Lazerler Fizikte Özel Konular

Sunu 4

Lazer (Işımanın uyarılmış yayınımı ile ışığın kuvvetlendirilmesi) Tarihsel Gelişimi

• • 1916 yılında Einstein tarafından ışımanın uyarılmış salınımı teorisi ortaya atılmıştır: Uyarılmış ışınım enerji seviyesindeki bir atom, düşük enerji seviyesine indiğinde foton yayması gerekir ve bunlar aynı yönlü, aynı kuvvetli, tek renkli kutuplanmış bir ışık demeti üretir. 1950 li yıllarda Colombia üniversitesinde yapılan çalışmalarla amonyak kullanımı ile mikdodalgaların yükseltilmesi prensibine dayanan MASER (Işımanın uyarılmış yayınımı ile Mikrodalga yükseltilmesi)

Tarihsel Gelişimi

• • 1960 yılında Ali Javan, William Bennet ve Donald Herriot Amerikanın New Jersey eyaletinde bulunan Bell laboratuvarında Helyum Neon lazerini bulmuşlardır. Bu tarihten günümüze kadar geçen sürede cinsine, enerji etkinliğine ve enerjinin uygulama şekline göre bir çok lazer çeşidi üretilmiştir.

Lazere İlişkin Temel Prensip

• • Lazerler Einstein tarafından geliştirilen ışımanın uyarılmış salınımı teorisine dayanarak çalışırlar.

Kendiliğinden ışıma, soğurma ve uyarılmış ışıma

Soğurma

• • • Atoma frekansı Ƴ olan elektromanyetik dalganın (fotonun) çarpması durumunda, dalganın sahip olduğu enerji atom tarafından soğrulur. Düşük enerji seviyesindeki atomun foton soğurarak bir üst enerji seviyesine çıkması, atomun enerji seviyesinde artışa neden olur.

Atomu her fotonu değil sadece enerjisi iki enerji düzeyi arasındaki farka eşit enerjiye sahip olan fotonları soğurur.

Soğurma

Işıma

• • • • Atomun uyarılmış durumda kalma süresi yaklaşık 10 -8 saniyedir.

Atomdaki bir üst enerji seviyesine çıkan elektronların alt enerji seviyesine geri dönmesi , E 2 seviyesinden E 1 seviyesine geçer.

Kendiliğinden ışıma Uyarılmış Işıma

Kendiliğinden Işıma

• • Yüksek seviyede bulunan atomun, kendiliğinden foton yayarak düşük seviyeli atom haline geçmesidir. Yayılma gelişigüzel şekilde olmaktadır.

Uyarılmış Işıma

• • Yüksek seviyede bulunan atom, foton zorlanması ile düşük seviyeli atomun bulunduğu seviyeye iner. Uyarılma: uygulanan basınç, ısıtma, hızlandırılmış elektronla bombardıman etme, ışık demetine maruz kalmaile mümkün olabilir.

Lazerin Çalışma Prensibi

• • • • • • • Bir dış kaynak tarafından tetiklenerek yapılan “uyarılmış ışıma” olayı lazer temin edilmesinin temelidir.

Optik saydam bir lazer tüpü içinde gerçekleşir.

İçerisi katı, sıvı veya gaz bir madde ile doldurulan lazer tüpünün bir ucunda tam yansıtıcı ayna , diğer ucunda ise kısmen yansıtıcı ayna mevcuttur.

Lazer tüpüne dışarıdan enerji verme olayı, elektrik akımı geçirerek, kimyasal yolla, yada dışarıdan ışık geçirme şeklinde gerçekleşir.

Atomların bir kısmi bu enerjiyi emerler (soğurma), fazla enerji de atomları kararsız hale getirir. Kararsız ve uyarılmış haldeki atomlara çarpan fotonlar sonucu bu atomlar da foton yayarlar ve kararlı hale geçmeye çalışırlar.

Yayılan bu fotonlar tüpün içerisindeki aynalardan yansıyarak döner ve reaksiyonu hızlandırır.

