LASER ÇEŞİTLERİ

LASER ÇEŞİTLERİ
8.1. KATI-HAL LASERLER
İlk bulunan laser yakut laseridir. Yakut, az miktarda krom ihtiva eden alüminyum oksit kristalidir. Kırmızı laser ışınları yayan, bu kristal içindeki krom atomlarıdır. Krom atomları optik olarak yeşil ve mor ışıkla uyarılır. Bu tür laser ile saniyenin milyarda biri gibi kısa bir sürede birkaç milyon wattlık güç nakledilebilir. İlk yakut laser sadece bir darbe ile çalıştırılırdı. Daha sonra bunun oda sıcaklığında ve sürekli biçimde çalıştırılması mümkün olmuştur. Darbenin gücünün yükseltgendiği ikincil laserlerle birlikte kullanılan q-anahtarlı laser moduyla saniyenin birkaç milyarda biri kadar devem eden birkaç milyar wattlık güç üretilebilir. Günümüzde kullanılan laser, sert şeffaf kristalden meydana gelir. Kristalde küçük miktarda genellikle nadir toprak elementleri mevcuttur. Bu kristalin işlem için oda sıcaklığının çok altına indirilmesi gerekir. Bu laserler optik pompalama gerektirirler ve darbeli olarak çalışarak ısınmayı önlerler. Sıcaklık ve manyetik alanda yapılacak değişiklikle çalışma frekansı ayarlanabilir.
Neodimium çeşitli kristallerde kullanılan nadir toprak elementlerinden biridir. Enerji düzeyi sebebiyle fazla optik pompalamaya ihtiyaç göstermez ve su sebepten dolayı tercih edilir. Güneş ışığının kullanılması uzay uydusuna yerleştirilen haberleşme sisteminde muhtemel laser kullanımını mümkün kılmaktadır.

8.1.1. OPTİK POMPALAMALI LAZER-YAKUT LAZERİ
En eski lazerdir ve T.H. Maiman adlı bir şahıs tarafından 1960’ta yapılmıştır. Bu kristalin yapı taşı Al2O3 tür ve küçük sayıda olmak üzere Al+3 iyonları Cr+3 iyonlarıyla değiştirilmiş durumdadır. Cr+3 iyonları kırmızı ışıktan sorumludur bu lazer çeşidinde. Tersine birikime ulaşmak için bir flaş kullanılır. Flaşın güçlü ışığı, kristalin elektronlarını yüksek seviyelere pompalar. Flaş beyaz ışık yayar ve çok şiddetlidir. (beyazın içinde her renk vardır yani bu görünür bölgeye düşen her dalga boyu anlamına gelir).
Kristal çubuk flaş lambasından gelen uygun frekanslı ışığı emer ve lazer ışığı yaymaya hazır olur. Kendiliğinden yayımlanan bir foton zincirleme reaksiyon başlatır ve 693nm (kırmızı) dalga boyunda lazer ışığı oluşur.
Tersine birikime uğramış atomlar, çubukta 0.001 saniye kalırlar yani devamlılık için flaş bu sıklıkta yakılmalıdır.

8.1.2. NEODYMIUM LAZERİ
Termonükleer füzyon deneyleri için yapılmıştır ve bu lazer 10- 9 saniyelik sürelerle 8*1010kW enerji verir. Bu sayı Amerika’nın toplam enerji ürettim kapasitesinden fazladır.

8.1.3. YAG LASERİ (Yttrium Alüminyum Garnet)
Neodime katkılanmış ve aynı dalga boyu üzerinde yayım yapan bir itriyum ve alüminyum grenasıdır. Bu gereç sürekli ya da darbeli bir çalışmaya olanak verir.
Erbiyum veya holmiyum iyonları gibi başka malzemeler üzerinde de incelemeler yapılmaktadır.

8.1.4. DOPED LASERİ
Katı laserlerin en çok kullanılan malzemeleri Ruby (yapay yakut) kristali veya Neodymium’la zenginleştirilmiş camsı (Silisyum oksit bazlı) kristallerdir. Bu tip laserlerde çakma zamanı olarak 12*10E-

8.1.5. YARI İLETKEN LASERLERİ
Yarı iletken malzemelerden elde edilen kristallerle de laser yapılmıştır. Galyum arsenik kristali yarı iletken lasere örnektir. Yarı iletken diod gibi p-n malzemenin birleşmesinden meydana gelmiş olup, p-n malzemenin birleştiği yüzey yakut laserindeki aynalar görevini yapar. Birleşim yüzeyinde pozitif voltaj p tarafına ve negatif voltaj n tarafına verildiği zaman elektronlar n malzemesinden p malzemesine geçerken enerjilerini kaybeder ve foton yayarlar. Bu fotonlar tekrar elektronlara çarparak bu elektronların daha çok foton üretmesine sebep olurlar. Neticede yeterli seviyeye ulaşan foton neşri, laser ışınını meydana getirmiş olur. Bu tür laserler verimli ışık kaynaklarıdır. Genellikle boyları bir milimetreden büyük değildir. Ancak çok verimli çalışma için ortam sıcaklığı oda sıcaklığının çok altına düşürülmelidir. 15 sn. ye kadar ulaşılmıştır

