir frekansta titreşen ya da rezonans yapan, dolayısıyla belirli frekanslardaki dalgaları iletmeye ya da güçlendirmeye yarayan mekanik veya elektriksel aygıt ) oluşturacak şekilde bir çift aynanın arasına kazanç ortamının yerleştirilmesiyle elde edilir.

Aktif ortamın birim uzunluk başına kazancı oldukça küçüktür ve bir döngüdeki ışık demeti çok küçük bir kazanç elde eder. Bununla birlikte, çoklu geçişlerde yükseltme oldukça köklüdür. Burada rezonatör içindeki radyasyonun mükemmel doğrultulmuş bir demet halinde, iki düzlem paralel ayna arasında ileri geri hareket ettiğini varsayıyoruz. Bununla birlikte kırınım etkileri sebebiyle, sonlu boyda aynalarla mükemmel olarak düzeltilmiş bir demetin devamlı oluşumunu sağlamak mümkün olmaz. Bazı radyasyonlar aynaların kenarının ötesine doğru yayılırlar. Bu yapının kırınım kayıpları, konkav aynalar kullanılarak giderilebilir. Pratikte çok sayıda ayna eğrilikleri ve şekillenimleri, kullanılan lazer tipine uyumlu olacak şekilde kullanılır.

Farklı ayna sistemlerinin ayrıntılı analizi kırınım teorisinin oldukça etraflı uygulanmasını gerektirir. Bununla birlikte, basit geometrik optik teknikleri kullanarak böyle bir analizin sonuçlarını kestirmek kolaydır.

Kullanılan aynalar, λ ⁄ 100 şartını sağlayacak şekilde düzgün olmalıdır. Gaz lazerinde maksimum güç akışı isteniyorsa, büyük yarıçaplı rezonatör kullanılır. Böyle bir rezonatörde başlangıçta küçük geliş açılarıyla ilerleyen bir demet, birkaç yansımadan sonra rezonatör optik ekseninden ayrılır. Böyle rezonatörler yüksek kayıplara sahiptirler. Fakat bazı faydalı özellikleri de taşırlar. Kararsız rezonatörler yüksek kayba sahip olduklarından ancak yüksek kazançlı ortamlarda, mesela karbondioksit ortamında kullanılabilirler. Kaybın bir kaynağı aynalardaki soğurmadır. Bunu azaltmak için aynalarla yüksek mertebeli yansıtıcı ve çok katlı dielektrik kaplama yapılır, metalik kaplama yapılmaz.

2.3 LAZER TİPLERİ

Mainman ‘ın ilk çalışan lazeri (yakut lazeri) ortaya çıkarmasıyla birlikte otuz yıl içinde lazer tiplerinde korkunç bir patlama meydana gelmiştir. Bu gelişimlerin hepsini aktarmak mümkün olmadığından, sadece önemli lazerler olan, zenginleştirilmiş yalıtkan , gaz ve boya lazerler üzerinde durulacaktır.

Bu lazer tiplerini tartışmadan önce lazer işlemi için sağlanması gereken temel gereklilikleri hatırlatmak gerekir. İlk olarak istenilen elektromanyetik spektrum bölgesinde radyasyon yayan bir aktif ortam olmalıdır. İkinci olarak, ortamda bir nüfus tersinmesi gerçekleşmelidir. Bu, pompalama için lazer geçişiyle uyuşan enerji seviyelerinin varlığını gerektirir. Üçüncü olarak, doğal lazer titreşimi için bir rezonant ortam oluşturmak amacı ile uçlarında geri besleme olmalıdır.

2.3.1 Zenginleştirilmiş Yalıtkan Lazerler

Zenginleştirilmiş yalıtkan terimi, saflaştırma sırasında düzenek içine bilerek konulmuş safsızlık atomlarıyla, genelde kristal formundaki bir dizini içeren aktif ortama sahip bir lazer tarif etmede kullanılır. Böyle lazerler dayanıklı, bakımları kolay, yüksek pik güçleri üretmeye meyillidirler. Örnek olarak yağ lazeri gösterilebilir.

2.4 YARIİLETKEN LAZERLER

Yarıiletken lazerler prensipte LED(Işık yayan diyot)’ lerden çok farklı değildir. Bir p-n eklemi aktif ortamı oluşturur. Böylece lazer ışını elde etmede sağlamamız gereken diğer şartlar, nüfus tersinmesi, optik geri beslemedir. Uyarılmış salma elde etmek için, birçok elektron ve boş hollerin bir arada bulunduğu bir aygıt bölgesi bulunma zorunluluğu vardır. Bu, çok yüksekçe zenginleştirilmiş n ve p tipi maddelerden oluşan bir ekleme, pozitif yönde gerilim uygulanmasıyla elde edilir. Böylece    – tipi maddede Fermi seviyesi değerlik bandının içinde bulunur. Böylece dejenere madde olarak adlandırılan maddelerden oluşan bir eklem içinde denge ve pozitif yönde gerilim uygulanmış halin enerjisi bant diyagramı Şekil 2.6 de gösterilmiştir.

