Sunuş: Bu yazımızla okuyuculara bilimsel araştırmalar sonucu insan yararına kullanılmak üzere pratiğe aktarılan çağımız ileri teknolojilerini tanıtacağımız 5 makalelik yeni bir yazı dizisinin ilk makalesi LASER ve uygulamalarını okuyacaksınız. Araştırma ve geliştirme çalışmaları (Ar-Ge) ileri toplumların en büyük ve güvenilir sermayeleridir. Günümüzde akıllı yöneticiler ve ülkeler özellikle insanlık yararına sonuçları olabilecek pratik uygulamaya yönelik bilimsel araştırmaları desteklemektedirler. Böylece bir yandan yeni istihdam alanları yaratırken bir yandan da ileri teknoloji ürünlerini satarak yatırdıklarından daha çok para kazanabil-mektedirler. Araştırmaya dayanmayan sadece teknolojik bilgi satın alarak üretim yapmaya çalışanlar ve ithal teknoloji ile ürettiklerini satanlar da zengin olabilirler. Ancak unutmamaları gereken nokta, sürekliliği sağlamak için her yeni teknolojiyi
satın almak zorunda olmalarıdır.

Bilimsel araştırmalar sonucu geliştirilen teknolojilerle Laser, fiber optik kablolar, yarı iletken silisyum ve bundan ürettikleri chipler, diotlar, diyot laserler, foto voltaik hücreler, enerji detektörleri, bu sistemle donatılan saat, hesap makineleri, ölçü aletleri, sensörlar, enerji depoları (piller), tıbbı aletler üretilmiştir. Geleceğin teknolojisi nanoteknoloji, biyo-teknoloji, süper iletkenler, yeni etkin MR, IBMR gibi tıbbi teşhis aletleri üretimi hep bilimsel araştırmalar sonunda gerçekleşen ileri teknoloji ürünleridir. Bu konuları bilimsel, ama fazla teoriye girmeden anlaşılabilir basitlikte tanıtarak sizlere sunmaya çalışacağım.

İlk konumuz 48 yıllık geçmişi olan ve asıl araştırma konularımla yakından ilgili LASER i temeli, yapısı türleri ve başlıca uygulama alanları ile vermek istiyorum.

LASER TEMELİ, YAPISI, TÜRLERİ ve başlıca UYGULAMA ALANLARI

İlk LASER ABD li fizikçi TH Maiman tarafından 1960 yılında yapılmıştır. LASER kelime olarak olayı tanımlayan İngilizce cümlenin (Light Amplification by Stimulated Emissin of Radiation) ilk harflerinden oluşan bir kısaltma olup Türkçeye “ışıma ile indüklenerek şiddeti yükseltilen ışık yayımı” şeklinde çevirebiliriz. Kısa süre içerisinde LASER hem bilimsel araştırmalarda hem de haberleşmeden tıbba kadar birçok uygulamalarda kullanılmaya başlayan tek dalga boylu (monokromatik) eş fazlı, yönlendirilmiş şiddetli bir ışık kaynağıdır.

LASER in keşfi ve seri üretiminin başlamasını izleyen yıllarda öncelikle spektrokimyasal analizlerde ışık kaynağı, atomlaştırıcı, bir maddenin küçük bir yüzey parçasındaki safsızlıkların analizi (lokal-yerel analiz) gibi yine bilimsel araştırmalarda kullanıldı. Işığın çok dar bir dalga boyunda ve koherent, yani yönlendirilmiş olması nedeniyle uzak mesafelere dağılmadan ulaşabildiği, küçük bir noktaya kolay odaklanabildiği gözlendikten sonra haberleşme ve sinyal göndermede kullanılabileceği düşünülmüş ve uygulamaya aktarılmıştır. Aynı üstün özelliği, yani ışığın dağılmadan taşıdığı enerjiyi çok küçük bir yüzeye ışık olarak aktardığı anlaşıldıktan sonra da diğer bilim ve teknoloji alanlarında uygulama bulmuştur. Diğer bilim alanları içerisinde ilk uygulama tıpta göz ameliyatlarında ve ciltteki lekeli noktaların yakılarak yok edilmesinde olmuştur. Bu alanı ince levhaların talaşsız çok dar bir aralığında ve çok az maddeyi buharlaşarak kesilmesinde, yüzeylerin çok az madde tahribatı ile işaretlenmesi ve bunun sonucu disket kayıtlarında, bilgisayar kayıtlarında mikro devrelerin yapımında uygulamaları izlemiştir.
Fiziksel Temeli: 20 Yüzyılın başındaki yoğun bilimsel çalışmalarla atom yapısı ve ışın- madde arası etkileşim açıklandı. Kuvantum kimyası olarak adlandırılan bu çalışma sonuçlarına göre atom çekirdekleri etrafında elektronlar belirli kurallara göre en düşük enerjiden en yüksek enerjiye göre şekilde dizilirler. Her bir atomun tüm elektronlarının dizildiği yörüngelere atomun temel enerji düzeyi, en dıştaki elektronun geçebileceği üst yörüngelerdeki enerji düzeylerine de enerji diyagramı denir. Temel enerji düzeyindeki bir atoma enerji verildiğinde atom uyarılır, yani en dıştaki elektronları kuvantum geçiş kurallarına göre izin verilen üst enerji düzeylerine geçer. Ancak uyarılmış düzeyde ençok 1-10 ns (nano saniye) kalarak tekrar temel enerji düzeyine döner ve almış olduğu enejiyi ışık halinde verir. Bu olay kendiliğinden olduğundan bu ışık yayımına kendiliğinden (spontan) emisyon denir. Atomun uyarılması elektronun bulunduğu temel ve üst enerji seviyeleri arası enerjiyi veren termik (ısısal) enerji ile olacağı gibi bu enerjideki başka bir kaynağın yaydığı ışığın absorpsiyonu (soğrulması) ile de olur. Normal bir atomda elektonlar ns mertebesindeki süre dışında temel enerji düzeyinde bulunduklarından bu enerji düzeylerinde bulunma olasılıkları hep üst uyarılmış enerji düzeylerinde bulunma olasılıklarından daha büyüktür. Bu gerçeği Einstein daha 1917 de öngörse de kuvantum kimyacıları bu olasılıkları sayısal hesaplamışlardır.

