LAZER

     Müzikhollerden Apollo projesine, kompakt disk okuyucularından göz cerrahisine kadar,  yıldız savaşları nı da içine alarak lazer hiç kuşkusuz modern fiziğin en yaygın teknik uygulamalarından biri olmuştur. Işığının saflığı ve kullanım alanlarının esnekliği, hemen hemen maddeyle enerji hakkmdaki bilgilerin tümünden yararlanan ilkeleri içerir. Bunun en önemli kanıtı, 1966’da Nobel ödülü kazanan Fransız fizikçi A. Kastler’in lazerin doğuşunda belirleyici bir rol oynayacak olan « optik pompalama » çalışmasıdır.



     Lazer zaten  Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ın (uyarılmış ışınım yayımıyla mikrodalga yükseltilmesi) kısaltması olan  maser’in oğludur, çünkü uyarılmış yayım uygulamaları, ışık alanından önce mikrodalga alanında ortaya çıkmıştır. Maser 1954’te doğmuş ve ancak 1960’ta Amerikalı Maiman ilk yakutlu lazeri gerçekleştirmiştir. Ama uyarılmış yayımın ilkesi oldukça eskiye dayanır. 1917’den itibaren Einstein, kendiliğinden yayım ve soğurmamn ötesinde, maddeyle ışık arasındaki etkileşimin bu üçüncü türünün kuramsal gerekliliğini ortaya koymuştu. Ayrıca, bu durumda yayımlanan ışığın uyarıcı ışıkla bağlantılı, uyumlu olması gerekeceğini, böylece bunun etkin bir şekilde büyütüleceğini göstermişti. Ama bütün klasik ışık kaynaklarında uyarılmış yayım, kendiliğinden yayıma göre çok küçüktür. Bunun baskın olabilmesi için, hem çok daha fazla uyarıcı bağdaşık ışık, hem de yayım yapabilecek durumda, yani yüksek bir enerji durumunda bulunan çok sayıda atom gereklidir. İşte « optik pompalama »nın belirleyici rolü buradadır ve bu üst enerji durumlarındaki atom topluluğunun sayısını artırır. Buradan anlaşıldığı gibi lazerin işleyişi pek kolay değildir. Ancak, bu işleyiş üzerinde daha derinlere inmeden sonucu değerlendirilebilir, yani lazerden yayımlanan ışığın tüm diğer ışıklara göre farkının ne olduğunu sorabiliriz. Zaten içimizden pek azı bir lazer yapabilir, ama hepimiz lazerin yayımladığı ışığın ilgi çekici özelliklerinden faydalanmaktan uzak kalmıyoruz.

Lazerin İlkesi

     Herhangi bir ortamda, belirli bir elementin atomları, molekülleri veya iyonlan birçok enerji düzeyi gösterir ve bu enerji düzeyleri arasında gidip gelirken, enerjileri iki düzey arasındaki farka eşit olan fotonlar yayımlar veya soğurur. Belirli bir frekansta bir foton yayımlamaya yatkın yüksek enerjili bir atom, tam olarak aynı frekansta bir ışıkla foton vermeye «teşvik edilebilir » ve yayımlanan ışık uyancı ışıkla bağdaşık (« senkronize ») olur.

Ortam:

     Bununla birlikte, dengede bulunan bir ortamda alt enerji düzeyleri üst enerji düzeylerine göre daha kalabalıktır ve soğurma, uyarılmış yayıma önemli ölçüde baskındır. İşte bu yüzdendir ki bu olay, Einstein tarafından tanımlanmasından (1917) 19607a kadar kullanılamadı; o yıl, üst enerji düzeylerinde çoğunlukta bir atom topluluğu bulunduran denge dışı ortamları gerçekleştirmek mümkün oldu.
    Kullanılan ilk ortam, içinde az miktarda krom oksit bulunduran (yüzde 0,05) alümin kristalinden ibaret yakuttur. Bu krom iyonları yeşil ve maviyi kolaylıkla soğurur (yakutun kırmızı rengi buradan kaynak­lanır) ve bu iyonlar yoğun ve parıltılı bir beyaz ışıkla aydınlatılırsa üst düzeylere geçebilir. Bu düzeylerden geri inerken 694,3 nanometrelİk (metrenin milyarda biri) dalgaboyuna sahip kırmızı bir ışık yayımlar. Bu ışıktan yeterli boyutta kullanma imkânı olursa, bu yayım uyarılabilir.