8.1.6. BOYA LASERLER
Sıvı laserler içinde en önemli olan laser boya laserleridir. 1965 yılında keşfedildikten sonra bu laser başta araştırma laboratuarlarında olmak üzere geniş bir uygulama alanı bulmuştur. Bu tip laserlerin en önemli özelliği dalga boyunun, geniş bir spektral bölge içinde sürekli olarak değiştirilebilir (tunable) olmasıdır. Bunun başlıca nedeni enerji diyagramında görüldüğü gibi boya molekülünün enerji bantlarının çok geniş olmasından kaynaklanmaktadır. Boya maddesi değiştirilmeden laser çıkışının dalga boyu boya maddesine bağlı olarak 30mm-100mm kadar değiştirilebilmektedir.
Laser geçişi, boya (dye) molekülünün taban enerji durumu 1s1’den 1s0 temel enerji durumuna geçişiyle ortaya çıkar. Ortik pompalama için flaş lambası ya da çoğunlukla başka bir laser Ar laseri, Kr iyon laseri, N2 laseri vb. kullanılır. Pompalama için başka bir laser kullanılması durumunda moleküller S1 ve S0 enerji bantları arasındaki enerji farkına uygun biçimde uyarılırlar.

Şekil-B: Boya Laserinin Enerji Şeması
Boya laserleri genellikle sürekli dalga boyda çalışılacak biçimde imal edilirler. Bu tip laserler darbeli (pulslu) olarak çalışacak biçimde yapılabilirler. Laserin çıkış gücü Watt düzeyindedir. Araştırma amacıyla imal edilen dye laserleri birkaç yüz mwatt gücündedir. Bu laserler ile görünür bölgenin tamamında (0,4-0,7 mikrometre) ve kısmen kırmızı altı (IR) bölgede laser ışını elde etmek mümkün olabilmektedir. Bir başka değişle tüm görünür bölgeyi kesintisiz olarak toplamak mümkündür.

Şekil-C: Bir Çeşit Boya Laser Tipi
En az dört aynadan oluşan ring dye (boya) laseri güçlü (birkaç watt) tek-mod (single-mode) laser elde etmek için en son geliştirilmiş laser tiplerinden bir tanesidir.
Bazı organik boya maddeler, üzerine düşen ışığı farklı bir renkte yeniden yayınlarlar. Atomlarının uyarılmış durumda bulunma süresinin çok kısa olmasına ve yayımlanan ışığın dar bir bantta toplanmasının olanaklı olmamasına karşılık boya maddeleirnin laserde kullanılmasının nedenlerinin bunların geniş bir frekans bölgesi içinde ayarlanabilme özelliği göstermesidir.
Rodamin 6G gibi boya maddeler başka bir laserle uyarılma sonucunda laser etkisi gösterir. Turuncu-sarı bir ışık yayan rodamin 6G, sürekli olarak çalışan ilk laserin gerçekleştirilmesin yararlanılan boya maddeleridir. Böylece frekansı ayarlanabilen sürekli bir laser demetinin elde edilmesi imk3an doğmuştur. Başka boya madde olan metillumbelliferen, hidroklorik asitle karıştırıldığında ışık tayfının mor ötesinden sarıya kadar uzanan bölgesinde laser etkisi gösterir. Böylece tayfın bu bölgesinde istenen dalga boyunda laser ışığı elde edilebilir.
8.2. SIVI LASERLER
En çok kullanılan sıvı laser türü, organik bir çözücü içindeki organik boyanın seyreltik bir çözeltisidir. Bunlara mor ötesine yakın ve kızılötesine yakın arasında laser türleri elde edilebilir. Genellikle pompalama optik olarak cereyan eder. Birkaç laser paralel olarak çalıştırılabilir. Böylece saniyenin birkaç trilyonda biri devam eden laser darbeleri elde edilebilir. Boya laserlerinin en önemli özelliği dalga boyunun geniş bir alanda hassas bir şekilde ayarlanabilmesidir.

