Lazer-mazer Nedir? Özellikleri ve Kullanım Alanları

Uyarılmış ışınım yayınımı yoluyla ça­lışan ışık yükselticisi (İngilizce laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations’ın baş harflerinden) ve uyarılmış ışınım yayınımı yoluyla çok kısa dalga yükselticisi (İn­gilizce ma ser: Microwave Amplifica­tion by Stimulated Emission of Radiations’ınbaş harflerinden) [Türkçede laser ve maser biçiminde de yazılır]. Fizikçiler için lazer, elektromagnetik dalga yükselticisi (görsel dalga yayınlayıcısı) yada radar dalgaları yükselticisidir (görsel olmayan dalga yayınlayıcısı). Bununla birlikte, özel­likle iyice belirlenmiş bir renkte (tek renkli ya da tek bileşenli ışınım denen belli bir dalga boyunda) bir ışınım sağ­lamasından ve ayrıca yayınımın (emisyon) kenddiğinden değil de uyarmayla olmasından (buna uyardmış ya­yınım denir) dolayı lazer öbür yüksel­ticilerden (amplifikatör) ayrılır. Her ikisinde de uyarılmış bir ışınım yayınlanması söz konusu olduğuna göre, la­zer ve mazer, dkeleri bakımından bir­birine çok yakm aygıtlardır; araların­daki fark, bir lazerde ışınımın görsel olması ya da kızdaltmda (kızılötesi) bulunması, bir mazerdeyse ışınımla­rın görsel olmamasıdır (görsel bölgedekilerden daha büyük dalga boyla­rında).

Uyarılmış Yayınım

Her atom, her molekül,tayfını oluştu­ran, milimetreden daha kısa dalga boylarında ışık ışınımları verebilmek­tedir; ışınımlar biçiminde yayınlanan enerji, atom ya da molekül için bir enerji yitimine denk düşer. Bu enerji yitimi, iyi bilinen fizik yasalarıyla be­lirlenir; Özellikle bir atomun enerjisi ancak, bu atomun belirgin özellikleri­ne bağlı olarak tanımlanmış W t, W ₂, Wî, vb. değerlerini alabilir ve bu atom ancak belirli miktardaki enerji­leri (W₂-W,, W₃-W,, W3-W₂, vb.) soğurarak ya da vererek enerji du­rumlarım değiştirebdir. Bir enerji yi­timine denk düşen her durum değişik­liği, bir enerji taneciği ya da foton de­nen büyüklüğün yayınlanmasına yol açar. Bu taneciğe elektromagnetik bir dalga denk düşer. Sözgelimi, atom, W2 enerji durumundan Wı durumu­na geçtiğinde (W₂ > W,) enerjisini (yayınlanan fotonun enerjisi) yitirir (W₂-Wı). Buna dişkin dalga, aşağıda­ki bağıntıyla verilen f frekansıyla belirtilebidir.f = (W-W, )/h; buradaki h, Planck değişmezidir (h = 6,62. 10 ³⁴ J.sn.). Aynı biçimde, bir atom, taneci­ğin (hf) enerjisi, bu atomun iki enerji düzeyi arasmdaki farka eşit olmak ko­şuluyla, bir foton soğurabdir. Sözge­limi, yukarda göz önüne alman durum için hf = W₂ -Wı ise, atom büyük bir olasılıkla fotonu soğuracak ve enerji­si W i değerinden W₂ değerine geçe­cektir (Çiz.l). Böyle olduğunda atom, soğurmuş olduğuna eş bir foton yayın­layarak kenddiğinden ve hemen Wı başlangıç durumuna döner. Bu olay­larda söz konusu olan dalgaların fre­kansları (hiperfrekanslar) 10⁹ Hz ile 10¹⁴ Hz arasında bulunur (ışık ışınım­larının frekansları).İlgi çekici bir özel durum, tam olarak (W₂-Wı )’e eşit (hf) enerjili fotonun, daha önce uyarılmış olan ve W₂ ener­ji durumunda bulunan bir atomla çar­pışmasıdır (Çiz.2): O zaman fotonun, atomun uyarılmasının durdurulması­na ve böylece kendine eş bir fotonun yayınlanmasına yol açma olasılığı vardır (çünkü kendi enerjisi W₂ -W, ’e eşittir). Atomdan, aynı frekansta ve üstelik tamamen aynı fazda iki dalga­nın ilişkin olduğu iki foton ayrılır (Çiz.3). Bu durumda, fotonun yayını­mı uyarılmıştır.

