Uyarılmış ışınım yayınımı yoluyla çalışan ışık yükselticisi (İngilizce laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations’ın baş harflerinden) ve uyarılmış ışınım yayınımı yoluyla çok kısa dalga yükselticisi (İngilizce ma ser: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiations’ınbaş harflerinden) [Türkçede laser ve maser biçiminde de yazılır]. Fizikçiler için lazer, elektromagnetik dalga yükselticisi (görsel dalga yayınlayıcısı) yada radar dalgaları yükselticisidir (görsel olmayan dalga yayınlayıcısı). Bununla birlikte, özellikle iyice belirlenmiş bir renkte (tek renkli ya da tek bileşenli ışınım denen belli bir dalga boyunda) bir ışınım sağlamasından ve ayrıca yayınımın (emisyon) kenddiğinden değil de uyarmayla olmasından (buna uyardmış yayınım denir) dolayı lazer öbür yükselticilerden (amplifikatör) ayrılır. Her ikisinde de uyarılmış bir ışınım yayınlanması söz konusu olduğuna göre, lazer ve mazer, dkeleri bakımından birbirine çok yakm aygıtlardır; aralarındaki fark, bir lazerde ışınımın görsel olması ya da kızdaltmda (kızılötesi) bulunması, bir mazerdeyse ışınımların görsel olmamasıdır (görsel bölgedekilerden daha büyük dalga boylarında).
Uyarılmış Yayınım
Her atom, her molekül,tayfını oluşturan, milimetreden daha kısa dalga boylarında ışık ışınımları verebilmektedir; ışınımlar biçiminde yayınlanan enerji, atom ya da molekül için bir enerji yitimine denk düşer. Bu enerji yitimi, iyi bilinen fizik yasalarıyla belirlenir; Özellikle bir atomun enerjisi ancak, bu atomun belirgin özelliklerine bağlı olarak tanımlanmış W t, W 2, Wî, vb. değerlerini alabilir ve bu atom ancak belirli miktardaki enerjileri (W2-W,, W3-W,, W3-W2, vb.) soğurarak ya da vererek enerji durumlarım değiştirebdir. Bir enerji yitimine denk düşen her durum değişikliği, bir enerji taneciği ya da foton denen büyüklüğün yayınlanmasına yol açar. Bu taneciğe elektromagnetik bir dalga denk düşer. Sözgelimi, atom, W2 enerji durumundan Wı durumuna geçtiğinde (W2 > W,) enerjisini (yayınlanan fotonun enerjisi) yitirir (W2-Wı). Buna dişkin dalga, aşağıdaki bağıntıyla verilen f frekansıyla belirtilebidir.f = (W-W, )/h; buradaki h, Planck değişmezidir (h = 6,62. 10 34 J.sn.). Aynı biçimde, bir atom, taneciğin (hf) enerjisi, bu atomun iki enerji düzeyi arasmdaki farka eşit olmak koşuluyla, bir foton soğurabdir. Sözgelimi, yukarda göz önüne alman durum için hf = W2 -Wı ise, atom büyük bir olasılıkla fotonu soğuracak ve enerjisi W i değerinden W2 değerine geçecektir (Çiz.l). Böyle olduğunda atom, soğurmuş olduğuna eş bir foton yayınlayarak kenddiğinden ve hemen Wı başlangıç durumuna döner. Bu olaylarda söz konusu olan dalgaların frekansları (hiperfrekanslar) 109 Hz ile 1014 Hz arasında bulunur (ışık ışınımlarının frekansları).İlgi çekici bir özel durum, tam olarak (W2-Wı )’e eşit (hf) enerjili fotonun, daha önce uyarılmış olan ve W2 enerji durumunda bulunan bir atomla çarpışmasıdır (Çiz.2): O zaman fotonun, atomun uyarılmasının durdurulmasına ve böylece kendine eş bir fotonun yayınlanmasına yol açma olasılığı vardır (çünkü kendi enerjisi W2 -W, ’e eşittir). Atomdan, aynı frekansta ve üstelik tamamen aynı fazda iki dalganın ilişkin olduğu iki foton ayrılır (Çiz.3). Bu durumda, fotonun yayınımı uyarılmıştır.
