lazer ve mazer

Atomların enerji düzeylerini içeren bir işlemle yoğunlaştırılmış elektromagnetik ışınım üretmeye yarayan aygıtlar. Mazer (ya da maser) sözcüğü, `Uyarılmış Işınım Yayımıyla Yükseltilmiş Mikrodalga` anlamına gelen İngilizce Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation sözcüklerinin baş harflerinden türetilmiştir. Bu işlem, ilk kez 1917`de Albert Einstein tarafından öngörülmüş ve elde edilen ışınımın belirli özellikleri açıklanmıştır. Gama ışınları, görünen ışık ve radyo dalgaları gibi ışınların tümü, elektromagnetik ışınım türündendir. Bunların yalnızca dalga boyları (bir dalgada birbirini izleyen iki doruk noktası arasındaki uzaklığa `dalga boyu` denir) birbirinden farklıdır. Radyo dalgalarının dalga boyu, 1 m ile 10 000 m arasındadır. Görünür ışığın dalga boylarının .

“Atomların enerji düzeylerini içeren bir işlemle yoğunlaştırılmış elektromagnetik ışınım üretmeye yarayan aygıtlar. Mazer (ya da maser) sözcüğü, `Uyarılmış Işınım Yayımıyla “

Atomların enerji düzeylerini içeren bir işlemle

Atomların enerji düzeylerini içeren bir işlemle yoğunlaştırılmış elektromagnetik ışınım üretmeye yarayan aygıtlar. Mazer (ya da maser) sözcüğü, `Uyarılmış Işınım Yayımıyla Yükseltilmiş Mikrodalga` anlamına gelen İngilizce Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation sözcüklerinin baş harflerinden türetilmiştir. Bu işlem, ilk kez 1917`de Albert Einstein tarafından öngörülmüş ve elde edilen ışınımın belirli özellikleri açıklanmıştır. Gama ışınları, görünen ışık ve radyo dalgaları gibi ışınların tümü, elektromagnetik ışınım türündendir. Bunların yalnızca dalga boyları (bir dalgada birbirini izleyen iki doruk noktası arasındaki uzaklığa `dalga boyu` denir) birbirinden farklıdır. Radyo dalgalarının dalga boyu, 1 m ile 10 000 m arasındadır. Görünür ışığın dalga boylarının kapsadığı alan, kızılaltı ışınımı da sayarsak 0,1 cm`den 0,0001 cm`ye kadar uzanır. Elektromagnetik tayfta, dalga boyu aralığı 1 metreden 0,1 cm`ye kadar olan bölge, `mikrodalga bölgesi` diye adlandırılır. 1950 yıllarının sonlarında mazerin geliştirilmesiyle, mikrodalga bölgesinde, tek dalga boyu içeren bir ışını­ mın üretilmesi ve yükseltilmesi sağlandı. 1960 yıllarında çalışma alanı genişletilerek, elektromagnetik tayfın görünür bölgesinde de tek dalga boylu ışınım üretildi; yani optik mazer bulundu. Optik mazere `lazer` (ya da laser) adı verildi. `Uyarılmış Işınım Yayımıyla Yükseltilmiş Işık` anlamına gelen lazer sözcüğü, İngilizce Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation sözcüklerinin baş harflerinden türetildi.
Uyarılmış yayım. Uyarılmış ışık üretiminden önce, sıradan bir ışık kaynağında (sözgelimi, ampulde ya da gü­ neşte) ışığın üretilme biçimini incelemek gerekir. Bir atom, ortada yeralan bir çekirdek kütlesi ile bunun çevresindeki yörüngelerde hareket eden küçük elektron taneciklerinden oluşur. Elektronlar, her biri belirli enerji düzeylerinde olan yörüngelerde hareket ederler. Çekirdeğe en yakın yörüngesinde elektron bulunduran atom, olabilecek en düşük enerji içeriyor demektir. Böyle bir atoma `taban düzeyinde` (ya da normal durumunda) denir. Elektronlar daha büyük yarıçaplı yö­ rüngelerde hareket ediyorlarsa, atomun `uyarılmış dü­ zeyde olduğu` söylenir. Atomlar, doğal olarak taban düzeyindedirler; ama maddeye ısı biçiminde enerji verilerek uyarılabilirler. Sıcaklığı artırmak, elektronların kinetik enerjisini artırır. Verilen enerji miktarı, uyarılmış enerji düzeyi için gereken miktara ulaştığında, atom uyarılmış duruma gelir. Uyarılmış atomun, daha alt enerji düzeylerine dönme eğilimi vardır. Alt enerji düzeyine geçişte, fazla enerjisinin bir bölümünü ışık enerjisi olarak yayımlar. Kuvantum kuramına göre, yayımlanan bu enerji, `kuvantum` adı verilen kesikli enerji paketleri