Eklem  /e enerji aralığı gerilimine yaklaşık eşit bir gerilimle pozitif yönde bir potansiyel farka tutulursa, elektron ve holler “aktif bölge” olarak adlandırılan dar bir bölgede bir nüfus tersinmesi yapacak sayıda eklem içine sokulurlar.

Aktif bölgenin t kalınlığı, p bölgesinin zenginleştirme bölgesini n bölgesinden daha az olduğu, böylece eylem akımını genelde elektronlar tarafından taşındığı varsayımı ile p bölgesi içine sokulan elektronların  difüzyon boyuyla yaklaşık olarak hesaplanabilir. Yoğunca zenginleştirilmiş GaAs oda sıcaklığında 1-3 µm arasında  kalınlığına sahiptir.

Doğrudan bant aralığına sahip GaAs gibi maddeler durumunda, elektron ve hollerin radyasyon yayacak şekilde bir araya gelme ihtimalleri vardır. Üretilen yeniden bir araya gelme radyasyonu, değerlik elektronlarıyla etkinleşebilir ve soğurulabilirler veya iletkenlik bandındaki elektronlarla etkileşip aynı frekanslı  (V = ) başka fotonların üretilmesini sağlayabilirler.

Eğer enjekte taşıyıcı yoğunluğu yeterince büyük olursa uyarılmış emisyon soğurmayı geçebilir ve böylece aktif bölgede optik kazanç elde edilebilir. Her zamanki gibi lazer titreşimi bir turdaki kazancın aynı mesafedeki kayıpları geçmesi durumunda oluşacaktır. Yarıiletkenlerde temel kayıplar, yarıiletken maddedeki homojensizliklerdeki saçılmalar ve serbest taşıyıcı soğurması sebebiyledir. İkinci sebep elektron ve holler bir fotonu soğurup sırayla iletkenlik veya değerlik bandındaki daha yüksek seviyelere hareket ettiklerinde gerçekleşir. Bundan sonra taşıyıcılar, daha düşük enerji seviyelerine radyasyon yayımı yapmadan dönerler.

Diyot lazerleri durumunda, pozitif geri besleme için harici aynalar kullanmak gereksizdir. Yarıiletken maddenin yüksek kırılma indisi, madde-hava ara yüzeyindeki yansımanın, 0.32 civarındaki bir değere sahip olması durumunda bile, yeterince büyük olması ile otomatik olarak sağlanır.

Diyot, eklemin düzlemine normal doğal kristal boyunca parlatılır. Böylece uçlar birbirine paralel hale getirilir. Değişik amaçlarla nadiren optik kaplama yapılmakla birlikte bu yüzeylere daha başka bir işlem uygulanmaz.

Radyasyonun bir miktarının “mod hacmi” olarak adlandırılan bölgeye sıkıştırılmış durumu olmasına rağmen, aktif bölgede üretilen radyasyon, çevreleyen-kaybı yüksek GaAs’ ın içine doğru yayılır. Aktif bölgede bulunan fazlalık taşıyıcılar, bu maddenin kırılma indisini çevreleyen maddeninkinin üstüne çıkarıp, bu bölgenin bir dalga kılavuzu olarak davranmasını sağlarlar. Merkezi ve çevreleyen bölgeler arasındaki kırılma indisi farkı 0.02 civarında olduğunda dalga kılavuzlama oldukça verimsiz ve bu, radyasyonun aktif bölgenin biraz ötesine kadar ilerlemesini sağlar. Bu yeni sınırlar mod hacmini oluştururlar. Tek eklemli lazerler aslında sadece oda sıcaklığında pals modunda çalışırlar. Bunun sebebi eşik pompalama akım yoğunluğunun tipik olarak 400 A/  gibi çok yüksek değerlerde olmasıdır.

2.5 KUANTUM ÇUKURU LAZERLERİ

Normal çift-çoklu eklem lazerlerinde aktif tabaka kalınlığı tipik olarak 0.1 – 0.3 µm civarındadır. Bununla birlikte yakın zamanlarda aktif tabakanın daha ince yapıldığı (10 nm veya daha az) yapılar ilgi kazanmıştır. Bu cihazlara olan ilgi temelde bunların çok düşük eşik akımlara sahip olmalarından ileri gelmektedir. Bunun niçin böyle olduğunu anlamak için elektron enerji seviyelerini incelemeliyiz. Aktif tabakanın  boy ve  derinliğine sahip olduğunu varsayalım. Şimdi bir elektronun toplam enerjisini  kuantum sayıları cinsinden;

