Laser
Laser, tek bir dalga boyunda ve renkte parlak ışık üreten bir alettir. Laserin verdiği ışık, genellikle yoğun, ince bir demet biçimindedir. Elektrik ampulleri ise, her yöne eşit derecede ışık yayar. Laser sözcüğü “Uyarılmış Işınım Yayımıyla Işık Yükseltimi" anlamındaki İngilizce “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” sözcüklerinin ilk harflerinden gelir. Olağanüstü şiddetle ışık üretilmesi düşüncesini ilk olarak 1958’de ABDTi bilim adamları Arthur Leonard Schawlow ve Charles Hard Townes ortaya attılar. Bu biçimdeki bir ışığın nasıl elde edilebileceğini kavrayabilmek için, önce çevremizdeki katı, sıvı ve gazları oluşturan atomların üzerinde durmalıyız.
Atomlar, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdeğin çevresinde dolanan elektronlardır; bunların hepsi çok küçük parçacıklardır.Olağan koşullarda, atom kararlı bir durumdadır. Ama eğer atom bir dış kaynaktan (elektrik akımı, parlak bir ışık, ısı kaynağı ya da kimyasal tepkime) enerji alırsa (soğurursa), bu enerji atom çekirdeğinin çevresinde dolanmakta olan elektronları “uyarır” ve bu elektronlar daha yüksek enerji düzeyindeki yörüngelere geçerler. Bu “uyarılmış” atom, kendi haline bırakılırsa, bir saniyeden daha kısa sürede olağan kararlı durumuna geri döner. Almış olduğu ek enerjiyi de, her yöne yayılan ışık biçiminde dışarı salar. Aleve kızıllığını veren ve flüorışıl boyaları (bu boyalar Güneş’ten gelen morötesi ışınları soğurduktan sonra görünür ışık biçiminde geri salar) sıradan boyalara göre çok daha parlak gösteren, kendiliğinden, yani doğal olarak gerçekleşen bu ışık yayımıdır.
Ama eğer uyarılmış atom, dalga boyu (bir başka deyişle rengi) kendisine tam olarak uygun düşen bir ışık demetine yerleştirilirse, enerjisini “kendiliğinden yayım” biçiminde değil de “uyarılmış yayım” biçiminde ve çok daha kısa bir süre içinde salar. Bu durumda atomdan salman ışık, yerleştirildiği ışık demetiyle aynı doğrultuda yol alır. Böylece, başlangıçtaki ışık demeti daha parlak bir hale getirilmiş, başka bir deyişle “yükseltilmiş” olur.
Her elementin atomunda yalnız o elemente özgü olan bir elektron yerleşim düzeni vardır; yani o elementteki atomların elektronları, belirli enerji düzeylerindeki belirli yörüngelerde dolanır. Bu nedenle her elementin atomu, yalnız o elemente özgü belirli renklerdeki ışığı soğurabilir, yayabilir ve yükseltebilir. Bu yüzden de her laser tipi, yalnızca belirli bir ya da iki renkte ışık verebilir.
Laser Türleri
Laserlerin çoğunda, aralarındaki boşlukta bol miktarda “uyarılmış” atom bulunan iki ayna vardır. Aynalardan biri, içinden az bir miktarda ışık geçecek biçimde yapılmıştır; böylece “uyarılmış” atomların “kendiliklerinden” çıkardıkları ışık, aynaların arasında birçok kez ileri geri seker. Işık her sekişte daha da parlaklaşır ve sonunda bir uçtaki aynadan ince, yoğun (parlak) bir ışık demeti biçiminde çıkar.
Gaz laserlerinde, aynaların arasındaki ortam gazla doldurulur. En yaygın kullanılan gaz laserlerinde helyum ve neon gazları karışımından yararlanılır; bunlar içi bu gazlarla doldurulmuş ve iki ucunda iki ayna bulunan cam tüp biçimindedir. Helyum ve neon gazlarının atomları, tüpten elektrik akımı geçirilerek “uyarılır” ve sonuçta koyu kırmızı, ince bir ışık demeti elde edilir. Laser gösterilerindeki yeşil, mavi ve sarı laser ışınlarını elde etmek için argon gazı kullanılır. Eğer karbon dioksit gazı kullanılırsa, gözle görülemeyen güçlü bir kızılötesi (enfraruj) ışınım demeti elde edilebilir. Böyle bir ışın demetinin taşıdığı güç, birkaç milimetreye sıkıştırılmış çok sayıda elektrikli ısıtıcının ürettiği güce eşdeğerdir; bu ışın demeti kalın çelik levhaları delip geçebilir, cisimleri çok uzaktan tutuşturabilir.
