Lazer nedir? Önce bu soruya kısa bir yanıt verelim. Lazer çok dar bir alanda üretilen diğer bir deyişle sıkıştırılmış ışın demetidir. Sözcük yapılan işi ifade eden bir grup kelimenin baş harflerinden üretilmiştir, bunu hepiniz biliyorsunuz. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Evet malum Türk bilim adamlarının keşfi olmadığı için ismini de İngilizce’den çeviri yaparak inceliyoruz. Türkçede uyarılmış ışımanın yarattığı güçlendirilmiş ışın şeklinde ifade edebiliriz ya da Uyarılmış Radyasyon Emisyonu ile Işık Amplifikasyonu.

Lazer, ışığın insan tarafından yaratılmış bir forma bürünmesidir çünkü doğada böyle bir ışık kaynağı yok. Evlerimiz dahil birçok yerde birçok teknolojik alet ve ekipmanda kullanılsa da kendisine karşı her zaman dikkatli olmamız gerekiyor. Bunu yazıyı okudukça daha iyi anlayacaksınız.

Lazerin Temel Yapısı

Lazer üç ana parçadan oluşur.  Harici Pompa Kaynağı, Aktif Lazer Ortamı ve Rezonatör

Pompa kaynağının görevi harici enerjiyi lazere yönlendirmektir. Işığın belirli dalga boyu, uyarılmış elektronun daha düşük bir yörüngeye düşmesiyle açığa çıkan enerji miktarı tarafından belirlenir. Verilen enerji seviyeleri, istenen ışın rengini üretmek için kazanç ortamındaki malzemeye göre ayarlanabilir.

Aktif lazer ortamı ise lazerin içinde bulunur. Lazerin tasarımına bağlı olarak lazer ortamı gaz karışımından (CO₂ lazer), bir kristal gövdeden (YAG Lazer) veya cam fiberlerden (fiber lazer) oluşabilir. Pompa aracılığı ile lazer ortamına enerji beslendiğinde lazer radyasyon şeklinde enerji yayar.

Rezonatör, aktif lazer ortamındaki iki ayna arasında bulunur. Bu aynalardan biri tek yönlü aynadır. Lazerin optik malzemesinin bir tarafındaki ayna, fotonu elektronlara doğru geri yansıtır. Aynalar arasındaki boşluk veya "kavite", belirli optik kazanç ortamı türü için istenen fotonun, o fotonun neredeyse birebir kopyasının emisyonunu uyarmak üzere ortama geri beslenmesi için tasarlanmıştır. Her ikisi de aynı yönde ve hızda hareket ederek, diğer taraftaki başka bir aynadan yansıyarak kopyalama işlemini tekrarlar.

İki foton dört olur, dört foton sekiz olur ve bu şekilde fotonlar, aynaların ve optik malzemenin önünden mükemmel bir uyum içinde geçebilecek kadar güçlendirilene kadar devam eder. Bunları, Bolero isimli eseri çalan büyük bir klasik orkestranın senkronize üyeleri olarak düşünün. İşte bu uyum, lazere gücünü verir. Lazer ışınları, Ay'a gidiş ve dönüşte bile keskin bir şekilde odaklanabilir.

Lazerin Üç Temel Özelliği

Lazer Monokromatik bir yapıdadır. Dolayısıyla tek renklidir ve farklılık içermez, tek bir dalga boyundadır. Bildiğiniz gibi ışığın dalga boyunu belirleyen şey, elektronun daha düşük enerjili bir yörüngeye düşüşüyle açığa çıkan enerjidir.

Lazer ahenklidir. Yani dalga boyunu oluşturan tüm parametreler (hız, frekans, periyot, dalga boyu, şiddet) aynı ve eştir. Lazerde her foton diğerleriyle aynı adımda hareket eder.

Lazer dar bir ışın demetidir. Normal ışık çok yönlü, zayıf ve dağınık olmasına karşın Lazer çok güçlü ve çok yoğundur.

Dolayısıyla ölçümlediğimiz bu özellikle bize o enerjinin bir lazer olduğunu söyler.  Bu durumu sıradan bir el fenerinde gerçekleştiremezsiniz. Bir el fenerinde tüm atomlar fotonlarını rasgele bir şekilde serbest bırakır. Oysa uyarılmış emisyonda foton çıkışı düzenli gerçekleşir.