olarak yazabiliriz. ‘ nin nispi büyüklükleri sebebiyle en düşük enerji seviyesi =1 hali olarak ve değişen  değerleri ile, “iki boyutlu” hallerin grubunu etkin olarak içerecektir. Şimdi, birim enerji aralığı başına hollerin sayısının, hollerin yoğunluğu fonksiyonu (density of states function) ile verildiğini ve bu iki boyutlu potansiyel çukuru için bunun  ile verildiğini, yani iki boyutlu hol yoğunluğunu E’ den bağımsız olduğunu söylüyoruz. Bu, üç boyutlu duruma karşılık gelen fonksiyonun  ile değiştiği duruma zıttır. Hollerin yoğunluğunun bu ifadeleri iletkenlik bandındaki elektronlara (uygun değişiklikle aynı zamanda değerlik bandındaki hollere) elektron (hol) enerjisinin iletkenlik bandının dibinde referans noktası seçilecek şekilde (değerlik bandının tepesinde) ve elektron (hol) kütlesinin uygun bir etkin kütle ile değiştirilmesi sağlandığında uygulanmalıdır. Şimdi bu seviyelerin doldurulma ihtimali E nin artırılmasıyla hızlıca azalan Fermi-Dirac dağılım fonksiyonu ile verilir. Böylece iletkenlik bandının dibinde elektronlar band kenarlarında oldukça küçük yoğunluklu olacak şekilde nispeten geniş bir enerji aralığına dağılırlar. Tersine etkin olarak iki boyutlu durum yoğunluğuna sahip olduğumuz bir kuantum çukuru yapısındaysa elektronlar band kenarlarında nispeten yüksek yoğunluklarla küçük bir enerji aralığına dağılırlar. Bu durum, kuantum çukuru lazerinde geleneksel diyot lazerine göre nüfus tersinmesinin daha kolay başarılabileceğini ifade eder.

Yukarıda bahsedilen tekil kuantum çukurunun problemlerinden birisi kazanç bölgesinin oldukça küçük olması sebebiyle optik kuşatmanın çok zayıf olacağı gerçeğidir. Bu, lazer kayıplarının artmasına ve çok düşük eşik akımı potansiyel avantajının azalmasına sebep olur. Bu zorluğun aşılmasının bir yolu çoklu bir kuantum çukuru yapısının kullanılmasıdır. Bu yapı oldukça yüksek optik kuşatma faktörüne izin verir. Böylece kuantum çukuru lazerleri birkaç mA mertebesindeki eşik akımlarıyla çalıştırılabilmişlerdir.

2.6 GAZ LAZERLERİ

Gaz lazerleri, lazerlerin en geniş şekilde kullanılanlarıdır. Bunlar, öğrenci laboratuarlarında kullanılan düşük güçlü He-Ne lazerinden, endüstride kullanılan yüksek güçlü lazerine kadar geniş bir aralığı kapsarlar. Temelde geçişlerin atom veya iyonlar arasındaki elektrik enerji seviyeleri arasında mı, yoksa moleküllerin titreşme seviyeleri arasında mı yapıldığına bakılarak bunlar üç grupta toplanabilirler. Bunlar, atom lazerleri, iyon lazerleri, molekül lazerleridir.

2.6.1 Atom Lazerleri He-Ne Lazerleri

He-Ne lazerinde aktif ortam 1/10 oranında He/Ne gaz karışımı kullanılır. Neon, lazer geçişleri için enerji seviyelerini sağlar. Lazer geçişlerinde doğrudan rol almakla beraber helyum atomları neon atomları için bir etkin uyarma mekanizması sağlamada önemli role sahiptir. Uyarma 10 torr (1 torr = 133.322368 pascal) civarında bir basınçta tutulan ince yarıçaplı bir cam tüp içinde bulunan gaza, 2-4 kV civarındaki yüksek bir gerilimin uygulanmasıyla oluşturulan bir de boşalmayla gerçekleştirilir. Boşalma başladığında, boşalma tüpü negatif dinamik direnç gösterdiğinden, akımı sınırlandırmak ve güç kaynağını korumak için bir yükleme direnci eklemek gerekmektedir.

Pompalama işlemi şu şekilde geçekleşir. İlk adım, helyum atomlarının  ve 2  ile gösterilen iki yarı kararlı hallerine elektron çarpışma uyarmasıdır.

Bu, (2.8) formülü ile gösterilebilir. Burada  çarpışmadan önceki ve sonraki elektron enerjileridir. Uyarılmış seviyelerde bulunurken ( ) helyum atomları enerjilerini çarpışabilmeleri yoluyla neon atomlarına aktarırlar. Bu enerjinin rezonant transferinin gerçekleşme ihtimali, exp(-ΔE/Kt) ile orantılıdır. Burada ΔE olaya giren iki atomun uyarılmış halleri arasındaki enerji farkıdır. K, sabit , t ise zamandır. Helyum ve neon için enerji seviyesi diyagramı Şekil 2.7 de verilmiştir.

Şekil 2.7, her iki uyarılmış helyum halleri ve rezonant transferinin oldukça kolay gerçekleşmesi sebebiyle, hemen hemen aynı enerji seviyesinde dörtlü bir neon grubunun bulunduğunu gösterir. Enerji transferi;

eşitliği  ile temsil edilir. Böylece nüfus tersinmesi 3s ve (3p, 2p) seviyeli gruplarla 2s ve 2p grupları arasında gerçekleşir. 3s – 2s seviyeleri ve 3p – 2p seviyeleri arasındaki geçişler kuantum mekanik seçim kuralları sebebiyle yasaklıdır.