8.3. GAZ LASERLERİ
İlk gaz laser helyum ve neon karışımı şeklinde kullanılmıştır.bu karışım uzun bir tüpe ve iki küresel ayna arasına yerleştirilmiştir.
Helyum ve neon gazı ile çalışan laserde bu gazlar yüksek voltaj altında iyonize hale gelir. Helyum atomları elektrik deşarjı esnasında elektronların çarpması ile ikazlanarak yüksek enerji seviyelerine çıkar. Bunlar, kazandıkları enerjilerini neon atomlarındaki eş enerji seviyelerine aktarırlar. Bu enerji aktarma işlemi fotonun yayılmasına sebep olur. Aynalar vasıtasıyla yeterli seviyeye ulaştıktan sonra laser ışını elde edilmiş olur. Bu tür laser ışınının dalga boyu 1,15 mikrondur.

8.3.1. HELYUM-NEON LAZERİ
Bu tip lazer devamlı ışık veren bir sistemdir. Genelde öğrenci laboratuarlarında kolaylıkla bulunabilir. Cam deşarj tüpü %80-%20 oranda helyum ve neon ile doludur. Gerekli tersine birikim, neon ve helyum atomları arsındaki çarpışmalarla sağlanır. Bu lazer işleminde, yüksek voltaj deşarj tüpüne verilir ve helyum atomları 20.61eV alarak, temel halden, yarı kararlı hale geçer. Neon ile çarpışır ve ona 20.61eV ve ekstradan 0.05eV kinetik enerjisinden verir. Bu sefer neon 20.66eV enerji alarak yarı kararlı seviyesine gelir. Helyum, temel hale foton yaymadan iner, çünkü bütün enerjisini neon’a vermiştir. Bunlardan sonra kendiliğinden ışıyan bir neon atomu diğer neon atomlarını salınım yapmak için zorlar ve zincirleme reaksiyon devam eder, sürekli bir lazer ışını oluşur, ta ki yüksek voltaj kesilerek tersine birikim engelleninceye dek. He-Ne gaz lazeri 632.8 nm lazer ışığına ve ayrıca kızılötesi birçok ışımaya neden olur. Ama bu lazer çok güçlü bir enerji açığa çıkarmaz.

8.3.2. KARBON DİOKSİT – NİTROJEN LAZERİ
Çok güçlüdür. Çalışması helyum-neon lazerininkine benzer. Karbondioksit molekülleri lazeri oluşturur ve nitrojen ise CO2’nin tersine birikime ulaşmasını sağlar. Bu tip lazerler, kolayca 10kW sürekli enerji sağlarlar. Ayrıca kısa şoklarla çok daha güçlü enerjiler verebilirler. Bu lazer ışını görünmezdir ve elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesinde yer alır. (Kızıl ötesi ışınlar ısı ışınları diye de adlandırılabilir.)

8.3.3. KRİPTON LAZERİ
Bu lazer yeşil ışık yayar. Bu da fazla güçlü değildir.

8.3.4. ATOM LASERLER
. Asal gaz (He,Kr,Ne,Ar,Xe)
. Metal buharı (Pb,Sn,Zn,Cd)

8.3.5. İYON LASERLER
. Asal elementli (He, Kr, Ne, Ar, Xe)
. Metal buharlı (Pb, Sn, Zn, Cd)

8.3.6. MOLEKÜL LASERLER
(CO, CO2, N2, CH3F, …)
Silindirik cam veya kuartz tüp içerisine yerleştirilen asal gazlar, gaz karışımları ve metal buharları gaz laserlerini üretmek için kullanılırlar. Gaz laserler ultraviyole ışık, elektron tabancası, elektrik akımı ve kimyasal reaksiyonlar kullanılarak pompalanmaktadır. Helyum-Neon gaz laseri yüksek frekans sabitliği (saf rengi ) ve en az dağılma olan ışın demetine sahiptir. Karbondioksit laseri (dalga boyu 10,6µm.) tesirli ve sürekli güç alınabilen laserdir.
8.3.7. N2 LASERİ
Laser olayı için uygun olan enerji seviyelerine sahip moleküller sistemlerin sayısı çok fazla olduğundan, başka moleküler laserlerin olması ve belki daha pek çoğunun keşfedileceği şaşırtıcı değildir. Bunlardan mor ötesi ve görünür ışımalar yapan iki moleküler laser N2 ve excimer laserdir. Burada sadece N2 laserinden bahsedilmiştir.
N2 laserleri, CO2 laserinden belirgin bir şekilde ayrılır. CO2 de geçişler dönme enerji seviyeleri ile titreşim enerji seviyeleri arasındadır. Bununla birlikte N2 molekülünün titreşim ve dönme enerjilerinin kuantum sayılarına bağlı olarak kavranması, laser olayının anlaşılmasında önemlidir. CW operasyonunun bir şartı da, laser geçişlerinin yüksek seviyesi daha uzun ömre sahipken, düşük seviyelerin hızla boşalmasıdır. N2’de ise tam tersi söz konusudur. Yüksek seviyelerin ömrü oldukça kısa, düşük seviyenin ömrü ise mikrosaniyelerle ölçülür. Bu yüzden ters birikim ve laser olayı sadece birkaç nanosaniye için elde edilir. Bunlarda, TEA laserleri için kullanılan çok hızlı yükselme zamanlı pompalama mekanizmaları kullanılır.
N2’de kazanç çok fazla olduğu için, basit bir kuvvetlendirici olarak kullanılabilir. Bunun için pek çok yerde geri beslenme sağlamak gerekmez. Ticari N2 laserlerinde, en yüksek güç miktarı 100kW civarındadır. Bunlar genellikle fotokimyasal araştırmalarda ve diğer laserlerin (mesela boya laserleri) pompalanmasında kullanılır.