Herhangi bir atomun saldığı foton, uyarılmış durumu ile temel durumu arasındaki enerji farkına bağlı olarak belirli bir dalga boyuna sahiptir. Belirli bir enerji ve sahip olan bu foton aynı uyarılmış durumda başka bir atomla karşılaşırsa uyarılmış emisyon durumu meydana gelebilir. İlk foton atomik emisyonu yarabilir veya indükleyebilir. Böylece sonraki emisyon fotonu gelen fotonla aynı frekansta ve aynı yönde titreşir.

Aynalar

Lazerin diğer önemli parçası, lazer ortamının her iki ucunda bulunan bir çift aynadır.

Çok özel bir dalga boyuna ve fazına sahip fotonlar, aynalardan yansıyarak lazer ortamı içinde ileri geri hareket ederler. Bu süreçte, diğer elektronları aşağı doğru enerji atlaması yapmaya teşvik ederler ve aynı dalga boyuna ve faza sahip daha fazla fotonun yayılmasına neden olabilirler.

Bir zincirleme etki meydana gelir ve kısa sürede aynı dalga boyu ve fazda çok sayıda foton yayılır. Lazerin bir ucundaki ayna “yarı gümüş kaplıdır”, yani bir kısmı ışığı yansıtır, bir kısmı ise ışığın geçmesine izin verir. Geçen ışık, lazer ışığıdır.

Tüm bu bileşenleri, basit bir yakut lazerin nasıl çalıştığını gösteren bir sonraki bölümdeki şekillerde görebilirsiniz.

Yakut Lazerler

Bir yakut lazer, bir flaş tüpü (kameralarda bulunan türden), bir yakut çubuk ve iki ayna (biri yarı gümüş kaplı) içermektedir. Yakut çubuk lazer ortamıdır ve flaş tüpü onu pompalar.

Gaz Lazerler

Helyum ve helyum-neon (HeNe) en yaygın gaz lazerlerdir. Birincil çıkışları görünür kırmızı ışıktır. CO2 lazerler uzak kızılötesi dalga boyunda enerji yayarlar ve sert malzemeleri kesmek için kullanılırlar.

Eksimer Lazerler

“Uyarılmış” ve “dimer” terimlerinden türetilen bu lazer türleri, argon, kripton veya ksenon gibi inert gazlarla karıştırılmış klor ve flor gibi reaktif gazlar kullanır. Elektriksel olarak uyarıldığında, bir sözde molekül (dimer) üretilir. Lazerle ışınlandığında, dimer ultraviyole aralığında ışık üretir.  Eksimer lazer göz tedavisinde kullanılır. Göz retinasına gönderilen binlerce lazer atışı kornea yüzeyindeki eğimi değiştirir ve böylece görme bozuklukları giderilmeye çalışılır.

Boya Lazerler

Boya lazerler, lazer ortamı olarak sıvı çözelti veya süspansiyon halinde rodamin 6G gibi karmaşık organik boyalar kullanır. Geniş bir dalga boyu aralığında ayarlanabilirler.

Yarı İletken Lazerler

Bazen diyot lazerler olarak da adlandırılan bu lazerler, katı hal lazerleri değildir. Bu elektronik cihazlar genellikle çok küçüktür ve düşük güç kullanır. Bazı lazer yazıcılarda veya CD çalarda yazma kaynağı gibi daha büyük dizilere yerleştirilebilirler.

Yakut lazer (yukarıda gösterilen), katı hal lazeridir ve 694 nm dalga boyunda ışın yayar. Diğer lazer ortamları, istenen emisyon dalga boyuna (aşağıdaki tabloya bakın), gereken güce ve darbe süresine göre seçilebilir.

Bazı lazerler, çeliği kesebilen CO₂ lazer gibi çok güçlüdür. CO₂ lazerin bu kadar tehlikeli olmasının nedeni, spektrumun normal şartlar altında gözle görülmeyen kızılötesi ve mikrodalga bölgesinde lazer ışığı yaymasıdır. Kızılötesi radyasyon ısıdır ve bu lazer, odaklandığı her şeyi eritir.

Diyot lazerler gibi diğer lazerler çok zayıftır ve günümüzün cep lazer işaretçileri içinde kullanılır. Bu lazerler genellikle 630 nm ile 680 nm arasında dalga boyuna sahip kırmızı bir ışık demeti yayar.