Uyarılmış Yayınımı Uygulaması
Bu özellikten yararlanarak bir üreteç (jeneratör) yapmak için, belirli bir maddeden çıkan fotonlarm sayısının çok büyük ve bu maddeye giren fotonlarm sayısının çok üstünde bulunması gerekiyordu. Uyarılmış yayınımın soğurulmayı geçmesi için de bir yükseltmenin elde edilmesi zorunluydu. Bu durum aşılması gereken iki büyük güçlük ortaya koyuyordu. Çünkü cisimler en küçük enerji durumlarında, öbür durumlara oranla çok daha fazla atom bulundururlar (burada normal durum söz konusudur). Demek ki, genel olarak soğurma üstün gelmekte ve yükseltme gerçekleşmemektedir. Bununla birlikte, iki çözüm olasılığı vardır: Uyarılmış atomlarla öbür atomları birbirlerinden ayırmak ya da fotonlarm gelmesinden önce atomları uyarmak (bu durumda, cismin enerji düzeylerinin elektron dağüımmı tersine çevirmek söz konusudur).
Daha basit olan birinci çözüm, 1954’ten sonra amonyaklı mazerlerde kullanıldı. Uyarılmış durumdaki moleküllerin ayrımı bir elektrik alanı yardımıyla yapılmaktadır (normal durumlarda bulunan moleküllerin tersine, uyarılmış moleküller, alanın en zayıf olduğu bölgelere doğru itilirler). Bu moleküller yükseltme işleminin, sözgelimi bazı fotonlarm gelmesiyle, başlatıldığı bir oyuk içine gönderilirler. Bu oyuğun boyutları bir rezonans olayı meydana gelecek biçimde öngörülmüştür: Yayınlanan fotonlar, başka fotonların yayınlanmasını sağlarlar. Elde edilen dalgaların frekansı 4.109Hz’e yakın, toplam enerjisi de başlangıçtaki gerekli foton enerjisinden 100 kez daha büyük olmaktadır (Çiz.4).
İkinci çözüm bazı mazerler ve lazerlerde kullanılmıştır. Yakutlu mazerlerde, yakuttaki krom atomlarının üç W,, W2, W3 (W,< W2< W3) enerji durumları arasında değişebüme olayından yararlanılır (Çiz.5). Ayrıca, yakutun bir magnetik alan içine konmasıyla W, veW2 enerji düzeyleri “dışlanabilir”. Ek bir hiperfrekans üreteci W, düzeyindeki atomların çoğunun W3 düzeyine geçirilmesi için gerekli enerjiyi sağlar. Bu atomlar hemen daha sonrası için herhangi bir etki oluşturmayacak ışınımlar yayınlayarak W2 düzeyine dönerler. Billurun çok düşük sıcaklıkta tutulmasıyla atomların Wî durumunda bir süre kalmasına çalışılır. Saniyenin 150 binde biri kadar bir gecikmeyle bu atomlar, öteki atomların uyarılmasının durdurulmasını sağlayacak fotonları yayınlayarak Wı düzeyine geçerler; bu fotonlar rezonans oyuğu içinde uygun düzenlemelerle ne kadar “yavaşlatılırsa”, uyarılması durdurulan atomların sayısı da o kadar fazla olur. Yükseltme 10 000’e erişebilir. Yayınım, elektriksel bir sinyal aracılığıyla sağlandığında aygıt, yükseltici, yani amplifikatör olarak kullanılmış olur. İşleyişin düşük sıcaklıkta olması nedeniyle atomların hareketinden ileri gelen fon gürültüsü en aza indirgenir (aygıtın işleyiş biçimi, klasik amplifikatörlerde rahatsız edici olan, elektronların rasgele hareketlerinin yol açtığı fon gürültüsünü yok etmektedir). Böylece endüşük güçteki sinyaller (10′25 10″27 watt) alınabilmekte, fon gürültüsü artık bunları gizleyememektedir. Bu durum, uydulardan gelen sinyallerin yükseltilmesinde mazerin öbür amplifikatörlerden önce kullanılmasının nedenini açıklar.
