Lazer

Lazer (İngilizce: Laser) ışığın uyarılmış radyasyon ile yükseltilmesini sağlayan bir optik düzenektir. İsmini "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" kelimelerinin baş harflerinden alır ve bu, "ışığın uyarılmış ışıma ile yükseltilmesi" anlamına gelir. İlk lazer, 1960 yılında Theodore Maiman tarafından Charles Townes ve Arthur L. Schawlow'un teorileri baz alınarak üretilmiştir. Lazerin ışıktan daha düşük mikrodalgafrekanslarında çalışan versiyonu olan "maser" (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ise Townes tarafından 1953 yılında bulunmuştur.

Lazerler, fotonları uyumlu bir hüzme şeklinde oluşturur. Lazeri diğer ışık kaynaklarından ayıran ana özellik lazer ışınının "uyumlu" (coherent) olmasıdır: bu ışık hüzmesinin çok ufak bir bölgeye odaklanabilmesini ve tek renk ışık üretilebilmesini sağlar. Lazerler aynı zamanda femtosaniye darbeler ("ultra kısa darbe") üretebilmektedir.

Lazerin ana çalışma prensibini oluşturan uyarılmış ışıma konsepti ilk olarak 1917 yılında Albert Einstein tarafından öne sürülmüştür. 1960 yılında Theodore Maiman yakut kristalinden lazer ışımasını elde etmiş ve lazerinin varlığını kanıtlamıştır. Günümüzde lazer ışını endüstriyel süreçlerde, mühendislik alanında, tıpta, bilimsel araştırmalarda, meteorolojide, fiber optik iletişim, holografide ve savunma donanımlarında kullanılmaktadır.

Lazer kelimesi "ışığın uyarılmış ışıma ile yükseltilmesi" tamlamasının İngilizce bir akronimi olarak ortaya çıkmıştır. Bu kullanımdaki ışık kelimesi sadece görünür ışığı ima etmez; elektromanyetik spektrumun farklı bölgelerine tekabül eden frekanslar için lazerler üretilebilir. Bunlara kızılötesi lazerler, morötesi lazerleri, X ışını lazerleri ve varsayımsal gama ışını lazerleri örnek gösterilebilir. Lazerin mikrodalga ve radyo frekansı tayfında çalışan versiyonları daha önce üretildiğinden bu aygıtlar mikrodalga veya radyo lazerlerinden ziyade maser olarak bilinmektedir. Eski teknik literatürde lazerler "optik mazerler" olarak biliniyordu; bu terim günümüzde kullanılmamaktadır. Lazer teriminin kendisi fizikçi Gordon Gould tarafından bulunmuştur.

Kendi başına ışık üreten lazerler teknik olarak optik yükseltgeçlerden ziyade optik osilatörlerdir. Bu nedenle mizahen "loser" ("light oscillation by stimulated emission of radiation") kısaltmasının daha doğru olduğu öne sürülmektedir. İngilizce'deki "to lase" (ışımak) fiili ise bu terimden gelmiştir ve lazer fiziği literatüründe sıklıkla kullanılmaktadır.

Lazerin temeli atom veya molekül enerji düzeyleri arasındaki elektron geçişleri ile oluşan ışık fotonlarına dayanır; bu temelde bir kuantum teorisidir. Bir atomun iki enerji düzeyi ve olsun ve farzedelim. Minimum enerji ilkesine göre atom veya moleküller düşük enerji seviyesinde olmak istediklerinden seviyesindeki elektron kendiliğinden seviyesine inecektir. Ama bu sırada enerjisi olan bir foton salar. Burada fotonun frekansıdır. Eğer elektron bu salınımı kendiliğinden yaparsa salınan fotonun yönü tamamen rastgeledir; bu fotonun yayılımına "kendiliğinden ışıma" (spontaneous emission) adı verilir. Ancak eğer düzeyindeki elektron enerjisindeki başka bir fotonla etkileşerek 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. Uyarılmış ışımada çıkan foton asıl foton ile uyumlu veya "koherenttir" (coherent): bu, iki fotonun aynı frekans, faz ve polarizasyona sahip olduğunu ifade eder.

Çok sayıda atomdan oluşan bir sistemde ise başlangıçta atomlar en alt enerji düzeyinde bulunduklarından bir şekilde atomların düzeyine çıkarılması gerekir. Bu pompalama ("pumping") olarak adlandırılır. Ayrıca ve arasındaki geçişten lazer ışığı elde edebilmek için atomların düzeyinde kalma süreleri düzeyinde kalma sürelerinden uzun olmalıdır. Ancak bu şekilde düzeyinde bulunan atomların sayısı daima artacaktır. Bu ilke nüfus terslenmesi (population inversion) olarak bilinmektedir. Nüfus terslenmesi olmadan lazer operasyonu gerçekleşemez. İki düzeyli atomik sistemlerde nüfus terslenmesi gerçekleşememektedir; bu nedenle yaygın olarak üç veya dört düzeyli lazer sistemleri kullanılır. Lazer düzeylerindeki uyarılmış ışıma Einstein katsayıları ile modellenebilir.