Uyarılmış Yayınımı Uygulaması

Bu özellikten yararlanarak bir üreteç (jeneratör) yapmak için, belirli bir maddeden çıkan fotonlarm sayısının çok büyük ve bu maddeye giren foton­larm sayısının çok üstünde bulunma­sı gerekiyordu. Uyarılmış yayınımın soğurulmayı geçmesi için de bir yük­seltmenin elde edilmesi zorunluydu. Bu durum aşılması gereken iki büyük güçlük ortaya koyuyordu. Çünkü ci­simler en küçük enerji durumlarında, öbür durumlara oranla çok daha faz­la atom bulundururlar (burada nor­mal durum söz konusudur). Demek ki, genel olarak soğurma üstün gelmek­te ve yükseltme gerçekleşmemektedir. Bununla birlikte, iki çözüm olasılığı vardır: Uyarılmış atomlarla öbür atomları birbirlerinden ayırmak ya da fotonlarm gelmesinden önce atomla­rı uyarmak (bu durumda, cismin ener­ji düzeylerinin elektron dağüımmı ter­sine çevirmek söz konusudur).

Daha basit olan birinci çözüm, 1954’ten sonra amonyaklı mazerlerde kullanıldı. Uyarılmış durumdaki moleküllerin ayrımı bir elektrik alanı yardımıyla yapılmaktadır (normal du­rumlarda bulunan moleküllerin tersine, uyarılmış moleküller, alanın en zayıf olduğu bölgelere doğru itilirler). Bu moleküller yükseltme işleminin, sözgelimi bazı fotonlarm gelmesiyle, başlatıldığı bir oyuk içine gönderilirler. Bu oyuğun boyutları bir rezonans olayı meydana gelecek biçimde öngörül­müştür: Yayınlanan fotonlar, başka fotonların yayınlanmasını sağlarlar. Elde edilen dalgaların frekansı 4.10⁹Hz’e yakın, toplam enerjisi de başlangıçtaki gerekli foton enerjisin­den 100 kez daha büyük olmaktadır (Çiz.4).

İkinci çözüm bazı mazerler ve lazer­lerde kullanılmıştır. Yakutlu mazerlerde, yakuttaki krom atomlarının üç W,, W₂, W₃ (W,< W₂< W₃) enerji durumları arasında değişebüme ola­yından yararlanılır (Çiz.5). Ayrıca, ya­kutun bir magnetik alan içine konmasıyla W, veW₂ enerji düzeyleri “dışlanabilir”. Ek bir hiperfrekans üreteci W, düzeyindeki atomların çoğunun W3 düzeyine geçirilmesi için gerekli enerjiyi sağlar. Bu atomlar hemen da­ha sonrası için herhangi bir etki oluş­turmayacak ışınımlar yayınlayarak W₂ düzeyine dönerler. Billurun çok düşük sıcaklıkta tutulmasıyla atomla­rın Wî durumunda bir süre kalması­na çalışılır. Saniyenin 150 binde biri kadar bir gecikmeyle bu atomlar, öte­ki atomların uyarılmasının durdurul­masını sağlayacak fotonları yayınla­yarak Wı düzeyine geçerler; bu fo­tonlar rezonans oyuğu içinde uygun düzenlemelerle ne kadar “yavaşlatılırsa”, uyarılması durdurulan atomla­rın sayısı da o kadar fazla olur. Yük­seltme 10 000’e erişebilir. Yayınım, elektriksel bir sinyal aracılığıyla sağ­landığında aygıt, yükseltici, yani amp­lifikatör olarak kullanılmış olur. İşle­yişin düşük sıcaklıkta olması nedeniy­le atomların hareketinden ileri gelen fon gürültüsü en aza indirgenir (aygı­tın işleyiş biçimi, klasik amplifikatör­lerde rahatsız edici olan, elektronla­rın rasgele hareketlerinin yol açtığı fon gürültüsünü yok etmektedir). Böylece endüşük güçteki sinyaller (10′²⁵ 10″²⁷ watt) alınabilmekte, fon gürül­tüsü artık bunları gizleyememektedir. Bu durum, uydulardan gelen sinyalle­rin yükseltilmesinde mazerin öbür amplifikatörlerden önce kullanılması­nın nedenini açıklar.