He – Ne lazeri yine dört seviyeli bir lazer örneğidir ve biz lazer geçiş seviyelerini nüfuslarının mümkün olduğunca küçük olmasını arzu ederiz. Bu, lazer geçiş seviyesindeki elektronların mümkün olduğunca çabuk taban haline geçmeleri gerektiği anlamına gelir.

Neon ışıklarının bilinen renginde artış sağlaması sebebiyle ilgi çekicidir. Böylece 2p seviyesi boşalma ile nüfuslandırılmalıdır. Bu şanssız bir durumdur, çünkü 2p seviyesi nüfusundaki artış, nüfus tersinmesinde azalma anlamına gelmektedir. Aslında bu etki yüksekçe tüp akımlarında, lazerin çalışmasını kesmekten belli bir noktaya kadar sorumludur. Böylece biz sadece akımı sonsuza kadar artırarak çıkışı artırma serbestliğine sahip değiliz. Bu sebeple He – Ne lazeri düşük güçte çalışmaya mahkum görülmektedir.

He -Ne lazerinin temel yapısı oldukça basittir. Boşalma genelde yüksek bir gerilim “ateşleme” palsıyla başlatılır ve bundan sonra 10 ila 20 mA’ lik bir akımla sürdürülür. Rezonant boşluğu oluşturan aynalar bazen boşalma tüpünün uçlarına konulurlar. Böylece gazı hapseden bir mühür halini alırlar. Alternatif olarak, tüp eksenine Brewster açısında (yansıyan ve kırılan ışınların birbirine dik olma şartını sağlayan gelme açısına “brewster açısı” denir) yönlenmiş cam pencerelerle yapışmış olacak şekilde tüpe dışarıdan konulabilirler. Bu şekilde bir düzen, gelme düzlemine paralel titreşen elektrik vektörlü radyasyonun %100 geçmesine müsaade eder ve her bir tur için maksimum kazanç sağlar. Brewster pencereleri çıkışın aynı zamanda kutuplanmış olmasını da garantiler. Bu, ilk düzenlemeye göre biraz daha karmaşık olmakla beraber, bizim frekans sabitleyici, mod seçici ve diğer aygıtlar cihaz içine yerleştirmemize izin verir. Aynalar aynı zamanda diğer dalga boylarında ve çıkış karakteristiklerindeki işlemlerin yürütülmesine izin verirler.

He – Ne lazerinde güç çıkışı oldukça küçüktür. Bununla birlikte radyasyon oldukça iyi yönlenmiş ahenkli ve oldukça dar bir çizgi genişliğine sahip olduğundan, birçok uygulama için oldukça kullanışlıdır.

2.6.2 İyon Lazeri-Argon Lazeri

Görünür bölgede çalışan en şiddetli sürekli lazerler argon ve kripton iyon lazerleri gibi durgun gaz iyon lazerleridir.

Şekil 2.8′ da görüldüğü gibi gaz atomları bir yüksek akım boşalmasındaki (~­­15-50 ) elektron çarpışmasıyla iyonlaştırılır. İyonlar daha ileri elektron çarpışmalarıyla atom taban seviyesinin üzerindeki 35еV civarındaki enerji seviyelerinin (4p) bir grubuna uyarılırlar. Elektron enerjileri sadece birkaç еV olduğundan uyarılma çoklu çarpışmaların sonucunda oluşturulmalıdır. Nüfus tersinmesi 33.5 еV civarında olan taban seviyesi üzerindeki 4p ve 4s seviyeleri arasında gerçekleşir. Böylece bir dizi uyarılmış çizgi yayınlanır. Bunlar 351 nm’ den 320 nm’ ye kadar olan bir dalga boyu bölgesindedir. Enerjinin büyük bir kısmı bununla birlikte 488 – 514.5 nm çizgileri arasında yoğunlaşmıştır.

Şekil 2.8 Argon atomunun lazer geçiş diyagramı

Prensipte argon lazerinin tüp tasarımı He – Ne lazerinden, iyon seviyeleri pompalamak için gerekli enerjinin çok yüksek olması ve bu açığa çıkan ısı enerjisini dağıtma gereklilikleri sebebiyle çok daha karmaşıktır. Akım yoğunluğu, tüpün ekseni boyunca bir manyetik alan uygulanarak boşalmasının yoğunlaştırılması yoluyla artırılabilir. Bu tüpün duvarlarına zarar vermek çarpışma iyonların sayısının azaltılması gibi bir avantaja sahiptir. Tüp, grafit veya berilyum oksit gibi kırıcı bir maddeden yapılır. Üretilen ısıyı dağıtmak için birçok iyon lazeri tüpü suyla soğutulur. Boşalma yine yüksek bir gerilim atmasıyla başlatılır ve sonrasında 200 V’ luk bir dc gerilimiyle sürdürülür. İşlem sırasında pozitif iyonlar katotta toplanma eğilimindedirler ve boşalmayı sonuçta durdurabilirler. Bunu engellemek için anot ve katot arasında basıncı dengeleyecek bir gaz dönme yolu sağlanır. Atma iyon lazeri düşük görev döngüsüyle basit oldukları görülmektedir ve bunlarla açığa çıkan ısı dağılma yoluyla soğutulabilecek kadar düşük seviyededir.