Kısa Dalga Boyları
Daha yüksek frekanslardaki dalga üreteçleri elde etmek için fizikçiler mazeri bırakarak lazeri kullanmaya başladılar. Çok kısa dalga boyundaki dalgalar için, yeteri kadar küçük rezonans oyuğunun düzenlenmesi olanağı bulunmadığından, bir yükseltme meydana getirmek üzere dalgalar, yalnızca, birbirine tam paralel iki yansıtıcı arasında çok sayıda yansıtılımaktadır. 694,3 nanometre dalga boyundaki kırmızı bir ışınımın yükseltilmesini sağlayan yakutlu lazerde krom iyonlarının üç farklı enerji durumuna (W,, W2 ve W3) getirilebilme özelliğinden de yararlandır. Bu üç düzey daha önce söz konusu olan duruma oranla birbirlerinden daha uzaktadırlar, çünkü fotonların enerjileri iyice yüksektir. Billur yeşil ve mor renkli bir ışınımla aydınlatüarak W i ve W 3 düzeyleri arasında elektron dağılımının tersine çevrilmesi olayı meydana getirilir: Bu, optik pompalama olayıdır ve A. Kastler’in Nobel Ödülü’nü kazanmasını sağlamışür. Atomlar kırmızı bir ışınım yayınlayarak hızla W2 ara düzeyine, daha sonra da W’t düzeyine dönerler. Billurun yansıtıcı yüzeyleri bulunduğundan, fotonlar billurdan pek çok kez geçerler ve gitgide artan uyarılmış yayınımlara yol açarlar.
Öbür Lazer
Helyum-neonlu lazerler ve yarı iletken lazerler gibi, ilke bakımından biraz farklı olan başka lazerler de düzenlenmiştir.
Helyum-Neonlu Lazer
Belli bir W2 enerjisi bulunan bir helyum atomu, bu enerjiyi ışınım yoluyla değil de, yalnızca aynı W2 enerji düzeyine geçebilecek bir başka atomla çarpışma sırasında yitirebilir.Neonun böyle bir W2 düzeyi bulunmakta, ayrıca (W2 -W 1) kırmızı bir ışık fotonunun enerjisi olacak biçimde bir alt W t düzeyi bulundurmaktadır. Helyum yüksek frekanslı bir aydınlatmayla ya da gaz içinde gerçekleştirilen bir elektrik boşalımı yoluyla W2 düzeyine çıkarılacak olursa, işlev, yakutlu lazerinkine benzer. Böyle bir aygıtın verimi % 0,1’i hiçbir zaman geçmez. Bu nedenle “gazlı” denen bu lazer türünün geliştirilmesine özen gösterilmektedir: Karbon dioksitli lazerin, % 15’e erişen bir verimi vardır.
Yarı-İletkenli Lazer
Bunlarda, yarı iletkerili maddeden bir P-N bağlanüsıyla(jonksiyon)P bölgesinden N bölgesine doğru bir akım geçirildiğinde (doğru yön),yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) bağlantı düzeyinde yeniden birleşmeleri sırasında enerjinin ışınım biçiminde kaybolması olayından yararlanılmaktadır. Bu ışınım lazer olayım oluşturarak başka elek tron-delik birleşmelerini sağlayabilmektedir. Yarı-iletken galyum arsenyür olduğunda ışınım görseldir. Akımın bağlantı düzeyindeki yoğunluğu çok büyük olmalıdır (yaklaşık 100 A/mm’). Yarı-üetkenin iki yüzü yansıtıcı yapüarak, gerçek bir yükseltme ortaya çıkmaktadır.
Verim Ve Özellikler
Bu tür aygıtların verimi çok iyidir. Yayınlanan ışınımın dalga boyu 850 nanometreye yakındır; dalga boyu yarıiletkenin kimyasal bileşimine ve sıcaklığına bağlıdır. Çıkış gücü, bağlantı akımı (pompalama akımı) ayarlanarak düzenlenebilmektedir. P-N bağlantısı içermeyen başka yarı-iletkenli lazerler de vardır: Elektronlar delikleri doldurduklarında ışınım yayınlanır. Bir lazerin yayınladığı ışığın dört özelliği bulunur: Şiddeti; yönelmesi; faz uyumu; tekrenkli (tekbileşenli) olması. Optik bir sistemle uygun bir biçimde toplanmış olan yakutlu bir lazerin itme etkisi, aygıtın ortalama enerjisi oldukça zayıf olduğu halde, üç dört milimetre kalınlığındaki bir gümüş levhayı delebilmektedir (gerçekten de lazerin işleyiş süresinin bir optik pompalama süresiyle yayınlanma süresinden oluştuğu unutulmamalıdır). Dalgaların hepsi aynı fazda olduklarından, darbenin şiddeti büyüktür.