Lazerler, endüstri ve araştırma alanlarında, diğer molekülleri uyarmak ve onlara ne olduğunu gözlemlemek için yoğun lazer ışığı kullanmak da dahil olmak üzere birçok amaçla kullanılır.

İşte bazı tipik lazerler ve emisyon dalga boyları (nanometre cinsinden):

Argon florür (UV): 193

Kripton florür (UV): 248

Ksenon klorür (UV): 308

Azot (UV): 337

Argon (mavi): 488

Argon (yeşil): 514

Helyum neon (yeşil): 543

Helyum neon (kırmızı) 633

Rhodamine 6G boyası (ayarlanabilir): 570-650

Ruby (CrAIO3) (kırmızı): 694

Nd:Yag (NIR): 1.064

Karbondioksit (FIR): 10.600

Lazerin Tehlike Sınıflandırmaları

Günlük hayatta birçok işimize yarayan lazerler aslında insan bedeni için fazlasıyla tehlikeler taşımaktadır.  Bu nedenle bir lazer gördüğünüzde aşağıdaki dört tehlike sınıfından biriyle mutlaka etiketlenmiş olduğuna dikkat edin. Bu tehlikeler doğal olarak biyolojik hasara neden olma açısından oluşturulmuştur.  Gelin bu lazerin tehlike sınıflanmalarına yakından bakalım. Bu arada lazerin süreklilik içeren ışın yaymasının gücünü temsil eden cw, continuous wave

Sınıf I: Bu lazerler, bilinen tehlike seviyelerinde lazer radyasyonu yayamaz.

Sınıf I.A.: Bu, süpermarket lazer tarayıcıları gibi “görüntüleme amaçlı olmayan” lazerler için geçerli olan özel bir sınıflandırmadır. Sınıf I.A.'nın üst güç sınırı 4,0 mW'dir.

Sınıf II: Bunlar, Sınıf I seviyelerinin üzerinde ancak 1 mW'yi geçmeyen bir ışın gücüyle yayılan düşük güçlü, görünür lazerlerdir. Buradaki kavram, parlak ışığa karşı insanın kaçınma tepkisinin kişiyi koruyacağıdır.

Sınıf IIIA: Bunlar, yalnızca ışın içinde görüntüleme için tehlikeli olan orta güçlü lazerlerdir (cw: 1-5 mW). Çoğu kalem benzeri işaretleme lazeri bu sınıftadır.

Sınıf IIIB: Bunlar orta güçte lazerlerdir.

Sınıf IV: Bunlar, her koşulda (doğrudan veya dağınık olarak) bakıldığında tehlikeli olan ve potansiyel yangın tehlikesi ve cilt tehlikesi oluşturan yüksek güçlü lazerlerdir (cw: 500 mW, darbeli: 10 J/cm2 veya dağınık yansıma sınırı). Sınıf IV lazer tesislerinde önemli kontroller gereklidir.

Lazer İşaretçi Nasıl Çalışıyor?

Lazer işaretçiler, ışık amplifikasyonu ve uyarılmış emisyon prensipleriyle çalışır. Konsantre bir ışın üretmek için tasarlanmış bir lazer diyotunun içinde, ışık amplifikasyonu adı verilen bir süreç gerçekleşir. Bu süreç, atomları veya molekülleri uyararak, ışık parçacıkları olan fotonları salmalarını sağlar. Fotonların bu şekilde salınması, uyarılmış emisyon olarak bilinir ve senkronize ve tutarlı bir lazer ışını oluşturur.

Lazer işaretçilerin, insan gözüyle görülemeyen dönüştürülmemiş kızılötesi lazer ışığı da yaydığını belirtmek önemlidir. Üreticiler, bu görünmez ışığın çoğunu engellemek için filtreler ekler, ancak lazer işaretçileri sorumlu bir şekilde kullanmak ve yansıtıcı yüzeylere veya başkalarının gözlerine doğrultmamak çok önemlidir.

Lazer ışığı tek renkli, yani yalnızca belirli bir renk veya dalga boyu içerir. Ayrıca, tüm fotonlar birbiriyle senkronize hareket ettiği için tutarlıdır. Bu tutarlılık, lazer ışığına odaklanmış bir yapı kazandırır ve önemli bir sapma olmadan uzun mesafeler kat etmesini sağlar.

Levent Aslan

Kaynaklar:

https://lasers.llnl.gov/education/nifs-guide-how-lasers-work

https://science.howstuffworks.com/laser.htm