Arzu edilen dalga boyunu seçmek için, rezonatör ortamına bir prizma konulur ve uç aynanın konumu, istenilen dalga boyuna göre, radyasyon yoluna normal olacak şekilde döndürülmesiyle değiştirilir. Bu, özel bir dalga boyundaki radyasyonun ileri – geri yansıtılmasını garantiler, diğer dalga boyları sadece birkaç tur sonra kaybolurlar.

BÖLÜM 3. LAZER IŞIĞININ ÖZELLİKLERİ

Lazer ışığının birçok özelliğini tartışırken bütün lazerlerin bu özellikleri aynı derecede sağlamayacağını öncelikle belirlemeliyiz. Bu, sıkça verilen bir uygulama için lazer seçimine bir sınır koyar.

3.1 YÖNLENE BİLİRLİK

Lazerin belki de en ilgi çekici özelliği yönlenebilirliğidir. Yarıiletken eklem lazerleri dışında, lazerler radyasyonu oldukça yönlü ve düşük genişleme açısıyla ayarlı olarak sağlarlar. Bu lazer demeti tarafından taşınan enerjinin kolaylıkla toplanıp, küçük bir alana odaklanabilmesi anlamına geldiğinden oldukça önemlidir. Demetin dağılma mesafesi kırınımla sınırlanır. Bu, daha iyi optik tasarımla iyileştirilebilecek bir mühendis sınırından çok, esrarlı bir fizik kuralıdır.

3.2 ÇİZGİ GENİŞLİĞİ

Lazer ışığı, potansiyel olarak oldukça renklidir. Fakat lazer radyasyonunun spektral içeriği, lazer ortamının floresant çizgi genişliği kadar bir bölgeye ulaşabilir. Bir başka deyişle, ferdi rezanatör modlarının çizgi genişliği oldukça küçük olmakla beraber lazer çıkışında birçok mod bulunabilir. Lazer radyasyonun yüksek spektral saflığı doğrudan, fotokimya, lüminesans uyarma spektroskopisi, soğurma ve Raman spektroskopisi ve iletişim gibi temel ilmi araştırmalardaki uygulamalara götürür. Diğer birçok uygulama da kısmen lazerin bu özelliğine dayanır.

3.3 DEMET AHENGİ

Uyarılmış salmanın karakteristiklerinden birisi, uyarılmış dalganın uyaran dalgayla aynı fazda olmasıdır. Yani iki dalganın elektrik alanını uzay ve zamansal değişimi aynıdır. Böylece mükemmel bir lazerde elektrik alanının demet kesit yüzeyinin her noktası için özdeş olacak şekilde her noktada zamanla değişme gözlenecektir. Böyle bir demet mükemmel uzaysal ahenge sahip olacaktır. Diğer ilgili özellik zamansal ahenktir. Bu, zamanın fonksiyonu olarak aynı yerdeki elektrik alanın nispi faz bağıntısına karşılık gelir. Eğer faz zamanla sabit bir şekilde değişirse bu durumda demetin mükemmel zaman ahenkli olduğu söylenir.

Ahenk, lazer demetinin parçalara ayrılarak kullanıldığı uygulamalarda önemlidir. Bu uygulamalara farklı mesafeleri katedecek şekilde ışığın parçalara ayrıldığı holografi dahil edilebilir.

Düzgün olmayan yüzeylerden yansıyan lazer ışığının en çarpıcı karakteristiklerinden birisi onun tanelere ayrılmış görünüşüdür. Bu, komşu yüzey kesimlerinden yansıyan ışığın katkılarından oluşmuş rastgele bir girişim deseninin sonucudur. Bazı bölgelerde bu katkılar yapıcı, bazı bölgelerde ise yıkıcı girişim yapabilirler. Bu davranış, lazer ışığının yüksek ahenginin doğrudan bir sonucudur. Birçok uygulamada mesela holografide, benekli desen sıkıntı yapmakla beraber bu durum metroloji ve titreşim analizi gibi alanlarda uygulama bulmaktadır.

3.4 PARLAKLIK

Lazer radyasyonun en önemli karakteristiği diğer ışık kaynaklarından daha yüksek parlaklığa sahip olmalarıdır. Parlaklığı birim katı açı ve birim alan başına yayınlanan güç olarak tanımlıyoruz. Radyometrede bu birim (parlaklık) ışıma olarak adlandırılır. Fakat lazerle ilgili çalışmalarda parlaklık terimi burada tanımlandığı şekli ile kullanılır. İlgili katı açı demetin içine dağıldığı koni ile tanımlanır. Böylece lazerler mükemmel doğrultulmuş demetlerde yüksek seviyeli güçler üretebildiklerinden, oldukça parlak kaynakları temsil ederler.