Kısa Dalga Boyları

Daha yüksek frekanslardaki dalga üreteçleri elde etmek için fizikçiler mazeri bırakarak lazeri kullanmaya başladılar. Çok kısa dalga boyundaki dalgalar için, yeteri kadar küçük re­zonans oyuğunun düzenlenmesi olana­ğı bulunmadığından, bir yükseltme meydana getirmek üzere dalgalar, yalnızca, birbirine tam paralel iki yansıtıcı arasında çok sayıda yansıtılımaktadır. 694,3 nanometre dalga bo­yundaki kırmızı bir ışınımın yükseltilmesini sağlayan yakutlu lazerde krom iyonlarının üç farklı enerji durumuna (W,, W2 ve W₃) getirilebilme özelli­ğinden de yararlandır. Bu üç düzey daha önce söz konusu olan duruma oranla birbirlerinden daha uzaktadır­lar, çünkü fotonların enerjileri iyice yüksektir. Billur yeşil ve mor renkli bir ışınımla aydınlatüarak W i ve W 3 düzeyleri arasında elektron dağılımının tersine çevrilmesi olayı meydana getirilir: Bu, optik pompalama olayı­dır ve A. Kastler’in Nobel Ödülü’nü kazanmasını sağlamışür. Atomlar kır­mızı bir ışınım yayınlayarak hızla W₂ ara düzeyine, daha sonra da W’_t dü­zeyine dönerler. Billurun yansıtıcı yü­zeyleri bulunduğundan, fotonlar bil­lurdan pek çok kez geçerler ve gitgi­de artan uyarılmış yayınımlara yol açarlar.

Öbür Lazer

Helyum-neonlu lazerler ve yarı iletken lazerler gibi, ilke bakımından biraz farklı olan başka lazerler de düzen­lenmiştir.

Helyum-Neonlu Lazer

Belli bir W₂ enerjisi bulunan bir helyum atomu, bu enerjiyi ışınım yoluyla de­ğil de, yalnızca aynı W₂ enerji düze­yine geçebilecek bir başka atomla çarpışma sırasında yitirebilir.Neonun böyle bir W₂ düzeyi bulunmakta, ay­rıca (W₂ -W 1) kırmızı bir ışık fotonunun enerjisi olacak biçimde bir alt W t düzeyi bulundurmaktadır. Helyum yüksek frekanslı bir aydınlatmayla ya da gaz içinde gerçekleştirilen bir elek­trik boşalımı yoluyla W₂ düzeyine çıkarılacak olursa, işlev, yakutlu lazerinkine benzer. Böyle bir aygıtın ve­rimi % 0,1’i hiçbir zaman geçmez. Bu nedenle “gazlı” denen bu lazer türünün geliştirilmesine özen gösterilmek­tedir: Karbon dioksitli lazerin, % 15’e erişen bir verimi vardır.

Yarı-İletkenli Lazer

Bunlar­da, yarı iletkerili maddeden bir P-N bağlanüsıyla(jonksiyon)P bölgesinden N bölgesine doğru bir akım geçirildi­ğinde (doğru yön),yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) bağlantı dü­zeyinde yeniden birleşmeleri sırasın­da enerjinin ışınım biçiminde kaybolması olayından yararlanılmaktadır. Bu ışınım lazer olayım oluşturarak başka elek tron-delik birleşmelerini sağ­layabilmektedir. Yarı-iletken galyum arsenyür olduğunda ışınım görseldir. Akımın bağlantı düzeyindeki yoğunlu­ğu çok büyük olmalıdır (yaklaşık 100 A/mm’). Yarı-üetkenin iki yüzü yansı­tıcı yapüarak, gerçek bir yükseltme ortaya çıkmaktadır.

