Lazer Tekniği

[Constantin]

LASER TEKNİĞİ

Atom üzerine düşen bir fotonun yukarıya doğru (uyarılmış soğurma) ya da aşağıya doğru (uyarılmış yayınlama ) atomik geçişlere sebep olur. Sözü edilen her iki geçiş de eşit olasılıkla olur.

Termal dengedeki atomlardan oluşan bir sisteme ışık düşürüldüğünde,taban durumunda bulunan atomların sayısı uyarılmış atomlarda bulunanlardan çok daha fazla olduğundan genellikle net bir soğurma enerjisi söz konusudur. Yani,normal olarak foton soğurabilecek E1 enerji düzeyindeki atom sayısı,foton yayınlayabilecek E2,E3... enerji düzeylerindeki atom sayısından çok daha fazladır.
Durum böyle olmakla birlikte,uyarılmış bir durumdaki atom sayısı taban durumundakinden daha fazla olacak şekilde sistem tersine çevrilebilirse,net olarak foton yayınlanması elde edilebilir. Böyle bir durumun oluşturulmasına nüfus terslenmesi denir. Bu aslında, bir laserin işletilmesindeki temel prensiptir. Laser kelimesi uyarılma ile yayınlamada ışık yükseltilmesi anlamına gelen ingilizce kelimelerin baş harflerinden türetilmiştir(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Buradaki yükseltme, zincirleme olaylar sonucu sistemden yayınlanacak foton sayısının arttırılması anlamını taşımaktadır.
Laser işleyişinin gerçekleşebilmesi için aşağıdaki üç şartın sağlanması gerekir:
Sistem,bir nüfus terslenmesi durumunda bulunmalıdır(yani uyarılmış bir durumda,taban durumundakinden daha fazla atom olmalıdır).
Sistemin uyarılmış durumunu yarı kararlı(metastable) bir durum olmalıdır. Böyle bir durumun ömrü,çoğunlukla kısa olan uyarılmış durum ömürleriyle karşılaştırıldığında daha uzundur. Böyle durumlarda uyarılmış ışıma,kendiliğinden ışımadan önce olur. Yayılan fotonlar diğer uyarılmış atomlardan uyarılmış ışıma yaptırmaya yetecek kadar uzun süre sistem içerisinde tutulmalıdır. Bu durum, sistemin uçlarına yansıtıcı aynaların yerleştirilmesi ile sağlanır. Uçlardan birisi tamamen yansıtıcı olur,diğer uç ise laser demetinin çıkışına izin verecek şekilde biraz geçirgen yapılır.
Uyarılmış ışınım yayan cihazlardan birisi helyum-neon gaz laseridir . Bu sistemdeki neon atomunun enerji düzeyleri diyagramı Şekil 1.'de gösterilmektedir. Uçları aynalar yardımı ile hava geçirmez şekilde kapatılmış olan bir cam tüp helyum-neon karışımı ile doldurulur. Tüpe bağlı bir osilatör yardımıyla elektronlar tüp içerisinde sürüklenerek gaz atomlarıyla çarpıştırılır ve atomlar uyarılmış durumlarına çıkarılır. Hem bu süreç yardımıyla hem de uyarılmış helyum atomlarıyla çarpışmaları sonucunda neon atomları E3 durumuna uyarılırlar.
Neon atomları E3 düzeyinden E2 düzeyine bir geçiş yaptığında otaya çıkan ışınım üst enerji düzeylerindeki komşu neon atomlarını etkileyerek ışımaya zorlar. Bunun sonucu olarak 632.8 nm dalga boylu bir koherant ışıma oluşur.
İlk laserin 1960 yılında geliştirilmesinden buyana laser teknolojisinde çok büyük gelişmeler olmuştur. Günümüzde,kızıl ötesi ,mor ötesi ve görünür bölgelerdeki dalga boylarında laser ışığı elde edilebilmektedir. Uygulama alanları çok geniş olan laser yırtılmış retinaların cerrahi müdahale ile birleştirilmesi,ayrıntılı olarak yüzey ve uzunluk ölçümü,nükleer füzyon reaksiyonlarını başlatmak için potansiyel bir kaynak oluşturulması,metal ve diğer malzemelerin hassas kesimi ve fiber optik üzerinden telefon haberleşmesi gibi işlerde kullanılmaktadır.
Bu uygulamalar ve burada belirtilmeyen diğer uygulamalar yalnız laser ışığında var olan özellikler dolayısıyla yapılabilmektedir. Tek renkli olma ve koherant olma özelliklerinin hayli iyi olması yanında,laser ışığı aynı zamanda son derce iyi yönlendirilebilme ve son derce şiddetli ışıklı bölgeler oluşturacak şekilde odaklanabilme özelliklerine de sahiptir .