Parlaklık, fazlalık modların varlığından da etkilenir. Lazerin gücü artırıldığında modların sayısı da artar, fakat parlaklık hemen hemen sabit kalır.

3.5 AYARLANABİLİRLİK

Bazı lazerler belirli dalga boylarında lazer ışığı salacak şekilde ayarlanabilirler. Mesela boya lazerleri ile ayarlanabilirlik oldukça fazla olabilir. Temel lazer kaynağıyla kullanılan optik parametrik yükselteçler 1-25 µm bölgesinde kızıl ötesine çevrilebilir.

.BÖLÜM 4. LAZERLER VE UYGULAMALARI

Lazer ışığının zamansal ve uzaysal uyumluluk, yönlendirilebilirlik, parlaklık, yüksek elektromanyetik güç gibi önemli özelliklerinden dolayı, günümüz teknolojisinin pek çok alanında lazer kullanılmaktadır.

Lazer, kuantum elektroniği prensiplerinin gereği olarak uyumlu elektromanyetik yayılma yapan bir fiziksel olayı tanımlar. Elektromanyetik enerji, gaz (Amonyak, Neon, ve Helyum) atomlarının uyarılmaları sonucu, elektronların yörünge değiştirmeleriyle ortaya çıkar, lazer ışınımı için gerekli enerji, bir lazer pompası ile gerçekleştirilebilir. Optik yöntem, elektron çarpışması metodu veya kimyasal pompalama yöntemleri, lazer pompası olarak kullanılan tekniklerden birkaçıdır. Işımayı kontrol görevi için lazer ortamına çoğunlukla yabancı maddeler ilave edilir. Uyumlu olmayan görünen ışık, maddelerin yüksek sıcaklıklarda (elektrik ampullerinde olduğu gibi) ısıtılmaları neticesinde ortaya çıkar. Lazeri çok basit olarak ışığın uyarılarak kuvvetlendirilmesi şeklinde ifade edebiliriz.

Lazer ışığının en önemli özellikleri şunlardır:

1.      Parlaklık

2.      Yönlendirilebilirlik

3.      Zamansal ve uzaysal uyumluluk

4.      Tek renklilik ve yaklaşık olarak tek bir frekansta emisyon

5.      Çok yüksek şiddette elektromanyetik alan gücü

4.1 LAZERİN UYGULAMA ALANLARI

Yukarıda kısaca sözü edilen özelliklerden dolayı, lazerin günümüzde, teknolojinin hemen hemen bütün alanlarında uygulama imkanları mevcuttur. Biz burada en yaygın sahalardan bazı örnekler vereceğiz. Şu hususu belirtmekte fayda vardır; halen en çok araştırma yapılan konulardan birisi lazer olduğundan, yakın bir gelecekte, çok daha yeni uygulama sahaları çıkacağı muhakkaktır.

a. Tıp: Lazer enerjisi doku veya organ üzerine verildiğinde enerjinin bir kısmı yansır veya dağılır. Diğer bir kısmı da, ya emilir ya iletilir. Enerjinin etkisi; dalgaboyuna, güç yoğunluğuna (W/ ), uygulama süresine, zamana bağlı karakteristiklerine ve dokunun özelliklerine sıkı sıkıya bağlıdır.

Göz, diş, deri ve diğer tüm ameliyatlarda bugüne kadar yapılan deneyler çok başarılı neticeler verdiğinden, geniş bir uygulama alanı mevcuttur. Lazerin tıptaki, son on seneyi kapsayan uygulamalarını özet olarak şu şekilde ifade edebiliriz.

1)      Argon Lazer: Göz hastalıklarında ve ameliyatlarda

2)       Lazer: Cerrahide neşter olarak

3)      Yağ Lazer: Kanamaları durdurmada

4)      Helyum – Neon Lazer: Yara iyileştirmede ve ağrı tedavisinde uygulanmaktadır.

b. Kimya: Yoğun lazer ışığı, gayet yüksek seçici özelliği olan bir katalizör olup, çok küçük bölgelerdeki kimyasal bağların çözümlenmesine neden olabilir. Kimyasal analizlerde spektografi ile, bileşik cisimlerin çok hassas analizi ve molekül yapılarının etüdü yapılabilmektedir.

c. Uzay: Amerika’ nın uzay savunma sisteminin temeli, lazerin düşman roketlerini havada imhasına dayanmaktadır.

d. Haberleşme: Lazer her türlü haberleşmede, klasik yöntemlerden çok daha fazla kanal sayısı elde etme imkanı vermektedir. Lazer bilhassa optik fiberlerde, ışık kaynağı olarak, optik iletişimin temel öğesini oluşturmaktadır.

Yüksek fiberlerin en önemli özelliği, inanılmaz derecede yüksek kapasiteleridir. Elektrik sinyalleri fiber iletişimi için ışık dalgalarına çevrildiklerinden, dinlenilmelerine imkan yoktur. Fiberler aynı zamanda, her türlü parazit etkisinden muaftırlar.