İki Ayna:

     Her iki tabanı paralel ve iyice parlatılmış yakuttan bir silindir yapılırsa, bu şekilde oluşmuş olan iki ayna yönü kendilerine dik olan ışığı silindir içine hapseder. Üstelik bunlar arasındaki uzaklık uygunsa, belirli bir dalgaboyuna denk gelen ışık bağdaşık olur. Bu « rezonans yapan çukurluğun » uçlarındaki ardışık yansımalardan sonra bütün dalgalar senkronize olur. Bunun sonunda silindirin ekseni boyunca yönlendirilmiş bir ışıkla kat edilen ortamdan bağdaşık ve monokromatik (tekrenkli) bir ışık çıkar. Nihayet, bu ışığın frekansı ortamda uyarılmış yayımın frekansına denk gelirse, uyarılmış yayım yeterince büyüdükten sonra dışarıya alınabilir ancak kısmen sır sürülmüş uç yüzeylerden birini delerek. Böylece paralel, bağdaşık, monokromatik bir demet, kısası bir lazer demeti elde edilir...

Diğerlerine Benzemeyen Işık

     Lazerin yayımladığı ışığın belirli bir dalgaboyu vardır ve buna ait güç kilovada ölçülür. Bu kesinlik kısmen, kullanılan yayımlayıcı enerji düzeyinin darlığına ve daha çok iki aynanın oluşturduğu rezonans boşluğunun oynadığı seçici role bağlıdır. İki ayna arasındaki uzaklık yayımlanan ışığın dalgaboyunu belirlediğinden, dalgaboyunu hafifçe değiştirmek için bu uzaklık değiştirilebilir (sıcaklık veya manyetik alan değişikliğiyle).

Paralel bir demet:



     Gene aynaların varlığıdır ki, lazer demetine olağanüstü paralelliğini kazandım: demeti oluşturan ışık iki ayna arasında birçok defe gidip gelmiştir ve eğer bunların doğrultuları tam anlamıyla dik olmasaydı, ışık boşluğun kenarlarından çıkmış olurdu. Klasik bir ışık kaynağıyla ancak, odaklaştırıcı elemanları olan veya olmayan diyaframlar yardımıyla paralel bir ışık demeti oluşturulabilir: bu arada kırınım, elde edilen demeti genişletir. Aynı kırınım lazer demetini de genişletir, ama lazer demeti « doğuştan paraleldir » ve deliğin bütün genişliği boyunca çıkar. Kırınımdan kaynaklanan yelpaze şeklinde açılma yay dakikasının altında kalır

Bağdaşık bir demet:

Lazer demeti içine ince ve paralel iki yarık açılmış bir ekran yerleştirilirse girişim saçakları elde edilir, bu da iki yarıktan geçen ışıkların sabit bir faz farkı oldu­ğunu gösterir. İki yarık klasik bir ışık kaynağıyla aydınlatılırsa girişim görülmez. Kaynağın atomları kısa ışık darbeleri ya­yımlamakta, bunların faz farkları her an rastgele ve aralıksız değişmektedir. Böyle bir klasik kaynakla saçaklar elde etmek için iki yarığın, her atom yayımını «ikiye bölecek » şekilde bir başka yarıkla aydınlatılması gerekir.
     Diğer iki niteliğinin yanı sıra daha az belirgin olan lazer demetinin bağdaşıklığı teknolojik uygulamalar bakımından oldukça zengindir. Bunun sayesinde holografi gelişmiş ve lazerin metroloji ve optik lifler aracılığıyla iletimde kullanılması imkânı ortaya çıkmıştır.

Projektör, Metre, Tel, Neşter, Hamlaç...

     Holografi, laboratuvarlardaki bazı çok « sivri » uygulamalar mesela spektroskopi (tayfgözlem) için uygulama ve «lazer-shov »lardaki estetik gösteriler bir kenara bırakılırsa, lazer uygulamalan üç kategoride toplanabilir. Ölçümler, haberleşme ve ısıtma.

Ölçümler ve kontroller:

Lazer demeti hem çok uzun mesafelerin ölçülmesini ve hem de karşılaştırmalı ölçümlerin çok büyük bir hassasiyet ve kesinlikle yapılmasını sağlar. Önce, paralelliği ve pek az dağılma göstermesiyle uzun mesafelerde algılanabilen bir enerji verir. Daha sonra iyice monokromatik ve önemli bir güce sahip olan ışığı onu, gerek girişimölçer ölçümlerinde, gerek Doppler etkili çizgisel hızların ölçümünde ideal bir kaynak durumuna getirir. Böylece lazer çok geniş bir ölçüm yelpazesi içinde uygulama alanlan bulur. Uydulardan Dünya kabuğundaki zayıf hareketlerin gözlemlenmesi, duyarlı alederin yönlendirilmesi veya kompakt disklerin okunması gibi...      Nihayet, zanaat alanında da lazer demeti «.ışık ışını »nı maddeleştirmektedir. Böylece, bugüne kadar görülmemiş bir kolaylıkla en ince optik ayarlamalar, mesela büyük spektrografların (tayfçeker) optik ayarlamaları gerçekleştirilebilmektedir.