Bir başka laser türü de yarı iletken laserlerdir. Bunlarda, toplu iğne başından daha küçük son derece katışıksız bir kristal blok bulunur; bloğun yüzleri, ışığın blok içinde ileri geri yansımasını sağlayacak biçimde parlatılmıştır. Burada da atomlar elektrik akımıyla uyarılır ve laser demeti her iki uçtan da bir ışık konisi biçiminde dışarı çıkar.
En yaygın kullanılan laserler, gaz laseri ve yarı iletken laser olmakla birlikte, çeşitli alanlarında
başka türden laserler de kullanılır. Örneğin renkli sıvı çözeltilerinden, yakut kristallerinden, camın içine gömülmüş neodimden ve renkli plastiklerden yapılmış laserler vardır. Hatta, kullanıldıktan sonra yenebilen. parlak, yeşil jöleden yapılmış bir laser bile geliştirilmiştir.
Laserlerin Kullanıldığı Alanlar
Laserler güneş ışığından çok daha parlak, çok şiddetli ışık üretir ama, saniyeden daha kısa bir süre içinde açılıp kapatılan bir laserden, daha da parlak ışık darbeleri (flaşları) elde edilebilir. Bu yöntemle üretilen anlık ışık darbeleri, yüzlerce elektrik santralının hep birlikte çalışarak üreteceği enerjiden çok daha güçlüdür.
Laser ışığı çok ince bir ışın demeti halinde yoğunlaştırılabildiğinden, ışık demeti uzun bir yol aldıktan sonra da görülebilir ve ölçülebilir. Oysa sıradan bir ışık demeti yol aldıkça çevreye dağılır. Laser ışığının bu özelliğinden, telemetre denen uzaklık ölçüm aygıtlarında yararlanılır. Laserli telemetrelerde, belirli bir hedefe gönderilen bir laser ışığı darbesinin, hedefe ulaşıp geri dönme süresi ölçülerek, hedefin uzaklığı duyarlı bir biçimde saptanabilir. Bu, sesin yankılanmasından yararlanılarak yapılan ölçümlere oldukça benzer. Dünya ile Ay arasındaki uzaklığı ölçme çalışmasında da bu yöntem uygulanmış ve bir santimetrelik hata payıyla çok duyarlı bir sonuç elde edilmiştir.
Yoğunlaştırılmış bir laser ışığı demeti, çok küçük bir nokta üzerine odaklandırılabilir ve hareketli aynalardan oluşan bir sistemin yardımıyla cisimlerin üzerinde gezdirilebilir. Bu yöntemle çok duyarlı ve küçük cisimler aydınlatılabilir, bunların üzerinde kaynak yapılabilir, hatta delinebilir. Elektronik devre elemanlarının yapımında bu teknikten yararlanılır. Diş hekimliğinde, dişlerin ağrısız bir biçimde oyulmasında da laser kullanılabilir. Kompakt diskle çalışan video ve pikaplarda, diskin “okunmasında” da laser demetinden yararlanılır.
İnce bir laser demeti, bir optik lifin içinden de kolaylıkla geçirilebilir; optik lif, iki tür camdan yapılmış, ince, esnek bir liftir ve bir uçtan beslenen ışık, lif boyunca yol alır ve gücünden hiçbir şey kaybetmeksizin öteki uçtan dışarı çıkar. Tıpta ve mühendislikte, normal yöntemlerle ulaşılamayan noktaların aydınlatılmasında, optik lifli laser aygıtları kullanılır.
