I. GİRİŞ
Lazerler, 20. yüzyılın ikinci yarısındaki en büyük icatlar listesinde zirveye yakın bir yerde yer almaktadır. Uydu, bilgisayar ve entegre devre ile birlikte yüksek teknolojinin sembolüdür.
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. Işığın saflığı ve kullanım alanlarının esnekliği, hemen maddeyle enerji hakkında bilgilerin tümünden yararlanan bilgileri 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 yani “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 soğurmanın ötesinde, maddeyle ışık arasındaki etkileşimin bu üçüncü ürünün 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 arttırır.
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.
I.1. LAZERİN İLKESİ
LAZERİN İŞLEYİŞİ, UYGUN ŞEKİLDE UYARILMIŞ BİR ORTAMIN ATOMLARININ YAYIMLADIĞI UYARILMIŞ IŞIĞA DAYANIR.
Herhangi bir ortamda, belirli bir elementin atomları, molekülleri veya iyonları 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 uyarıcı ışıkla bağdaşık (“senkronize”) olur.
I.1.B. İKİ 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 dalga boyuna 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 (tek renkli) 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.
I.2. DİĞERLERİNE BENZEMEYEN BİR IŞIK
LAZER DEMETİ, KLASİK KAYNAKLARDAN YAYIMLANAN IŞIKLARDAN BİRÇOK BAKIMDAN FARKLIDIR. ÇOK MONOKROMATİK, ÇOK PARALEL VE BAĞDAŞIKTIR.
Lazerin yayımladığı ışığın belirli bir dalga boyu vardır ve buna ait güç kilovatla 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 dalga boyunu belirlediğinden, dalga boyunu hafifçe değiştirmek için bu uzaklık değiştirilebilir (sıcaklık veya magnetik alan değişikliği ile).
I.2.A. PARALEL BİR DEMET
Gene aynaların varlığıdır ki, lazer demetine olağanüstü paralelliğini kazandırır: demeti oluşturan ışık iki ayna arasında birçok defa 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 kaynaklan yelpaze şeklinde açılma yay dakikasının altında kalır.
I.2.B. BAĞDAŞIK BİR 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 rasgele 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 imkanı ortaya çıkmıştır.
I.3. PROJEKTÖR, METRE, TEL, NEŞTER, HAMLAÇ…
KOMPAKT DİKLERİN OKUNMASINDAN GÖZ CERRAHİSİNE VE ORADAN DÜNYA-AY UZAKLIĞININ ÖLÇÜLMESİNE KADAR, LAZERİN UYGULAMALARI ÜÇ ÖZELLİĞE DAYANIR.
Holografi, laboratuarlardaki bazı çok “sivri” uygulamalar-mesela spektroskopi (tayfgözlem) için uygulama- ve “lazer-show”lardaki estetik gösteriler bir kenara bırakılırsa, lazer uygulamaları üç kategoride toplanabilir: ölçümler, haberleşme ve ısıtma.
I.3.B. HABERLEŞMELER
Bir vericinin iletilebileceği bilgi hacmi” bant gemiliğine”, 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, 1000 megahertz’e kadar frekansların kullanılmasını gerektirmektedir.
Ne var ki, görünür ışık 400 milyon megahertzlik bir yelpazeyi içine almaktadır. Pek tabii bunu yeterli bir enerjiyle, bağdaşık bir şekilde üretebilirsek, imkanların ne kadar çoğalabileceğini tahmin edebiliriz. İşte lazerin tam olarak yaptığı budur. Gerek serbest demetlerle (mesela Dünya ile bir uydu arasında), gerek yönlendirilmiş demetlerle (optik liflerde) hiç kuşkusuz gelecek lazerle şıklı haberleşmenin olacaktır. Optikelektronikte kullanılan düzenekler güç lazerlerinden farklıdır: burada boyları birkaç milimetre olan yarı iletkenli lazerler kullanılır.