Yarıiletken lazerlerde bir tek optik fiber üzerinden, binlerce telefon konuşması ve bilgi iletişimi, hem de çok hızlı bir şekilde yapılabilmekte ve kontrol edilebilmektedir.

Bazı optik fiber telefon sistemlerinde kullanılan yarıiletken lazerler,  1.7 gigabit/saniye (1gigabit=1 milyar bit) kuvvetinde sayısal sinyaller vermektedir.

e. Endüstri: Lazer ışını özelliklerinden dolayı; delik delmelerde, kaynaklarda vb. alanlarda kullanılabilir. Matbaalarda, teyp ve video kayıtlarında çok kullanılmaktadır. Ayrıca, yüksek gerilimdeki akımların veya arabaların hızlarının uzaktan ölçülmesi ve atmosferdeki kirlilik derecesini tespit edilmesi gibi uygulama alanları mevcuttur.

Modern lazerlerde lazer enerjisi, 0.03 mm’ den az çaplı bir nokta olarak odaklanabilir. Örnek olarak 1987 yılında, dünya endüstriyel lazer pazarının yaklaşık %40′ lık kısmı Amerikan, %35′ lık kısmı Japon ve %25′ lik kısmı ise Avrupa şirketlerinin olmuştur. Aynı yılda, lazer ve lazer sistemlerinin satışlarının toplam olarak 350 milyon Amerikan doları değerine ulaşmış olduğu tahmin edilmektedir. Bu satışlarda;  lazeri %55, YAĞ %40 ve diğerleri %5′ lik bir piyasa satış hacmine ulaşmışlardır. Dünyada yaklaşık olarak 205 şirket, lazer ve lazer sistemleri üretmektedir.

f. Askeri: Lazer ışığının özellikleri, mesafe ölçmede, hedef tespitinde ve silah yapımında lazer kullanımını cazip kılmaktadır.

Uydulara yerleştirilecek silahlar, diğer uydu ve cihazların yok edilmesinde kullanılabilir. Yakın bir gelecekte lazer tüfeklerinin, top ve tabancaların kullanılmasına hep beraber tanık olacağız. Lazer radar sistemleri, istenen hedeflere imhada yüksek bir hassasiyetle kullanılmaktadır.

Halen, milyon watt’ lık çok düşük frekanslı (ELF) bir radyo vericisi, bütün dünyaya yayılmış olan Amerikan denizaltılarıyla haberleşmeyi temin etmektedir. Üç harfli kodlanmış emirler, denizaltılara, daha detaylı haberleşme için ne zaman ve nerede su yüzüne çıkmalarının uygun olacağını bildirmektedir.

Amerika Bileşik Devletleri’ nin Wisconsin eyaletindeki sistemde, verici çok büyük bir X şeklinde yerleştirilmiş iki adet 14 mil’ lik kabloya akım göndermektedir. Kablolar yalıtılmış olup, uçlarda topraklanmıştır. Topraktan devresini tamamlayan akım, elektromanyetik dalga meydana getirmekte ve bu ELF sistem, milyon watt düzeyinde güç kullanılmaktadır. Bu gücün çoğu toprakta kaybolur ve sadece 2 W ‘lık kısmı sinyal ile gider. Bu sistemin aylık elektrik faturası 45.000 Amerikan dolarıdır. Efektif taşıma gücü küçük olduğundan, denizaltının, gönderilen mesajı çok dikkatle dinlemesi gerekir.

Denizaltı yol alırken asla haberleşme yapmaz. Çünkü bu durum, yerinin tespitine yardımcı olur. Fakat gelen haberleri alabilir.

Şu an geliştirilen yeni bir sistem sayesinde, denizaltılarının uzun sürelerle gizlendikleri yerlerde haberleşme imkanları vardır. Uydular aracılığıyla bu yeni sisteme göre gönderilen mavi lazer ışığı sayesinde, her türlü sinyali alabilirler.

Mavi Lazer, Northop şirketinin elektronik bölümü tarafından geliştirilmiş olup, gayet gizlidir. Aynı husus, mavi lazer uydusu SLCSAT (Denizaltı lazer haberleşme uydusu) için de geçerlidir. Amerikan Deniz Kuvvetleri, Ruslar ‘ın bu haberleşme kodlarını ele geçirmesini önlemek için, sıkı güvenlik önlemleri almaktadır.

1987 başlarında yapılan mavi lazer sisteminin ön test sonuçları şöyledir:  Açık, güzel bir günde, Kaliforniya eyaletinin San Clemente açıklarında, Amerikan Deniz Kuvvetlerinin USS Dolphin isimli denizaltısı Pasifik Okyanusu ‘na dalmış, deniz yüzünden 20.000-30.000 feet yüksekte uçan bir uçaktaki 80 W ‘lık sistemden gönderilen mavi lazer sinyali denizaltıya ulaşmıştır. Pentagon ‘un yaptığı açıklamaya göre, elde edilen nüfus derinliği çok iyi olup, değeri gizli tutulmuştur.