Cerrahlıkta, zarar görmüş dokuları kesip almak, aynı zamanda yaraları iyileştirmek, kanamayı durdurmak için, ışın şiddeti son derece yüksek karbon dioksit laserleri kullanılabilir. Bu tür laserler, gözün ağtabakasındaki (retina) zedelenmeleri gidermek ve belli türden kanserleri tedavi etmek için başarıyla kullanılmaktadır. Bilim adamları, gelecekte pek cok neodim laserinden eşzamanlı olarak üretilen son derece şiddetli laser ışık darbelerinin çok küçük maddeler üzerinde toplanarak, bunların istenilen noktaya kadar ısıtılıp sıkıştırılabileceklerine ve böylece denetimli bir çekirdek kaynaşması (füzyon) tepkimesinin (Güneş’te ve hidrojen bombasının patlamasında olan tepkimeye benzer biçimde) gerçekleştirilebileceğine inanmaktadırlar. Bu başarılırsa, deniz suyu gibi sıradan bir maddeden, neredeyse sınırsız ölçüde elektrik enerjisi elde etme olanağı doğacaktır.
Laserler, katışıksız tek renkli ışık ürettiklerinden, bu aygıtlardan hologram denen üçboyutlu resimlerin çekilmesinde ve santimetrenin milyonda biri kadar küçük ölçekteki uzunluk değişimlerinin ölçülmesinde yararlanılır. Depremleri önceden kestirmek amacıyla kayaçlardaki çok küçük hareketlerin belirlenmesinde, ayrıca jet motoru ve benzeri makine parçalarındaki çok küçük kusurların saptamasında da bu tür laserler kullanılır.
Laserler ve İletişim
Laserlerin belki de en heyecan verici kullanılma biçimi gelecekteki telekomünikasyon sistemlerinde görülecek. Bugün, yüzlerce ayrı telefon konuşması, aynı anda, yarıiletken bir laserin ürettiği çok kısa ışık darbelerinden oluşan mors alfabesine benzeyen bir koda çevrilebilmektedir. Bu ışık darbeleri, özel bir camdan (bu cam o denli saydamdır ki, 1 km kalınlığındaki bir pencere camı haline getirilse bile, camdan öte taraf rahatlıkla görülebilir) yapılmış ince bir optik lifle istenilen yere iletilebilir. Lifin öteki ucunda ışık darbeleri, içerdikleri kodlar çözülerek yeniden ayrı telefon konuşmalarına dönüştürülür ve o anda yüzlerce değişik binaya gönderilir. Yüzlerce telefon kablosunun yaptığı işi tek bir optik lif yapabilir. Günümüzde optik lifli laser iletişim sistemleri hem televizyon görüntülerini, hem de telefon konuşmalarını iletmenin başlıca aracıdır ve bu sistemlerden yararlanarak bilgisayarlar arasında iletişim ağları kurulmaktadır.
Maserler
Laserler ışığı, maserler ise mikrodalgalar'ı (radyo, televizyon ve radarlarda kullanılan elektromagnetik dalgalar) yükseltir. Maser sözcüğü, “Uyarılmış Işınım Yayımıyla Mikrodalga Yükseltimi” anlamındaki İngilizce “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” sözcüklerinin ilk harflerinden gelir. Charles Tovvnes, laserin geliştirilmesini olanaklı kılan kuramsal çalışmasına başlamadan önce, çabalarını temel olarak radyo dalgalarının yükseltilmesi üzerinde yoğunlaştırmıştı. Townes, iletişimde kullanılan mikrodalgaları denetlemek için bir sistem bulmaya çalışıyordu. Sonuçta laser gibi belli frekanslarda uyarılan enerjiye dayalı olarak çalışan maşeri geliştirdi.
Laser, temel olarak ışık (görünür ışık ve ona yakın ışınım) frekanslarında; maser, mikrodalga (görünmeyen ışınım) frekanslarında çalışır. Gerçekleştirilen ilk denemelerden sonra da katı maserler ve gaz maserleri geliştirildi. Katı maserler, çok düşük sıcaklıklar ile mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar arasında kullanılabilen zayıf magnetik kristallerde depolanmış enerjiyle harekete geçirilir. Bu maserler, pek çok elektronik aygıtın geliştirilmesini ve yetkinleştirilmesini olanaklı kılmıştır.
