LAZERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

LAZERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ
Optik bakımdan saydam, bir ucunda tam sırlı ve yansıtıcı, diğer ucunda yarı sırlı kısmen yansıtıcı iki ayna bulunan bir tüp alınır. Buna gaz, sıvı ve katı bir madde doldurulur. Dışarıdan ışık verme, elektrik akımı geçirmek suretiyle veya kimyasal bir yolla elde edilen enerji, ortamdaki atomlara ulaşır. Bunların bazıları bu enerjiyi emerler. Fazla enerji, atomları kararsız hale getirir. Kendisine bir foton çarpan, uyarılmış ve kararsız atom, fazla enerjiyi foton neşrederek verir. Fotonlar, benzer şekilde diğer fotonların neşrini sağlar. Uçlara ulaşan fotonlar, aynalardan yansıyarak geri dönerler ve olay devam eder. Uyarma ve tahriklerde ortamdaki fotonlar artar. Atomların hemen hemen hepsi, foton yaymaya başlayınca kuvvetlenen ışık, yarı sırlı uçtan dışarı çıkar. Bu, lazer ışınıdır. Lazer dalgalarını, uygun adım giden aynı üniforma ve şekle sahip askerlere, normal ışığı ise rasgele karakteri bozuk bir orduya benzetmişlerdir. Normal ışıkta dalgalar, birbirini zayıflatıcı karakterde olmasına rağmen, lazerde birbirini kuvvetlendirici olurlar. Lazer ışınları yüksek frekanslı olduklarından güneş ışını özelliklerine sahiptir. Ancak lazer ışınları tek frekanslı olduğu için kayıpları azdır. Ayrıca lazer ışınları aynı fazda yapılan ışık dalgaları olduğu için şiddeti büyük olur. Bu yüzden lazer ışınlarının şiddeti güneş ışınlarının şiddetinin bir milyon katıdır.
Elektromanyetik dalga paketçiği de denen foton, güneş ışığı füzyon reaksiyonuyla meydana gelip, bu şekilde yayılan foton enerjisidir. Lazer ışında foton yayılmasından ibarettir. Lazerde foton üretimini anlayabilmek için atomların değişik seviyelerinde ne gibi hadiseler olduğunu bilmek gerekir. Bir atomun uyarılmış durumda bulunduğu kısa zaman aralığında üzerine belli bir dalga boyunda foton düşürülürse, atom aynı fazda foton yayar. Bu işlem peşpeşe tekrarlanırsa, tamamen aynı fazda bir ışın demeti elde edilir. En düşük enerji seviyesinde bulunan bir atoma dışarından bir foton verilirse, atom enerjisi kazanarak E1 enerji seviyesinden E2 seviyesine uyarılmış olur. Bu atom kendi halinde bırakılırsa, uyarılmış bulunduğu E2 enerjisinden bir foton vererek E1 enerji seviyesine döner. Uyarılarak enerji seviyesi E1’den E2’ye yükseltilen atom enerjisini geriye foton olarak yaymaya başlarken bir foton daha çarptırılırsa atomu birbiri ile aynı özellikte iki foton terk eder. Bu şekilde atom kat kat enerji seviyelerine çıkarılırsa bu seviyelerden düşerken de katlar halinde foton ürer. Bu işlem iki paralel ayna arasında aynı fazda olan fotonların toplanmasışeklinde devam eder. Lazer ışını dalgasının dalga boyu aynalar arasındaki mesafe ile uyumludur. Aynı frekansta yani, aynı dalga boyunda yapılan foton üretimine uyarılmış yayılma işlemi denir. Milyonlarca atom için bu işlem yapılırsa aynı yöne doğru milyonlarca foton paralel ışınlar halinde bir noktadan yayılır. Bu ışınlar aynı fazda, aynı frekansta, aynı yönde olduklarından adeta birbirine yan yana yapışıktır. Paralel aynalar arasında şiddeti bu şekilde çığ gibi artan ışınlar, ışık frekansına eş bir frekansta, darbeler halinde oldukça parlak ışık huzmesi olarak yayılır. Lazer ışınındaki enerjisinin büyümesinin esası işte bu milyonlarca küçük enerji kaynaklarının çok dar bir huzme halinde aynı yönde hem yan yana hem de art arda birleşmesi neticesidir. Lazerin çalışması için enerji seviyesi düşen atomlarda daha fazla sayıdaki atomların uyarılacak enerji seviyelerine yükseltilmesi gerekir. Bu durum ise normal olarak atomların enerji seviyesi dağılımının tersidir. Bu sebepten lazerin çalışması için gerekli durum tersine çevrilmiş dağılım olarak adlandırılır. Tersine çevrilmiş dağılımı ortaya koymak çıkarmak için pompalama işlemi kullanılır. Optik pompalama ise, yüksek frekanslı yoğun ışınların neşriyle yapılabilir. Yarı iletkenli lazerlerde pompalama elektrik akımı yardımıyla gerçekleştirilir ve işlem elektriksel pompalama olarak isimlendirilir. Gaz lazerlerinde ise pompalama işlemi elektron-atom veya atom-atom çarpıştırılmasıyla ortaya çıkarılır ve çarpışma pompalaması olarak bilinir. Kimyasal pompalama işleminde ise kimyasal lazerlerde kimyasal reaksiyonlarla atom ve moleküller uyarılır. Gaz- dinamik lazerlerde de pompalama ses hızı üstü gaz genişlemesi yoluyla gerçekleştirilir ve gaz genişleme pompalaması olarak isimlendirilir.

