030214054 PINAR KOCATEPE

1. 030214054PINAR KOCATEPE KATI HAL LAZERLER

2. LAZERLER • Lazer kelimesi(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) radyasyonun uyarılmış salınması yoluyla ışığın şiddetlendirilmesi anlamına gelen bir kısaltmadır.Aynı fazda, aynı doğrultuda ışık üretmeye lazer denir.Monokromatik, doğrusal ve eş fazlıdır. • Lazerler katı,sıvı,gaz lazerler olmak üzere üçe ayrılırlar. • 1960 yılında icat edilen ilk lazer,yakut kristaliyle yapılmıştır.Burada,safir kristali içerisine katkılanan krom iyonlarının kırmızı bölgedeki ışıması kullanılarak lazer ışığı üretildi.yakutun yanısıra birçok başka ışıyan kristaller,yarıiletkenler(elektron ve delikler tarafından sağlanan elektriksel iletkenliği,sıcaklık ve katkılama ile değişen kristaller),camlar, fiberler (camın ısıtılarak çekilmesi sonucunda oluşturulan ve ışık aktarımı için kullanılan ince lifler),gazlar ve sıvılar ile de lazer ışığı üretilebilmiştir. • Bir lazerle ne kadar güç elde etmek mümkündür? • Güç; birim zamanda üretilen enerjiye karşı gelir ve watt cinsinden ölçülür.Örneğin 1watt gücü olan bir lazer, sürekli çalıştırıldığında, saniyede 1 joule optik enerji üretecektir.Lazerde elde edilebilen güçler , kurulan düzeneğin büyüklüğü,kullanılan ortamın fiziksel özellikleriyle çok değişir.Örneğin, sürekli dalga helyum neon gaz lazeriyle miliwatt(1 wattın binde biri)düzeylerinde güç elde etmek mümkündür.Öte yandan , iterbiyum katkılı YAG (itriyum alüminyum garnet kristali ) kristal lazeriyle 5kilowatt’a varan çıkış güçleri elde edilmiştir.

3. Lazerin ürettiği ışığın özellikleri nelerdir? • En büyük özelliği dağılmaz olması ve yön verilebilmesidir. Bu özelliğinden istifade ile mesafe ölçme ve fiber optik teknolojisi geliştirilmiştir. Dalga boyunun küçük olması dağılmayı da büyük ölçüde azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine belli yönlerde hareket ederler. Bu lazerin çok parlak olmasını doğurur. • Lazer ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır. Frekans dağılım aralığı, frekansının bir milyonda biri civarındadır. Bu sebepten istenilen frekansta çok sayıda dalgalar lazer dalgası üzerine bindirilmek suretiyle haberleşmede iyi bir sinyal jeneratörü olarak iş görür. Aynı anda birçok bilgi bir yerden başka yere gönderebilir. • Lazer ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler halinde yayınlanabilmesi mümkündür. Kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile sağlanabilir. Lazer kendisinde bulunan yüksek enerji sayesinde kesme, kaynak ve delme endüstrisinde kullanılır. Ayrıca lazer darbesinin çok kısa olmasından yüksek hız fotoğrafçılığında faydalanılır. Yönlü bir hareket olmasından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır. Bütün özellikleri ile uzak mesafe ölçümlerini mümkün kılar. • Lazer ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için lazer cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür.

4. Katıhal Lazerler • Saflaştırma sırasında düzen içine bilerek konulmuş safsızlık atomlarıyla,genelde kristal formundaki bir atom dizisini içeren aktif ortama sahip bir lazer çeşididir.böyle lazerler dayanıklıdırlar,bakımları kolay ve yüksek pik güçleri üretmeye meyillidirler.Tipik örnek olarak yakut ve Nd:yağ lazerleri gösterilebilir. • Katı hal lazerlerini diğerlerinden ayıran en önemli özellik,optik kazanç için kullanılan ortamın fiziksel yapısıdır.Bu tür lazerlerde optik kazanç elde etmek için içerisine ışıyabilen iyon katkılanmış yalıtkan kristal ya da camlar kullanılır.1960 yılında ilk icat edilen yakut lazeri de bu tür lazerlere bir örnektir.Yakut,safir,peridot ( forsterit) gibi mücevher taşlarının yanı sıra yüksek saflıkta bir çok sentetik kristal ve cam da bu amaçla kullanılmaktadır.