Lazerin Kullanılması
Lazerin teknik uygulamaları son derece çeşitlidir. Bu çok kuvvetli ve yönlenmiş kaynak, Ay’a olduğu kadar uydulara da erişilmesini sağlamaktadır. Çok kısa süreli aydınlatmalar (10 ” sn’ ye kadar) son derece hızlı olayların (sözgelimi, kimyasal tepkimeler) fotoğraflarının çekimim olanaklı kılar. Bir lazer demetinde yoğunlaşan çok büyük güç, askeri (füzelerin yok edilmesi) ve sanayi alanlarındaki uygulamalara olanak verir. Lazerin sanayi alalımdaki kullanımları arasında, çok sert maddelerin delinmesi, çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı cisimlerin ergimesi, rotorların artık maddenin bölgesel buharlaşmasıyla dengelenmesi sayılabilir. Lazer demetinin faz uyumluluğu, Yer-Ay uzaklığı gibi çok büyük uzaklıkların ölçülmesini (kullanılan ilke radar ilkesidir: Hedef üstüne bir yansıtıcı yerleştirilip ışığın gidiş dönüş süresi ölçülür), orta uzaklıkların ölçülmesini (tank ve uçak telemetreleri, nirengi noktası hesapları; en doğru yöntem, yayınlanan ve alınan dalgalar arasmdaki faz farkının ölçülmesine dayamr) ve çok kısa uzaklıkların ölçülmesini (kıtaların kayması, uzaktaki bir nükleer patlamanın yol açtığı titreşimler; bu durumda girişim ölçümü yöntemlerinden yararlanılır) sağlar. Lazer, füzelere ya da makinelere yön verilmesinde de kullanılır. Sözgelimi, bir metro tünelinin açılması bir lazer demetiyle yönetilen bir makineyle gerçekleştirilebilir; bir kumaşın kesimi lazerle yapılabilir (demetin yer değiştirmesi bu durumda bir bilgisayarla yönetilir). Lazer, kabartmalı fotoğrafların elde edilmesini ya da bilgilerin ferro-elektrik bir billur üstüne kaydedilmesini sağlamakta (holografik bellekler), telekomünikasyonda (video sinyallerinin iletilmesi) ve fizikte (plazma yapımı) kullaıulabümektedir. Tıp alanındaysa lazer özellikle ilgi çekici uygulamalara yol açmaktadır. Bazı maddelerce (gözdibi dokusu ve soğurucu niteliği kazandırılmış olan bazı tümörler) soğurulan lazer demeti deriden, yağ dokularından ve kaslardan, hiçbir zarar vermeden geçebilmektedir. Lazer, herhangi bir ameliyat gerekmeksizin bazı iç hastalıklarının tedavisini sağlar. Kuşkusuz, dalga boyunun seçimi önemlidir; yakutlu lazer (694,3 nm) sözgelimi ağtabaka aynlmasınm tedavisine uygundur. Diş çürükleri, çürüğün üstüne amnda yok eden güçlü ve çok kısa süreli bir lazer demeti toplayarak, acısız ve uyuşturmadan tedavi edilebilmektedir. Ayrıca, çürük olmaya elverişli çatlağın ya da kırığın bulunduğu bölgeler de aynı biçimde yok edilir. Bazı cilt kanserleri de lazer ışınlarıyla yok edilmektedir. Biyolojide lazer demetinin inceliği, bazı hücre çekirdeklerinin (kan yuvarları) üstünde etkili olunmasını sağlamakta ve sözgelimi kromozonlara ulaşılmasında önemli rol oynamaktadır.