Ancak bazı atomlara dıştan bir ışık absorpsiyonu ile elektron temel seviyeden üst seviyelere sürekli geçirilir (yani optik olarak pompalanırsa) o atomun yapısal özelliğinden belirli üst enerji seviyesinde elektonu bulunan atom sayısı doğal olarak daha çok olması gereken düşük enerji seviyesindekilerin üstüne çıkarılabilir. Bu olaya ters işgal denir. İşte bu tür enerji düzeylerine sahip elementler LASER yapımında kullanılır. Ters işgal sağlandığında atomlar hep birden daha şiddetli ışıma yaparak elektronlarını temel düzeye geçirmeleri ile ışık yaymalarına şiddetlendirilmiş (indüze) emisyon denir. Bu tek dalga boylu yayılan ışık özel düzenekle eş fazlı (kohorent) hale getirilirse LASER oluşur. Bu ışın hem şiddetli, hem de kohorent yani doğrultulmuş ve aynı fazlı bir demet haline getirilmiş olduğundan taşıdığı enerjiyi şiddetini çok kaybetmeden uzak mesafelere taşıyabildiği için haberleşmeden, düştüğü yerde tahribata kadar birçok işlemde kullanılabilir.

C.H: Townes arkadaşları çalışmalarında mikro dalga bölgesinde benzer olayı gözlemişler ve olaya MASER adını vermişlerdi. Maiman bu örnekten esinlenerek daha yararlı ve kullanışlı LASER i yaptı. Maiman 1960 yılında alüminyum oksit içerisinde kromun safsızlık olarak bulunduğu yakut (ruby) kristalinindeki kromun LASER oluşturacak enerji düzeyleri olduğunu görerek ilk katıhal LASER ini yapmıştır. LASER kaynağı iki yüzeyi tam paralel kesilmiş, bir yüzeyi ışığı % 100 yansıtıcı, öbür yüzeyi %50 geçirgen yapılmış 3-5 cm boyunda ve 0,5-1,0 cm çapında silindirik yakut çubuk, yanında optik pompalayıcı olarak ksenon ark lambası, bunların içine yerleştirildiği eğik yüzeyli veya elipsoyidal içyüzeyi aynalaştırılmış cam kutudan oluşur. Sürekli ve şiddetli ışın yayan ksenon ark lambasının yakılması ile ışıklar üzerine düştüğü kristal içerisindeki krom atomları dış elektronlarını üst enerji seviyesine çıkarır, yani optik olarak alt seviyeden üst uyarılmış seviyeye pompalar. Aynadan yansıyan ışınlar da pompalamaya katılır, üst enerji seviyesinden yarı kararlı daha alt ara düzeye gelen elektronlar o düzeyde kaldığından sürekli pompalama sonucu temel enerji düzeyinde elektronu olan atom sayısı yarı kararlı düzeyden daha aza inince ters işgal sağlanmış olur ve Laser çalışmaya başlar. Sürekli saydam yakut kristali üzerinde gidip gelen ışınlar ancak tam paralel eş fazlı bir demet oluşturunca şekil 1 deki %50 geçirgen yüzeyden çıkar. Bu olay pulslar halinde (atımlar şekinde) yayılır. Şekil 2 de Laser işleyişi verildi. Yakut laser pulslı olarak tek 694 nm dalgaboylu krom ışığı yayar. Bu tür laserlere puls veya atımlı laser denir. Pulslar arası süre binde bir ile yüzbinde bir saniye araındadır. Yaygın üretilen bir katı hal laseri de silisyum okside neodyum dote edildiği Nd-YAG Laserdir. Europium cam laseri de şimdilik son örnektir.

Katı hal laserleri ticari üretimlerinden hemen sonra katı maddelerin yüzeyindeki bozukluk ve kirliliklerin analizi başta
olmak üzere emisyon spektroskopisinde ışık kaynağı ve atomik absorpsiyon spektroskopisinde atomlaştırıcı olarak kullanıldı. İzleyen 10 yılda yeni başka laser türleri de yapılarak malzeme işleme ve karakterizasyonu, haberleşme, kayıt, tıbbı ameliyatlar başta olmak üzere birçok alanda kullanılıldı.