Lazer ışıması bir Gauss ışını olarak hesaplanabilmektedir. Uyumlu ışıklar Hermite-Gaussian modlarının toplamı olarak yazabilir; bu modlar Helmholtz dalga denkleminin paraksiyal yakınsama ile çözümü aracılığı ile elde edilir. Silindirik koordinatlarda simetrik olan ışınlar için ise Laguerre-Gaussian modları kullanılır ve bu modlar genel Laguerre polinomları cinsinden yazılır.

Lazerde nüfus terslenmesinin gerçekleştiği ortam "kazanç ortamı" (gain medium) olarak bilinmektedir. Bu ortamın pompalanma yöntemi lazer tipine göre değişiklik gösterir: birçok lazer tipi başka dalga boyunda bir ışık ile pompalanabilirken (optik pompalama), lazer diyotlarında elektrik akımı kullanılır. Kazanç ortamında kuvvetlenen ışığın salınabilmesi için bir optik kovuğa yerleştirilmesi gerekir; lazer ışını bu kovukta yansıma yaparak rezone olur. Birçok lazerde Fabry-Pérot interferometresi ya da halka kovuğu tarzı konfigürasyonlar kullanılır. En basit kovuk konfigürasyonu olan Fabry-Pérot interferometresinde ışık birbirine paralel ve kısmen yansıtıcı iki ayna arasında yansıma yapar. Tercihen rezonans grafiğinin sivri olması beklenir: bu şekilde lazer renk spektrumu açısından daha seçici olur. Bu sivrilik kalite faktörü ile gösterilebilir. Nitrojen lazeri gibi bazı lazer tiplerinde ise kovuk kullanılması gerekmez. "Foton ömrü" (photon lifetime) kavramı ise optik kovuk teorisinden çıkmıştır ve lazerin salınım eşiği için önem arz eder. Kovuk formülleri kullanılarak lazer kazancı hesaplanabilir.

Lazerler, uygulamalarına göre ışığı sürekli bir ışık hüzmesi ya da bir ışık darbesi şeklisinde gönderebilir. "Sürekli dalga lazerlerinde" (continuous-wave laser ya da CW laser) sürekli bir pompalama ile emisyonun ve kayıpların dengelenmesi gerekir. Darbe lazerler ("pulsed operation") ise ışığı çok kısa süreli ama kuvvetli darbeler ve nabızlar halinde gönderir. Lazerlerde darbe operasyonu farklı şekillerde gerçekleştirilebilir: iki yaygın metod Q-anahtarlaması (Q-switching) ve mod-kilitlemesidir (mode-locking). Q-anahtarlamasında düşük kalite faktörlü bir kazanç ortamı pompalanır; bu durumda kazanç faktörü eşiğin altında olduğundan ışıma olmaz ama büyük oranda nüfus terslemesi gerçekleşir. Kovuğun kalite faktörü aniden arttırıldığında ani ve kısa süreli bir ışıma darbesi tetiklenebilir. Q-anahtarlaması sürekli dalga lazerleri ile aynı etkinlik seviyesine ve ortalama güce sahiptir; buna karşın Q-anahtarlamasında lazerin darbe genişliği çok daha küçüktür. Mod-kilitlenmesi ise lazerin rezonant kovuğundaki salınım modlarının fazlarının kilitlenmesi ile sağlanır: aynı fazlı bu modların üst üste gelmesi çok küçük bir darbenin oluşmasını sağlar.

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 cıva ark lambası pompalama için sıkça kullanılır.

Alexandrite lazer: Yakut ile aynı spektroskopiye sahiptir ve 1973 yılında 680 nm dalga boyunda lazer ışığı veren üç düzeyli lazer olarak yapıldı. Bununla birlikte, son zamanlara daha uzun dalga boylu lazer elde edildi ve dört düzeyli lazer pompalama belirtgenleri gösterdi. Bundan başka, lazer dalga boyu 700-820 nm arasında değiştirilebildi. Bu özellik ayarlanabilen lazerin ilk örneği oldu.

Yarı iletken 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 elektronlar geniş bantlı 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 lazer geçişi 3,39 μm, 1,15 μm, 632,8 nm, 543,5 nm dalga boylarına sahiptir. Her geçişin başlama veya sonlanma düzeyleri ortaktır. Buna göre geçişler birbirleriyle adeta yarışırlar, istenmeyen dalga boylarına karşı dikkatli önlemler alınmalıdır. Çoğu kez amaçlanan hedef, gereksinen lazer hücresini, sadece istenen dalga boyunda yansıtıcı yapmaktır.

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.

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

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

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 bir aletle ölçülür.

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.