4.1. OSILASYON
Yukarıda açıklanan tersine çevrilmiş dağılım elde edildikten sonra, bu ortamdan geçen ışık rezonans durumuna getirilir. Optik asilator olarak da isimlendirilebilecek bu ortam yansıma, kırılma ve diğer kayıpları karşılayacak durumda olmalıdır. Bu amaçla lazer ortamı, uzunluğuna doğru bir parça şeklinde düzenlenir ve iki ucuna çok kuvvetli yansıtıcılar konarak ışının bunlar arasında ileri-geri yansıması sağlanır. Bu yansıtıcılardan biri bir ölçüde saydam yapılarak rezonans frekansına ulaşan ışının lazer ışını olarak ortamından dışarı çıkmasını sağlar.

4.2. Q-ANAHTARLAMASI
Çok kısa ve çok güçlü çıkışlar q-anahtarlaması kullanılarak depo edilmiş lazer ışınlarından elde edilebilir. Bu tür teknikte yansıtıcılardan biri pompalama aralığının bir kısmında yansıtmayacak şekilde düzenlenir. Daha sonra yansıtıcı hale getirilir. Bu düzenleme sonucu pompalama devresinin bir kısmında depo edilen enerji diğer kısmında büyük bir darbe olarak yayılır. Q-anahtarlamasının en kolay şekli bir aynanın çok hızlı dönmesiyle gerçekleştirilir. Bu aynanın diğer ayna ile aynı eksene geldiği zaman da lazer yayılımı ortaya çıkar. Bu konuda uygulanabilecek diğer teknik lazer frekansına ışık absorbe eden seyreltilmiş bir çözelti ortamı kullanmaktır. Bu şekildeki absorpsiyon enerjinin depo edilmesini sağlar.

4.2.1. DÖNER AYNA METODU İLE Q ANAHTARLANMASI
Bu metot geliştirilen ilk metot olup, aynalardan birini çok yüksek bir açısal hızla döndürmeye dayanır. Böylece aynalar çok yakın bir paralellikte iken, optik kayıpları “her dönüş çemberindeki kısa aralar haricinde” yüksektir. Bu noktaya ulaşılmadan hemen önce, bir tetik mekanizması, laser pompalayabilmesi için flaş lambasının boşalmasını başlatır. Aynalar paralel değilse, laser olayı boşalmadan bir ters birikim oluşabilir. Aynalar paralel hale gelince, Q anahtarlanmış pulsu oluşturacak Q anahtarlanması oluşur. Laser çizgilerinin tekrarlanma hızı, flaş lambasının kontrol edilmesiyle tespit edilir. Aynanın dakikada 60.000 dönüşe varabilen dönüş hızına bağlı değildir. Laser her dönüşte ateşlenseydi, bu ateşlenmenin tekrarlama hızı saniyede 1000 kez olacağından bu hız, izole edici kristallerdeki laser tüplerinde aşırı ısınma oluşturacağı için izin verilmeyen bir değer olurdu. Döner ayna tipi Q anahtarı ucuz, güvenilir ve sağlam olmalarına rağmen, yavaş olma gibi büyük bir dezavantajı vardır. Bu şekilde ele edilen Q anahtarlanmış pulslar, diğerlerine göre verimsiz üretimli ve düşük maksimum güçlüdür.
En büyük ters birikim hızının yani maksimum gücünün ve dolayısıyla foton yayımının en büyük değeri, ters birikimin, eşik birikim değeri olan Nth’ye düştüğü zaman meydana gelir. Pulstaki ortalama gücü tahmin edebilmek için, pulsun süresinin bilinmesi gerekir. Q anahtarlanmış pulsun, laser aynaları arasında bir ileri bir geri salındığını ve aynalardan birine her çarpışta, geçiş ile enerjisinin (1-R) kadarını kaybettiği düşünülmektedir. Böylece puls boşluk uzunluğu boyunca [1/(1-R) (L/C)] zamanda meydana gelen 1/(1-R)’lik geçişler yapar. Bu çoğu zaman boşluğun yaşam süresi tc’ye ait bir ifade olup pulsun sürdüğü zaman aralığı olarak da alınabilir. Buradan pulsun gücü yaklaşık P = E/tc ve F = 1/2h W21(Ni – Nf) V olduğundan güç ifadesi;
şeklindedir.