Haberleşmeler:

     Bir vericinin iletebileceği bilgi hacmi« bant genişliğine », yani bilgiyi taşıyan kipleme için kullanılabilir frekans yelpazesine bağlıdır. Oysa, kipleme frekansı « taşıyıcı » denen kiplenmiş dalganın frekansından büyük ölçüde daha düşüktür (genellikle 10 mislinden daha fazla); ve ihtiyaçların çok büyük ölçüde artması gitgide daha yüksek frekansların, 1 000 megahertz’e kadar frekansların kullanılmasını gerektirmektedir.
     Ne var ki, görünür ışık 400 milyon megahertzlik bir yel­pazeyi içine almaktadır. Pek tabi bunu yeterli bir enerjiyle, bağdaşık bir şekilde üretebilirsek, imkânların ne kadar çoğalabileceğini tahmin edebiliriz. İşte lazerin tam olarak yaptığı budur. Gerek serbest demetlerle (mesela Dünya ile bir uydu arasında), gerek yönlendirilmiş demederle (optik liflerde) hiç kuşkusuz gelecek lazerle ışıklı haberleşmenin olacaktır. Optikelektronikte kullanılan düzenekler güç lazerlerinden farklıdır. Burada boyları birkaç milimetre olan yaniledcenli lazerler kullanılır.

Isıtma:

     Lazer demeti çok büyük bir hassasiyede kilovadarca enerjiyi bir noktaya odaklamaya da yarar. Şu halde boyutları çok küçültülmüş bir alanı ısıtmayı da sağlar. Böylece ister çelik levhalara, ister çeşidi kalınlıklarda doku kesmeye uyarlanmış olsun, kesme lazerleri gerçekleştirilmiştir. Tıp alanında en ilgi çekici uygulamalar göz cerrahisinde görülmektedir. Retinadaki yırtığın yarılmasını önlemek için çok belirgin noktaları ısıtmak gerekir ki, lazer bunu sağlamaktadır, üstelik ışığı gözle görüldüğü için, gözün kırılma yapan ortamlannı fazla ısıtarak hırpalamaz.
     Pek doğal olarak bunun tehlikeleri de vardır. Bir paralel lazer demeti göze çarparsa, göz bunu derhal retina üzerine odaklar ve bu kazanın sonucu olarak retina ciddi şekilde yanar. Lazerle çalışanlar, bu ışığın doğrudan kendi gözlerine gelmemesine özen göstermelidir.

Holografi



     Holografinin ilkesi, D. Gabor tarafından 1948’de ortaya kondu. Demek ki lazerden oldukça öncelere dayanmaktadır, ama hem güçlü, hem de bağdaşık ışık demeti sayesinde lazer holografiyi uygulanabilir kılmıştır.
     Bir cismin bir ışık dalgasının genliğini değil fazını değiştirdiğini, yani çeşitli ışık titreşimleri araşma basit bir zaman kayması soktuğunu düşünelim. Bu dalgayı bir film üzerine aktarırsak zaman kaymasıyla ilgili hiçbir kayıt alınmaz. Ama bu dalga, cisimle değişikliğe uğramamış bir « referans » dalgayla çakıştuılırsa, iki dalga girişim yapar ve kaymaları cisim yüzünden film üzerinde karanlık ve ışıklı çizgilerden oluşmuş almaşık bir dizi halinde yer alır, bu çizgiler görünürde rastgele dağılmış gibidir, ama konumları, biçimleri ve birbirinden uzaklıkları cismin doğasına ve yerleştirilmesine bağlıdır. Bu şekilde elde edilmiş « hologram »tanınabilir hiçbir şeye benzemez, ama gene de cisimden gelen dalgaca taşınan bütün bilgiyi kodlanmış biçimde içinde saklar. Bu bilgi, dekode edebilecek bir durum yaratılabildiği ölçüde cismin görünüşünü yeniden oluşturabilecek yeterliliktedir. Bunun için üzerine, hologramı gerçekleştirmeye yarayan aynı referans dalgayı yönlendirmek yeterli olun o zaman bu aynı ışıkla aydınlatılmış cisme doğrudan bakıldığında ne görülürse, o görülmeye başlanır. Ve başımızı biraz oynatınca görüntü hafifçe değişip hatta ilk cisimce gizlenmiş muhtemel başka cisimleri de görmek mümkün olur...
     Demek ki holografinin ilkesi, girişim yapacak olan iki dalganın bağdaşık olması koşuluyla bu girişim olayına dayanır. Klasik bağdaşık olmayan kaynaklar, alışılagelmiş girişim montajlarındaki gibi, aynı ince yarıklardan ikiye ayrılmaları gerektirir, bu da çok az bir güç verir. Lazerle, buna karşılık kilovatlarca güçte bağdaşık bir ışık elde edilir ve demet iki bağdaşık kısma ayrılabilir. Hatta iki farklı lazere girişim yaptırılabilir. Nitekim holografi, nerdeyse tamamen kuramsal bir tuhaflık iken, 1962’den sonra etkili bir teknik haline geldi. Onu Lippmann yöntemiyle o da girişime dayanır birleştirerek sadece üç boyutiu değil, renkli görüntüler de elde etmek mümkün olmuştur.