Lazerin Çalışma Prensibi

• Atomların büyük çoğunluğunun foton yaymasıyla ışık kuvvetlenir, kuvvetlenen ışık kısmen yansıtıcı aynalı uçtan dışarı çıkar.

Lazer Işının Özellikleri

• • • • Dağılmazdır ve yön verilebilir.

Çok uzak mesafelere kadar açısal çarpılmaya uğramadan gidebilir.

Enerji aynı frekans değerinde yayıldığından hedeflenen noktada çok yüksek yoğunluğa ulaşabilir.

Tek dalga boyluluğa sahiptir.(Monokromatiktir) Dolayısıyla her lazer kendi karakteristik dalga boyuna göre ışık yayar. He-Ne lazeri: 6328 0 A Argon lazeri: 5145 0 A

Lazer Işının Özellikleri

• • • • • Işık kaynaklarından elde edilen ışığın frekansı 100 0 A iken lazerlerden elde edilen 10 -3 0 A civarındadır. Lazer normal ışığa göre 10 5 kat daha fazla monokromatikliğe sahiptir.

Lazer ışını tek renkli ve genliği yüksek bir ışık demetidir.

Lazer ışını ile yüksek enerjilerde çok hassas işlemler yapılabilir.

Çok parlaktırlar Odaklanabilir özelliğe sahiptirler.

Lazerin Oluşma Şartları

1. Sistem uyarılmış durumda olmalıdır. Nüfus terslenmesi (üst enerji seviyesindeki (uyarılmış) atom sayısının temel haldeki atom sayısından fazla olması) olmalıdır.

2. Sistemin uyarılmış konumu yarı-kararlı olmalıdır. Böyle bir durumun ömrü daha uzundur. Uyarılmış ışıma, kendiliğinden ışımadan önce olur.

Lazerin Oluşma Şartları

3. Yayılan fotonlar, uyarılmış atomlardan uyarılmış ışıma yaptırmaya yetecek kadar uzun süre sistem içinde tutulmalıdır. Buda, sistemin uçlarına yerleştirilmiş olan yansıtıcı aynalarla sağlanmaktadır. Uçlardan birisi tamamen yansıtıcı, diğer uç ise lazer demetinin geçişine izin verecek şekilde yarı-geçirgendir.

Lazer Türleri ve Kullanım Alanları

• Katı Hal Lazerleri (Yakut Lazeri, Nd-YAG Lazeri, Ti- Safir Lazeri) – En çok kullanılan lazer türleri – Ölçme işleminde elmas kalıpların işlenmesinde – Boya lazerlerinin pompalanmasında – Atomik parçalanmada – Tıp alanında – Sanayi : metal kesme, delme – Seramik işlemede

Lazer Türleri ve Kullanım Alanları

• Sıvı Lazerler (Boya Lazerleri): Kimyasal analiz işlemleri için uygundur.

– Tıbbi cihazlarda ışın kaynağı – Kanser tedavisinde – Deri hastalıklarında – Atmosferdeki gazların analizinde – Mikro elektronik devrelerde – İnsansız uzay araçlarındaki güneş pillerinde – Üç boyutlu resim çekme ve görüntüleme – Uranyum madenciliği işleme

Lazer Türleri ve Kullanım Alanları

• Gaz Lazerleri (Atom lazerleri :He-Ne - Molekül Lazerleri : CO2, Nitrojen – İyon Lazerleri: Argon, Kripton – Metal Buharı Lazerleri: Bakır, altın) : – Deri, lastik gibi malzemelerin delinme ve kesilmesinde – Çocuk emziklerinde delik açma – Zımba basımında – Metal, plastik, ağaç, seramik ve cam işlemede

Lazer Türleri ve Kullanım Alanları

• Yarıiletken Lazerler (Diyot lazeri): – Yüksek hız ve düşük maliyetli lazerlerdir – CD, DVD, teknolojilerinde okuyucu – Isıtma, kaplam, dikiş kaynak gibi sanayi uygulamalarında