4.2.2. ELEKTRO-OPTİK Q ANAHTARLANMASI
Elektro-optik modülatörler (değiştiriciler) hızlı Q anahtarlayıcılar olarak kullanılabilir. Bir Pockel hücresi kullanıldığında laser çıkışı doğal olarak polarize değilse, boşluğun içine Şekil-A’da görüldüğü gibi bir polizer (elektro-optik) yerleştirilmelidir.

Şekil-A: Elektro-optik kristal, Q anahtarı olarak kullanılmış. V voltajı açıkken elektro-optik kristal dörtte bir dalga boylu levha olarak davranır ve b’deki dik çizgi şeklinde polarize olmuş ışığı, c’deki dairesel polarize olmuş ışığa verir. Yansıyan ışık yatay ve lineer şeklinde polarize olur ve polarizer tarafından uzaklaştırılır. Bu yüzden Q düşük olur. V kapalı iken kristal etkisiz olup boşluk Q’su yüksektir.
Hücrede, lineer polarize olmuş ışığı dairesel polarize olmuş ışığa çevirmeye yarayan dörtte bir dalga boylu ( / 4) levhayı üretecek voltaj gerekir. Laser aynaları, bu ışığın dönüş yönünü değiştirerek yansıtır. Böylece elektro-optik hücreden tekrar geçişte düzlemsel polarize olmuş şekilde olup orijinal polarizasyon yönüyle 90o açı yapar. Fakat bu ışık polizer tarafından geçirilemediğinden yok olur. Boşluk switch-of “anahtarı kapatılmış” olur. Voltaj sıfıra indiği zaman, polarizasyon düzleminde dönüş olmadığından Q anahtarlanması meydana gelir. Pompalama mekanizmasıyla aynı anda oluşan voltaj değişimi 10ns’den daha az bir sürede meydana geldiğinden etkili Q anahtarlanması gerçekleştirilmiş olur.
Kerr hücreleri ve akusto-optik modülatörler kullanılarak alternatif düzenekler yapılabilir. Akusto-optik modülatörlerde akustik bir sinyalle modülatör, ışık demetinin bir kısmını boşluktan saptırır ve büyük bir kayıp oluşur. Eğer ses dalgası kapatılırsa, bir öncekinde olduğu gibi Q anahtarlanması oluşur. Akusto-optik cihazlar laser ortamı sürekli pompalandığında ve tekrar tekrar Q anahtarlandığında kullanılır. Laserler Nd: YAĞ ve CO2 laserleridir.

4.2.3. PASİF Q ANAHTARLANMASI
Pasif Q anahtarlanması; boşluğa doyulabilir bir absorber, ağartıcı boya yerleştirilmesiyle meydana gelir. Uyarıcı flaşın başlangıcında boya mattır, ışığı geçirmez. Bu yüzden laser olayını önleyerek istenilen bir ters birikim oluşmasına neden olur. Boşluktaki ışıma arttıkça boya artık soğurma yapamadığından Q anahtarlanması meydana gelir. Pasif Q anahtarlanması kullanılma açısından büyük bir avantaja sahiptir. Çünkü, şeffaf bir hücrede uygun çözeltideki boyadan başka bir şey kullanılmaz. Yakut laserleri için uygun boya cryptocyanine iken CO2 laserleri için uygun boya hexafluoridedir.

4.3. MODE KİLİTLENMESİ
Çözelti kullanılarak ve anahtarlama ile elde edilen lazer ışınının gücü mode kilitlenmesi ile daha da artırılabilir. Böyle bir durumda birbirine yakın ve aralarında belirli bağıntının bulunduğu ‘kilitli’ frekanslarda aynı zamanda titreşim meydana gelir. Böylece çok daha kısa zamanda yüz trilyon watt’a yaklaşan bir güç elde edilir ki, bu dünyadaki bütün elektrik santrallerinin toplam üretiminden daha fazladır.

Yorum yazın