halindedir. Işık kuvantumlarına `foton` denir. Yayımlanan ışık fotonunun dalgaboyu, içerdiği enerjiye bağlıdır. Enerji de, düzeyler arasındaki geçiş türüyle belirlenir. Isıtılmış bir ampul filamanında, bu olayların tümü oluşur. Üretilen ışık, enerji düzeyleri sayısı fazla, dolayısıyla olası geçişleri çok olan bir atomdan yayımlanıyorsa, geniş bir dalga boyu aralığını kapsar. Isı enerjisi alıp, ısı enerjisi yayımı yapma arasında geçen zaman, enerji durumuna göre değişir. Bu nedenle, herfoton farklı evrelerde dalga hareketine başlar. Olay bütünüyle rastlantısal olduğu için,.bu tür ışık yayımına `rasgele yayım` denir. Yayımlanan ışık da `uyumsuz` ışık diye adlandı­ rılır. Atomun uyarılmasını sağlayan bir başka yol daha vardır. Atom, çarpan kuvantumun enerjisini soğurarak, taban düzeyden uyarılmış düzeye geçebilir. Bu işleme, `ışığın soğurulması` denir. Uyarılmış atom, bir süre sonra bir foton yayımlayarak, taban düzeyine döner. Bu sürece de `kendiliğinden yayım` denir. Işık üretimini sağlayan üçüncü bir yol daha vardır. Uyarılmış bir atom, enerji düzeyleri farkına karşılık gelecek kadar enerji içeren bir fotonla, dalga boyuyla ya da enerjiyle bombardıman edildiğinde, bir foton yayımlayarak, alt enerji düzeyine iner. Bu işlem, soğurmanın tam tersidir. Böylece yayımlanan fotonun dalga boyu ve evresi, çarpan fotonunkiyle aynı olur. Asıl foton yoluna devam ederken, yeni yayımlanan foton da ona eşlik eder. Bu olay, fotonun uygun düzeyde uyarılmış her atoma çarpışında yinelenir ve aynı evrede yayımlanarak giderek yoğunlaşan bir `foton çığı` oluşur. Bu fotonların tümü aynı evrededir. Böyle ışınlara `uyumlu (koherent) ışın` denir. Bu ışık yayımına da, `uyarılmış yayım` adı verilir. Böylece, uyarılmış ışınım yayımıyla, ışık yükseltilmiş olur. Uygulamada, ışınımı yükseltmek için, sistem atomlarının çoğu, yüksek enerji düzeylerinde bulunmalıdır. Düşük düzeyde bulunanlar, ışından enerji soğurarak, ışının yoğunluğunu azaltırlar. Gerçekte, bir ortamda düşük enerjili atomların, yüksek enerjili atomlardan fazla olması doğaldır. Bu durumu tersine çevirmek ve yükseltmeyi sağlamak gerekir. Amonyumlu mazer. Uyarılmış yayım işlemiyle ışının yükseltildiği ilk aygıt, amonyumlu mazer olmuştur. Amonyak molekülü dört atomdan (biri azot, üçü hidrojen) oluşur. Bu molekülün pek çok uyarılmış enerji düzeyi vardır. Ama bunlardan ikisi özellikle ilgi çekicidir. Biri öbüründen daha yüksek olan bu enerji düzeylerinin birinden öbürüne inildiğinde, dalga boyu 1,2 cm olan bir ışınım yayımlanır. Amonyak moleküllerinin bü­ yük bir bölümü, alttaki düzeyden daha yüksek bir enerji düzeyine çıkarılırsa, 1,2 cm dalgaboylu ışınım, uyarılmış yayımla yükseltilebilir. Gerçekte amonyak molekülleri, oldukça yalın bir iş­ lemle uyarılabilirler. Yükseltmeyi sağlamak için, uyarılmış moleküllerin sayısı düşük enerjililerden fazla olmalıdır. Yüksek enerjili molekülleri fazla olan amonyak elde etmek için, bir filtre sistemi kullanılır. Alçak ve yüksek enerjili moleküller, bir elektrik alanı içinde farklı özellikler gösterirler. Bundan yararlanılarak, uyarılmış moleküllerin, gazdan, çok etkili bir biçimde ayrılması sağlanır. Sistem, uyarılmış moleküllerin, yükseltmeyi oluşturan bölüme geçmelerini sağlar. Bu bölüme, bir uçtan 1,2 cm dalgaboyunda zayıf bir uyarı gönderilirse, uyarılmış amonyak molekülleri, uyarılmış yayımla güçlendirilir ve öteki uçtan yükseltilmiş ışın çıkar. Uyarının bu boşluktan ilk geçişi, yalnızca az sayıda atomun uyarılmışlığının indirgenmesini sağlar. Bu yüzden, yükseltilen ışık miktarı çok azdır. Yükseltmeyi artırmak için, ortam, yüksek yansıtıcılığı olan çeperlerle çevrilir. Böylece ışınımın, ortamı birçok kez geçmesi sağlanır. Dalganın her geçişi, uyarılmış ışın yayımıyla sonuçlanır ve dalganın yoğunluğu artar. Bu işlem sırasında