5. Optik kazanç nasıl ortaya çıkar? • Safir kristalini ele alalım.İçerisinde hiçbir katkı bulunmadığı durumda , saf safir,kimyasal açıdan saf yakut taşından hiçbir farkı olmayan ve corundum diye adlandırılan saydam bir kristaldir.Her ikisinin de kimyasal formülü Al2O3tur.Buna karşın, safir kristalinin içerisine az miktarda titanyum iyonu katkılandığı zaman , pembemsi bir renk aldığını görürüz.Serbest titanyum iyonunda üst üste örtüşen enerji seviyeleri, kristal içerisine girdikten sonra komşu iyonlarla etkileşimi sonucunda ayrışmakta,bu enerji seviyeleri arasında da optik geçişler ortaya çıkmaktadır.Safir içerisinde ki titanyum iyonları ,üst enerji seviyelerine mavi yeşil dalga boylarındaki fotonları soğurarak çıkarlar.Görünür bölgedeki tayfın yalnızca kırmızı kısmı kristal tarafından soğurulmadığından, titanyum iyonları böylece safir kristaline pembe kırmızı bir renk kazandırır.Optik kazanç elde etmek için ,kristal içerisindeki iyonların önce üst enerji seviyelerine çıkarılması gerekir.Titanyum katkılı safir kristalinde, bunu mavi yeşil bölgede ışınım üreten flaş lambası ve başka bir lazerle gerçekleştirebiliriz.Buna “optik pompalama” denir.Optik pompalama sonucunda,temel enerji düzeyindeki titanyum iyonları önce üst enerji seviyelerine çıkarılırlar.Üst enerji seviyesindeki iyonlar, ortamdan geçmekte olan fotonlar tarafından uyarılarak alt enerji seviyesine geçiş yapabilir ve böylece foton salınımı gerçekleşir.Buna uyarılı ışıma adı verilir.Uyarılı ışımanın gerçekleşebilmesi için uyarıcı fotonun enerjisinin , üst ve alt seviyeler arasındaki enerji farkına ( E3- E4) yakın olması gerekir.Kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden olan planck yasasından da bilindiği gibi bir fotonun enerjisi E= hf denklemiyle verilir. Burada h planck sabiti ve f ışığın frekansıdır.Bir başka deyişle frekans arttıkça foton enerjisi de artmaktadır.Dolayısıyla ,soğurulan ya da yayılan fotonun rengini , enerji seviyeleri arasındaki enerji farkı belirleyecektir.Tisafir örneğinde ,E1 ve E2 seviyeleri arasında geçiş elde etmek için mavi ya da yeşil bölgedeki fotonlar kullanılmaktadır.Buna karşın, lazer geçişinden elde edilen ve daha düşük bir enerjiye sahip olan fotonlar kırmızı yada kırmızı altı bölgesinde yer alırlar.Uyarılı ışıma sonucunda yayılan fotonların frekansı ve yönü , uyarıcı fotonla aynı olduğundan, ortamdan geçen ışın şiddeti artmış olur.Bu etkiye “ uyarılı ışımayla optik kazanç “ adı verilir.

6. Enerji seviyesi diyagramı • Lazer kaynağı olarak kullanılan malzemenin (kristal, gaz, sıvı) yapısını oluşturan atomların en son yörüngelerindeki elektronları dışarıdan enerjilendirilerek (pumped) bir üst yörüngeye çıkması sağlanır. Verilen enerji kesildiği zaman elektron tekrar kararlı konumuna geçer (bir alt yörüngeye düşer). Bu sırada kazanmış olduğu enerjiyi foton şeklinde yayar. Yayılan bu enerji lazer kaynağının iki tarafında bulunan yansıtmalı aynalar vasıtası ile kendi ortamına döndürülür. Bu işlem elektronların tekrar tekrar uyarılması ile devam eder. Böylece eş fazda şiddeti çok artarak uyarılmış ve o atomun frekans (renk) karakteristiklerini taşıyan güçlü bir ışınım (foton demeti) elde edilir. Tek dalga boyunda yoğunlaştırılarak yönlendirilmiş lazer ışığı ~%25 geçirgen bir aynadan bir Q anahtarı yardımı ile açığa çıkar.