8.4. KİMYASAL LASERLER
Kimyasal laserlerde bir gaz meydana getirilir ve kimyasal reaksiyon yoluyla pompalanır. Kimyasal pompalama bir eksotermik kimya reaksiyonunda enerji açığa çıkmasıyla olur. Buna bir örnek hidrojen ve flüor elementleri tersine çevrilmiş bir toplumda hidrojen flüorur meydana getirmek üzere reaksiyona girdiklerinde laser etkisi ortaya çıkar.

8.5. SERBEST ELEKTRON LASERİ
Serbest elektron laseri (SEL), göreli bir elektron demetinin, kutupları arasına sinüsel bir manyetik alan uygulanan salındırıcı magnetten geçerken, kinetik enerjisinin bir kısmını elektromagnetik ışıma yoluyla ayarlanabilir dalgaboylu, yüksek akı ve parlaklık değerlerine sahip monokromatik (tek enerjili) ışınım olarak elde edilir. Bu şekilde elde edilen laserin spektrum aralığı VUV (Vacuum Ultra Violet)’dan sert x ışını bölgesine kadar uzanır. Serbest elektron laserinin oluşumu şematik olarak aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

8.5.1. SERBEST ELEKTRON LASERİNİN FİZİĞİ
Serbest elektron laserinin dalgaboyu ve enerjisi: Elde edilen foton demetinin dalga boyu esas olarak elektron demetinin enerjisine, salındırıcı kutup dalga boyu u’ya ve salındırıcı kuvvet parametresi K’ya bağlıdır.
SEL = f(Ee, u, K)
Böyle bir düzenekle elektron demetinin enerjisinin elektromagnetik ışınıma dönüşüm yüzdesi %1-50 arasında değişebilir. Işınım elektron demetinin yapısına bağlı olarak sürekli formda veya çok kısa (ns veya ps) uzunluklu atmalar şeklinde olabilir. Günümüzdeki tipik serbest elektron laserlerinin gücü 1-100 kW aralığındadır. Asıl katkının salınımlarının birinci harmoniklerinden geldiği salındırıcılarda SEL için dalga boyu
SEL =
şeklinde verilir. Burada, u düzlemsel salındırıcının kutup dalgaboyu, e elektron demetinin lorentz faktörü,  elektronun geliş doğrultusu ile gözlem doğrultusu arasındaki açı ve K ise salındırıcnın kuvvet parametresidir. Bu salındırıcının pik manyetik alan değeri olmak üzere, K salındırıcı kuvvet parametresi,
K = eBuu/2mec = 0,9337Bu [T]u [cm]
olarak tanımlanır. Burada me elektronun durgun kütlesi, c ışık hızı ve e = , a = 1/137 ince yapı sabitidir. Salındırıcı (undulator) magnet için K  1’dir ve ışımaya katkı özellikle 1. harmoniklerden gelir. Zigzaglayıcı magnetler için ise K  3’tür ve özellikle monokromatiklik açısından geniş bant karakteri taşırlar. Düzlem salındırıcı için serbest elektron laserinin dalgaboyu ve enerjisi pratik birimler cinsinden sırasıyla:

olarak tanımlanır. Tipik serbest elektron laserleri için enerji aralığı 1-10000 eV’tur.

8.5.2. SERBEST ELEKTRON LASERİNİN KULLANIM ALANLARI
Serbest elektron laserinin temel ve uygulamalı bilimlerde yapılan bilimsel araştırmalar ve uygulamalar yanında, endüstri ve sağlık alanında da geniş bir uygulama alanı vardır.Serbest elektron laserinin kullanım alanlarını, genel kullanım alanlarına, kullanılan yöntemlere ve bilimsel araştırma amaçlı kullanıldığı yerlere göre sınıflandırmak mümkündür.

Yorum yazın