oluşan kendiliğinden yayım, önemsiz bir düzeydedir. Yakutlu lazer. Uyarılmış yayımın yükseltilmesinden sonraki ilk gelişme, daha kısa dalga boylu ışınımı (yani görünür ışığı) güçlendirici bir aygıt olmuştur. Bu yoldaki ilk başarılı lazer(katı lazeri) bir yakut billuruyla yapılmıştır. Yakut, bazı atomlarının yerine krom atomlarının yerleştiği bir alüminyum oksit billurudur. Yakuta koyu kırmızı rengini veren, krom atomlarıdır. Yakut lazerinin güçlendirici etkisi de krom atomlarıyla açıklanabilir. Krom atomları, parlak bir dış ışık kayna­ ğından gelen ışığı soğurarak, uyarılmış düzeylere yükselirler. Buna, krom atomlarının, yüksek enerji düzeylerine `pompalanması` denir. Çubuk biçimindeki yakut billurunun iki ucu düz cilalanmış ve yansıtıcı bir maddeyle kaplanmıştır. Uyarılmış krom atomlarının çoğu, kendiliğinden yayım yaparak, fazla enerjilerini dışarı verirler. Yayımlanan bu ışık, çubuğun çeperlerinden dışarı kaçar. Atomların birkaçı, sırlanmış uçlara doğru ışık yayımlar; bu ışık yeniden billurun içine yansır. Işınım, uyarılmış bir kromatomuna çarptığında, uyarılmış ışın yayımlayacaktır. Böylece ışık, her geçişte biraz daha yoğunlaşarak, yansıtıcı yüzeyler arasında gidip gelir. Krom atomlarının uyarılması, yakut billuruna büyük bir sıcaklık verir. Bu nedenle, sürekli kullanımlarda, uygun bir soğutma düzeneğinin kullanılması gerekir. Yakutlu lazerden sonra, aynı amaçla kullanılan pek çok billur sistemi ortaya çıkarılmıştır (neodimli cam„ vb.). Uygun billurlar seçilerek, çeşitli dalga boylarında lazerler elde edilebilir. Gazlı lazer. Bir başka lazer türünde, yükseltici ortam olarak gazlar kullanılır. Bu aygıtların ilk örneklerinde, helyum ve neon gazlarının bir karışımı kullanılmıştır. Billurlu lazerlerde (ya da katı lazerleri), atomların enerjilerini ışıkla uyarılacak düzeye çıkarmak sorun oluyordu. Oysa gaz atomları, gaz içinden elektrik akımı ge­ çirilerek uyarılabilirler. Bu teknik, neon lambalarında ve sodyumlu sokak lambalarında da kullanılır. Bir neon-helyum karışımı, elektrik akımına tutulursa, gaz atomları, 1,15 mikrometre (0,000115 cm) dalga boyunda ışık salacak düzeye çıkarlar. Bu dalga boyu, elektromagnetik ışınım aralığının kızılötesi bölgesindedir. Uyarılmış ışın, gaz odası içinde ileri geri yansıtılarak, yoğunluğu artırılır. Söz konusu gelişmeden sonra başka gaz bileşimleri de kullanılmıştır. Bunlar arasında argon ve kripton karı­ şımı ilgi çekicidir. Böyle bir aygıt, tayfın görünen bölgesinde, birden çok dalga boyu içeren ışınım yayar. Böylece oluşan ışında, birkaç renk vardır. Ama sonuçta, beyaz ışığın görüntüsünü verir. Gazlı lazerler, billurlu lazere göre daha uzun süre kullanılabilirler. En son gerçekleştirilmiş lazerler arasında, etkin ortam olarak atom halinde iyot kullanılan iyot lazerleri, sı­ vı çözelti halinde organik moleküller kullanılan boyarmadde lazerleri, eklemli diyot biçiminde monte edilmiş yarıiletkenler kullanılan yarı iletkenli lazerlerve bir hızlandırıcıdan çıkan yüksek enerjili elektron paketinin bir magnetik alandan geçirildiği serbestjelektronlu Ja.- zerler sayılabilir. Lazerlerin uygulama alanları. Lazerler yayımladıkları ışığın çok yoğun olması ve tek dalga boyu içermesi nedeniyle çeşitli alanlara uygulanmışlardır. Bunların başlı- caları arasında serbest uzayda optik lifler ile sabit noktalar arasında bağlantı kurulmasında kullanılmaları, cerrahinin çeşitli dallarında (özellikle göz hastalıklarının tedavisinde) kullanılmaları, lazer cayrometreleri ve lazer telemetreleri, askerî hedeflerin lazerle belirlenmesi, fırlatılan güdümlü mermilerin lazer demetiyle uzaktan güdümlenmesi ve sanayinin çeşitli dallarındaki uygulamalar (çubuklu kodların okunması, hologramlar, fotodizgi ve baskı makineleri, lazer demetiyle kaynak, kesme, işleme, vb. işlemleri) sayılabilir.