Verim Ve Özellikler

Bu tür aygıtların verimi çok iyidir. Ya­yınlanan ışınımın dalga boyu 850 nanometreye yakındır; dalga boyu yarı­iletkenin kimyasal bileşimine ve sıcak­lığına bağlıdır. Çıkış gücü, bağlantı akımı (pompalama akımı) ayarlanarak düzenlenebilmektedir. P-N bağlantısı içermeyen başka yarı-iletkenli lazer­ler de vardır: Elektronlar delikleri doldurduklarında ışınım yayınlanır. Bir lazerin yayınladığı ışığın dört özelliği bulunur: Şiddeti; yönelmesi; faz uyu­mu; tekrenkli (tekbileşenli) olması. Optik bir sistemle uygun bir biçimde toplanmış olan yakutlu bir lazerin it­me etkisi, aygıtın ortalama enerjisi ol­dukça zayıf olduğu halde, üç dört mi­limetre kalınlığındaki bir gümüş lev­hayı delebilmektedir (gerçekten de la­zerin işleyiş süresinin bir optik pompalama süresiyle yayınlanma sü­resinden oluştuğu unutulmamalıdır). Dalgaların hepsi aynı fazda olduk­larından, darbenin şiddeti büyük­tür.

Lazerin Kullanılması

Lazerin teknik uygulamaları son de­rece çeşitlidir. Bu çok kuvvetli ve yön­lenmiş kaynak, Ay’a olduğu kadar uy­dulara da erişilmesini sağlamaktadır. Çok kısa süreli aydınlatmalar (10 ” sn’ ye kadar) son derece hızlı olayla­rın (sözgelimi, kimyasal tepkimeler) fotoğraflarının çekimim olanaklı kılar. Bir lazer demetinde yoğunlaşan çok büyük güç, askeri (füzelerin yok edilmesi) ve sanayi alanlarındaki uygula­malara olanak verir. Lazerin sanayi alalımdaki kullanımları arasında, çok sert maddelerin delinmesi, çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı cisimlerin ergi­mesi, rotorların artık maddenin böl­gesel buharlaşmasıyla dengelenmesi sayılabilir. Lazer demetinin faz uyumluluğu, Yer-Ay uzaklığı gibi çok büyük uzaklıkların ölçülmesini (kullanılan ilke radar ilkesidir: Hedef üstüne bir yansıtıcı yerleştirilip ışığın gidiş dö­nüş süresi ölçülür), orta uzaklıkların ölçülmesini (tank ve uçak telemetre­leri, nirengi noktası hesapları; en doğ­ru yöntem, yayınlanan ve alınan dal­galar arasmdaki faz farkının ölçülme­sine dayamr) ve çok kısa uzaklıkların ölçülmesini (kıtaların kayması, uzak­taki bir nükleer patlamanın yol açtığı titreşimler; bu durumda girişim ölçümü yöntemlerinden yararlanılır) sağ­lar. Lazer, füzelere ya da makinelere yön verilmesinde de kullanılır. Sözge­limi, bir metro tünelinin açılması bir lazer demetiyle yönetilen bir makiney­le gerçekleştirilebilir; bir kumaşın kesimi lazerle yapılabilir (demetin yer değiştirmesi bu durumda bir bilgisayarla yönetilir). Lazer, kabartmalı fotoğrafların elde edilmesini ya da bilgilerin ferro-elektrik bir billur üstüne kaydedilmesini sağlamakta (holografik bellekler), telekomünikasyonda (video sinyallerinin iletilmesi) ve fizikte (plazma yapımı) kullaıulabümektedir. Tıp alanındaysa lazer özellikle ilgi çekici uygulamalara yol açmaktadır. Bazı maddelerce (gözdibi dokusu ve soğurucu niteliği kazandırılmış olan bazı tümörler) soğurulan lazer demeti deriden, yağ dokularından ve kaslardan, hiçbir zarar vermeden geçebilmektedir. Lazer, herhangi bir ameliyat gerekmeksizin bazı iç hastalıklarının tedavisini sağlar. Kuşkusuz, dalga boyunun seçimi önemlidir; yakutlu lazer (694,3 nm) sözgelimi ağtabaka aynlmasınm tedavisine uygundur. Diş çürükleri, çürüğün üstüne amnda yok eden güçlü ve çok kısa süreli bir lazer demeti toplayarak, acısız ve uyuşturmadan tedavi edilebilmektedir. Ayrıca, çürük olmaya elverişli çatlağın ya da kırığın bulunduğu bölgeler de aynı biçimde yok edilir. Bazı cilt kanserleri de lazer ışınlarıyla yok edilmektedir. Biyolojide lazer demetinin inceliği, bazı hücre çekirdeklerinin (kan yuvarları) üstünde etkili olunmasını sağlamakta ve sözgelimi kromozonlara ulaşılmasında önemli rol oynamaktadır.