LASER Türleri

İlk yakut laseri yapıldıktan 3 yıl sonra 1963 yılında helyum-neon gaz laseri yapılmıştır. Günümüze kadar kırmzı ötesi (IR) bölgeden morötesi (UV) dalgaboyuna kadar değişik dalga boylarında, ancak her biri tek dalgaboynda ışın yayan biçok laser üretilmiştir. Prensip olarak floresans özelliği gösterebilen, yani yüksek enerji seviyesinden daha düşük enerji seviyesine ışıma ile geçiş yapabilecek uzun ömürlü enerji seviyesine sahip tüm atom ve moleküllerden Laser hazırlanabilir. Her laserde bir laser aktif madde, bir optik pompalama sistemi, ışık şiddetini yükselten bir laser osilatörü ve optik rezonatör bulunur. Ençok kullanılan LASER türleri fazlarına göre katı, sıvı ve gaz laserleri olmak üzere üç grupta toplanırlar.

1-Katıhal laserleri de kendi aralarında 2 grupta toplanırlar.

 a)Yukarıda anlatılan yakut (rubi), NdYAG, Eu-cam laserleri gibi ilk geliştirilen laserler,
 b)Kısaca LED olarak adlandırılan galyum arsenür (GaAs),galyum nitrür (GaN), indiyum fosfür (InP) gibi yarı iletken laserlerdir. Bu laserlerde optik pompalama temas bölgeden geçen elektrik akımı ile sağlnırken yayılan ışığın dalga boyu akımla kontrol edilir. Sürekli ışıma sağladıkları gibi hacanan elektriğe göre ışıma verimleri de yüksektir. CD çalar, seskayıt ve okumada en yaygın kullanılır. Yeni türler %60 verimle elektriği ışığa çevirdiğinden aydınlatmada kulaılmaktadır.

2-Sıvı laserler, yada boya laserleri denen bazı organik maddelerin seyreltik çözeltilerinde oluşturulan laserlerdir. En bilinen sıvı laser rodamin 6G laseridir. Sıvı laserlerde ışığın dalga boyu aralığı ayarlanabilir.
 
3-Gaz laserler ki bunlar da 3, hatta 4 grup altında toplanabilir:
 a)Helyum-neon (HeNe) gibi soygaz laserleri, gösteri aydınlatmalrnda en çok kullanılanlardır. He-Ne laserde helyum deşarj lambası ışığı optik pompalamayı sağlar, neon ise laser maddesi olarak kendi laser ışımasını yapar. Argon ve kripton laserlerinde yardımcı gaza gerek olmadan gaz iyonları aynı işlevi, hem de birçok farklı dalga boyunda laser yayarak yerine getirir.
 b)Kurşun, kalay, çinko ve kadmiyum gibi metal buharı + soygaz laserleri,
 c)Soygaz-halojen karışımlı eximer laserler,
 d)Karbon diyoksit, karbon monoksit, azot gibi mleküler gaz laserleri. Karbon dioksit laseri 50 bin W  a kadar yüksek enerjili üretilebilir ve puls enerjileri

1-10000 Jul arası ayarlanabilir.

4-1977 Yılında bir atoma bağlı olmayan serbest elektron laserleri de yapılmıştır.

Her bir laser türü için en uygun kullanım alanları vardır. Endüsride talaşsız kesme ve ince oymacılık işleri için karbon dioksit laser uygunken, haberleşme, mesafe ölçümü, göz ameliyatı ve tıpta diğer gaz laserleri tercih edilir. Güçlü laserler bir roketin hedefini bulmadan tahribinde (yıldız savaşları), nükleer füzyon başlatmada, kaynak yapmada kullanılabilir. Laser üzerine düştüğü biyolojik doku tarafından absorplanarak dokunun termik parçalanmasına ve buharlaşmasına sebep olduğundan tıpta kanamasız doku yakma ve kesmede yaygın kullanılım alanı bulmuştur. Aynı nedenle Laserle çalışırken tehlikesini düşünerek güvenlik önlemleri alınmalıdır.

En basit düşük güçlü ucuz bir gösterme (pointer) laserden çok güçlü ve pahalı laserler ticari olark satılmaktadır. Kullanım amacına göre en uygun laser satın alınmalıdır.

Günümüzde asıl yapılmalarında hedeflenen amaç doğrultusunda, yani spektrokimyasal analizde kullanılan laser kaynaklı spektrometreler eksiklikleri giderilerk çok geiştirilmiş olup, multi eser element tayinine de uygun hale getiril-miştir.

Maalesef birçok teknik alet gibi laserler
de ülkemizde üretilmemektedir.

Kaynaklar
1-Enstrümental Analiz ders kitapları, tüm optik emisyon spektroskopisi kitapları,
2-Ullmanns Encyclopaedie der technischen Chemie,Band16,.13-25,Verlag Chemie1984