7. Yakut Lazerleri • Kullanılan ilk gereç yakuttur (1960). Bu, % 0.05 oranında üç değerli krom iyonları (Cr3+) içeren, saydam bir Al2O3 alümin kristalidir; krom iyonlarının enerji düzeylerinin konumu nedeniyle nüfus evirtimine(akışına) olanak verir. Uygulamada, yapay yakutlardan yontulmuş çubuklar kullanılır. Yayım dalga boyu, kızıl bölgede 694.3 nm dir. Başıboş çalışmada bir yakut lazeri 30-40 kilowatt, darbeli çalışmada ise 30 ile 100 MW arası güç sağlar.Yakut lazerinin enerjisi üç seviyeli bir sistemdir. • Q anahtarlı yakut lazerLazer ışığı üretilen ortamdan birim anahtarlama zamanında açığa çıkan enerjiye Q değeri ve bu işleme Q anahtarlaması denir. Q anahtarlama metotları döner aynalar, Elektro- optik ve Akustik- optik şekillerinde olabilir. Elektro- optik ve Akustik- optik de çalışma prensibi, polarizasyon kuramlarının çeşitli uygulamalarına dayanır

8. Nd:Yağ Lazeri Bu lazerin aktif ortamı Nd3+ nadir toprak metal iyonunun safsızlık olarak bulunduğu yitriyum alüminyum garnettir.Normalde yitriyum iyonları tarafından işgal edilen örgü kenarlarında bir yer değiştirme safsızlığı olarak rastgele dağılı olan Nd3+ iyonları,hem lazer geçişleri ve hem de pompalama için gerekli olan enerji seviyelerini oluşturur.Nd:Yağ lazerinde en önemli etki:kristal alanı neodim iyonunun değişik enerji seviyeleri arasındaki geçiş ihtimallerini değiştirir ve böylece serbest iyon halindeki yasaklı olan bazı geçişler izinli hale gelir.Nd:YAG lazerinin enerjisi dört seviyeli bir sistemdir.

9. Nd:cam Lazeri • Yüksek mertebedeki optik homojenliğiyle cam, neodim için oldukça mükemmel bir konak madde özelliği sağlar.Nd:cam lazerleri atma modunda çalışır ve çıkış spektrumunun çizgi genişliği Nd:YAG’ takinden daha büyüktür.Diğer yandan YAG’ takinden(%1.5) daha yüksek oranda(yani %6) zenginleştirilebilir ve böylece Nd:cam lazerlerinden üretilebilecek enerji üç kat fazla olabilir.Ayrıca bu YAG kristalinin saflaştırılmasından daha kolay ve ucuz olması yönleriyle avantajlıdır.

10. Diyot Pompalanmış Lazerler • Yeni bir gelişme diyotla pompalanan Nd:YAG lazerinin ortaya çıkmasıdır.Burada bir yarıiletken lazer,klasik flaş tüpü yerine radyasyon pompalama kaynağı olarak kullanılır.Nd:YAG’ taki 807 nm civarındaki kuvvetli soğurma pikiyle çalışan,dalga boyu ayarlanabilir(mesela diyotun sıcaklığını değiştirerek) yaklaşık tek renk ışık salan bir kaynak olarak ele alalım. • Bu yolla diyot radyasyonu etkin bir şekilde kullanır:esasında diyot radyasyonun %25’i lazer çıkışına çevirebilir.Burada diyotun elektrik enerjisini ışığa çeviren verimli bir eleman olması sebebiyle,toplam lazer alanının küçülmesi, yüksek demet kalitesi ve iyi frekans kararlılığıdır.

11. Cam Fiber Lazerleri • Bir uçtan pompalamalı katı çubuk lazerinin ilginç bir şekli fiber lazeridir.Bunlar katı çubuk yerine optik fiberleri kullanırlar. • Fiberler genelde silikadan yapılır.Bunlar lazer rezonatörü fiberin iki ucuna aynaların konulmasıyla üretebilir.Pompalama diyot lazerlerinin boyuna kullanımıyla gerçekleşebilir.

12. HO:YAG Lazerler • Holmiyumla kaplanmış olup İtriyum, Alüminyum, Garnet kristalinden oluşur.Dalga boyu 2.100 nm.Su absorbsiyonu Nd:YAG lazerden daha iyidir.

13. Erbiyum, Kromiyum:YSGG ve ER:YAG Lazerler • Er-Cr:YSGG lazerlerin dalga boyu 2790nm’dir.Dalga boyunda aktif maddesi olarak Erbiyum ve Kromiyum üzerine Yitriyum, Skandiyum, Galyum Garnet katı kristallerinin kaplanması ile olmuştur. • Er:YAG lazerinin ise dalga boyu 2.940 nm’ tir.Dalga boyunda aktif maddesi Erbiyum üzeri Yitriyum, Alüminyum, Garnet kristalleri kaplanmıştır.Benzer özelliklerinden dolayı bu iki lazer birarada anılırlar.