Ses, video ve bilgi kayıtları, lazer sistemleri ile, mikrodalga sistemlerine çok benzer biçimde, hava boyunca bir yerden diğerine aktarılabilir. Lazer sistemi ucuzdur ve çok geniş bir kanal kapasitesine sahiptir. Ayrıca, transmisyonun yapısından dolayı, bu sistemlerden bilgi sızdırmak veya çalmak çok zor olduğundan, lazer iletişim sistemleri güvenli bir ortam oluştururlar. Olumsuz bir yan olarak, lazer aktarımının, görüş hattı operasyonunu gerektirdiği ve kalın sis tabakası ve başka atmosferik koşullardan değişen derecelerde etkilendiği söylenebilir. Bütün kullanılabilir frekansların hali hazırda dağıtılmış olduğu ve dolayısıyla mikrodalga düzeninin kurulmasının olanaksız olduğu çok gelişmiş kentsel bölgelerde, bu işletim hemen başlatılabilir.

4.2 LAZER GÜVENLİĞİ

Birçok pratik lazer potansiyel olarak tehlikeli radyasyon salar. Tehlike derecesi, lazerin kullanıldığı yol işlemcinin tecrübesine bağlı olarak, çıkış karakteristiğine bağlıdır. Lazer tipleri ve kullanılma yolları oldukça çoktur ve değişkendir. Bu nedenle bütün lazer uygulamalarının aynı derecede kontrolü gerektirdiğini önermek mantıksızdır. Buna karşılık olarak aşağıda verildiği şekilde lazerlerin sınıflandırma sistemleri ortaya çıkmıştır.

Her bir sınıflandırma işlem görebilmeli ve lazer radyasyonunun sebep olabileceği yaralanmalarla ilgili bilgilerimizle tutarlı olmalıdır. Lazer radyasyonunun hasara sebep olduğu mekanizma, bütün biyolojik sistemler için aynıdır ve ısıl, termoakustik ve fotokimyasal işlemleri içerir. Bunların hangisinin sorumlu olduklarının derecesinin tespiti için lazer kaynağının dalgaboyu, atma süresi, görüntü boyu ve gücü ile enerji yoğunluğu gibi parametrelerin bilinmesi gerekir.

Zarara yol açan temel olay biyolojik sistem tarafından radyasyonun soğurulmasıdır. Soğurma atomik veya moleküler seviyede gerçekleşir ve  dalgaboyuna bağlıdır. Böylece hangi dokunun zarara uğrayabileceğini tayin eden esas olarak lazerin dalgaboyudur. Radyasyonun soğurulması sıcaklığın yükselmesine sebep olur ki bu da moleküler bağların kopması ve molekülün görevini yitirmesine yol açar. Sıcaklık yükselmesi demetin açık kalma süresi ve şiddetine bağlıdır ve bu bir yayılımcı açık kalma veya dozun metre kare başına Joule birimindeki ölçümüne götürür. Genelde zarar mekanizmasıyla açık kalma arasındaki karşılıklı bağıntılar çok karmaşıktır ve burada açıklanmayacaklardır.

Lazer radyasyonuyla ilgilenildiğinde vücudun en savunmasız parçası şüphesiz gözdür. Bunun temel sebebi göz merceğinin, gelen yönelmiş lazer demetini, dalgaboyu mertebesinde yarıçapa sahip dolayısıyla yüksek enerji yoğunluklu bir noktaya odaklayacak olmasıdır. Tehlike dalgaboyu bağımlıdır, böylece UV ve IR bölgesindeki radyasyon, kornea tarafından soğurulur ve ona zarar verir; görünür ve yakın kızıl ötesi bir retinal hasarı temsil eder. Korneadan retinaya şiddetli artış, gözbebeği alanının retinada oluşturulan görüntüye oranı ile yaklaşık olarak verilir. Tipik olarak gözbebeği 10-20 µm’ lik çaptaki retinal görüntüye karşılık gelen 5 mm çapındaki açılma yeteneğine sahiptir. Böylece ışıma şiddeti 2 ×  ile 5 ×  civarında bir faktör kadar artar. 50 MW/  ’lik bir şiddetin retina üzerine olacağı anlamına gelir. Retina üzerine gelen radyasyonun %5 ‘i (gözdeki) çubuk ve koniler içindeki pigmentler (boya maddesi özü) içinde soğurulur ve bir yanmaya ve gözün görme yeteneğini kaybetmesine yeterli olacaktır.

Lütfen alıntı yapıcağınız zaman siteyi kaynak gösteriniz!!!

*Lazerler ve Kullanım Alanları

etiketler : Absorbsiyon Olayı, Atom Lazerleri He-Ne Lazerleri, emisyon çeşitleri ve aberosyon, gaz lazerleri, İyon Lazeri-Argon Lazeri, kendiliğimden olan emisyon, kuantum çukuru lazerleri, lazer ışığının özellikleri, lazer tipleri, lazerler, lazerlerin çalışma prensibi, optik geri besleme, uyarılma ile olan emisyon, yarıiletken lazerler, Zenginleştirilmiş Yalıtkan Lazerler