HOLOGRAFİ
Laserin en ilginç ve değişik uygulamalarından birisi,holografi yöntemiyle bir cismin üç-boyutlu görüntülerinin elde edilmesidir. Bir hologramın nasıl oluşturulduğu Şekil 2.'de gösterilmektedir. Laser den çıkan ışık yarı gümüşlenmiş bir B aynası yardımıyla ikiye ayrılır. Demetin yarısı fotoğrafı alınacak cisimden yansıtılır ve yansıyan ışığın kullanılan F fotoğraf filmi üzerine düşmesi sağlanır. Demetin diğer yarısı L2 merceği yardımıyla dağıtılıp,M1,M2 aynalarından yansıtılarak sonuçta aynı F fotoğraf filmi üzerine düşürülür. İki demet F filmi üzerinde son derce karmaşık bir girişim deseni oluşturacak şekilde üst üste gelir. Böyle karmaşık bir girişim deseni film üzerine gelen iki dalganın fazları arasındaki bağıntının sabit kalması şartıyla çekim yapılması sırasında oluşturulabilir. Bu da ancak laser ışığı kullanmakla sağlanabilir çünkü laser ışığı koherenttir(demetteki fotonların temsil edildiği dalgaların tümü aynı faza sahiptir). Böylece oluşturulan hologram sadece cisimden saçılan ışığın şiddetini kaydetmekle(alışık olduğumuz bir fotoğraftaki durum) kalmaz aynı zamanda referans demetiyle cisimden saçılan demet arasındaki faz farkında kaydeder. Bu faz farklılığı nedeniyle tümüyle üç-boyutlu perspektife sahip bir görüntü oluşturan girişim deseni elde edilir.
Üzerine resim kaydedilmiş bir hologram filminden koherent ışık geçirerek filmin arkasından ışık demetinin geldiği doğrultuya bakılırsa hologramda görülecek resim görüntüsü en iyi şekilde görülür.

FLUORESANS VE FOSFORESANS
Bir atom,foton soğurarak uyarılmış bir duruma çıktığı zaman,bazı ara durumlarda bir süre kaldıktan sonra taban durumuna geri döne bilir. Böyle bir olay sonucu atomun yaydığı fotonların her birinin enerjisi ve dolayısıyla frekansı, soğurduğu fotonun enerjisinden daha küçüktür . Başka bir deyişle burada yayılan fotonların her birinin frekansı soğurulan fotonun frekansından küçük olur. Bu yolla mor ötesi ışığı görünür ışığa dönüştürmeye fluoresans denir.
Fluoresans ışığı olarak bilinen ışığın fluoresan lambalarda elde edilişi şu prensibe dayanmaktadır. Fluoresans ışığın elde ediliş sürecini şöyle açıklayabiliriz: Bir tüpün ucundaki flamanın yeterince yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasıyla tüp içerisinde elektronlar üretilir. Bu elektronlar uygulanan bir gerilimle hızlandırılır ve tüp içinde bulunan civa buharı atomları ile çarpışmaları sağlanır. Çarpışmalar sonucunda bir çok civa atomu uyarılmış durumlarına çıkar. Uyarılmış atomlar normal durumlarına dönerken mor ötesi fotonlar yayar. Bu fotonlar fosforla kaplanmış tüpün iç yüzeyine çarparak soğurulur ve fluoresans süreci sonucunda görünür ışık yayınlanır. Tüpün iç yüzeyinin farklı fosforlu maddelerle kaplanması farklı renkte ışık yayınlanmasına neden olur . "Serin beyaz" denen fluoresan ampulü görünür
renklerin yaklaşık tümünü yayar,dolayısıyla verdiği ışık oldukça beyazdır. "Ilık beyaz" denen fluoresan ampulleri ise kırmızı ışığı daha fazla yayan bir fosfor maddesine sahiptir ve bu nedenle kırmızıya kayan beyaz bir parlaklık oluştururlar. Bir marketin gıda maddeleri bölümünde et tezgahlarının üzerindeki ampullerin ete daha kırmızı bir renk vermek için ılık beyaz olanlardan seçildiğine dikkat etmek ilgi çekicidir.
Hastanelerin muayene kabinlerinde bulunabilecek çok kullanılan iki fluoresan madde ,Murine göz damlası ve Pearl Drops diş macunudur. Eğer bu ürünler kullanılırda "karartılmış ışık" altında kullanıldığı yerlere bakılırsa, gözler ve dişler güzel sarı ışıkla parıldar. (Karartılmış ışık, bir miktar görünür mor ve mavi ışıkla birlikte mor ötesi ışık yayan bir lamba kullanmakla doğrudan sağlanır).