Lazer ışını, uyarılmış ışınım emisyonu ile ışık amplifikasyonudur. Kaynaklar, kesimler, yüzey işlemleri, delme işlemlerini geleneksel yöntemlerden daha etkili ve hızlı bir şekilde gerçekleştirmesine izin verdiği için, temel olarak makine mühendisliği ve malzeme işleme ile ilgili bilim dallarının çoğunda çok yararlı bir araçtır.
Lazer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation/Uyarılmış Işınım Emisyonu ile Işık Amplifikasyonu) Nedir, Nerelerde Kullanılır?
Bu alanların aksine ayrıca veri şebekelerinde yaygın olarak kullanılır. İletim ortamında iletilecek verileri temsil eden ışık atımlarının gönderildiği çok ince bir kablo olan fiber optik kablolarında kullanılır.
Tarihi
Lazer 1960 yılında icat edildiğinde, çözülecek bir sorun arayan bir çözüm olarak adlandırıldı, o zaman her yerde olduklarından, lazer kelimesi, uyarılmış veya uyarılmış bir emisyonun sonucu olarak tutarlı bir ışık demeti üreten tüm cihazları tanımlar.
Bu, 1916’da Albert Einstein tarafından keşfedildi, ancak Modern Fiziğin tarihinden ilk lazerin 1960 yılında Maiman tarafından geliştirildi.
Çok farklı yollarla kullanılan çok sayıda lazer türü vardır, en yaygın olanı atom veya molekül grubudur.
Böylece popülasyonun tersine çevrilmesi durumu yaratılır, bu da uyarılmış emisyon ile elektromanyetik ışınım elde edilir. Bu, maddenin herhangi bir katı, sıvı, gaz veya plazma durumunda bulunabilir.
Sınıflandırmalardan bir diğeri, lazerlerin katı hal, boyalar, örneğin yarı iletken diyot CO2 ve elektron lazeri gibi gazlar olabilir.
Albert Einstein, 1916’da Max Planck’ın indüklenen ve kendiliğinden yayılan ışınım emisyonu kavramlarına dayanan ışınım yasasını kullanarak lazeri geliştirmenin temellerini attı.
Daha sonra 1953’te Charles H. Townes ve bir grup yüksek lisans öğrencisi bir araya gelerek ilk mazeri yaptılar. Bu cihaz lazerlerle aynı fiziksel prensiplerle çalışıyordu, ancak görünür bir ışık ışını yerine bir mikrodalga ışını üretti.
Lazerin tarihi ile ilgili birkaç tarihi olay vardır.
1917’de fizikçi Albert Einstein uyarılmış emisyon kavramını kurdu, aynı şekilde lazer ışınının gelişmesine yol açtı.
1947’de Fizikçiler R.C. Rutherford ve Willis E. Lamb ilk kez lazer emisyonu gösterdiler.
Townes 1951’de, mazeri icat eden lisansüstü asistanları ile ortaya çıkarak 1964’te Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.
1958’de fizikçiler Charles H. Townes ve Arthur L. Schawlow, optik mazer uygulamaları hakkında ayrıntılı bir makale yayınlayan ilk kişilerdi.
1960’da her ikisi de lazer teknolojisini sundu ve keşiflerine dayanarak fizikçiler Mirek Stevenson ve Peter P. Sorokin ilk uranyum lazeri geliştirdi.
1962’de yarı iletken lazerler icat edildi. GE, IBM ve MIT Lincoln Laboratuvarı araştırmacıları, galyum arsenit (GaAs) yarı iletkenine dayanan diyot cihazlarının elektrik enerjisini ışığa dönüştürdüğünü keşfettiler.
1969 yılında, lazerin ilk endüstriyel uygulaması, araç montajında sac levha elemanlarını kaynaklamak için kullanıldı.
1980 yılında, Hull Üniversitesi’ne ait bir grup fizikçi röntgen alanındaki ilk lazer emisyonunu keşfetti.
1985 yılında, ilk kompakt diskler her yerde satılmaya başlandı, burada düşük güçlü bir lazer ışını bu diskin kodlanmış ve içine yerleştirilen verileri okumaktan sorumluydu.
Sonra bu analog sinyal müzik dosyalarını dinlemeyi sağladı ve sonra telekomünikasyonda kullanılmak üzere her yıl milyarlarca yarı iletken lazer üretilmesine yardımcı oldu.
Son olarak, 2003 yılında lazer taramanın ortaya çıkması, British Museum’un sanal sergiler yapmasına ve bir DVD veya CD’nin mikroskobik boşluklarına gigabaytlarca bilgi kaydetmesine olanak tanıdı.
Özellikleri
Monokromatiklik görünür ve kızılötesi arasında daha geniş bir aralıkta yayılan akkor lambalar gibi kaynakların aksine tek bir dalgaboyunda elektromanyetik ışınım yayar, bu nedenle ısı verirler.
Görünür ışığın elektromanyetik spektrumu aralığında dalga boyu, farklı renklerle tanımlanır. Farklı renklerin hepsinden beyaz ışık ışını oluşur ve kolayca görülebilir.
Lazer ışını, tutarlılık ve adreslenebilir bir özelliğe sahiptir ve aynı miktarda enerjiyi daha büyük bir alana saçmadan uzun mesafelerde yansıtılabilir.
Bu özellik sayesinde ayrıca Ay’a bir lazer ışını göndererek, Dünya ve Ay arasındaki mesafeyi hesaplamak için kullanıldı.
Lazer ışını aynı Faz, Frekans ve Genlik ışınlarından oluştuğu için, lazer ışını doğası nedeniyle tek bir yönde paralel bir şekilde iletilir.
Nasıl Oluşur?
Genel olarak lazerler, lazeri üretebilen aktif bir ortamdan oluşur.
Lazer ışını, pompalama, spontan ışınım emisyonu, uyarılmış ışınım emisyonu ve emilim olmak üzere dört temel süreçten oluşur.
Pompalama bir lamba gibi bir ışınım kaynağından, bir elektrik akımının geçişinden veya bir emisyona neden olan herhangi bir enerji kaynağının kullanılmasından oluşur.
Yer durumuna geri dönen spontan ışınım emisyon elektronları foton yayar.
Ortaya çıkan ışınım, farklı yönlerde ve tutarsız monokromatik ışın üreten farklı fazlarla hareket eden fotonlardan oluşur.
Uyarılmış ışınım emisyonu, bir lazerden ışınım oluşumunun temeli, uyarılmış bir durumdaki bir atomun, fotonları yaymasına ve böylece daha az uyarılmış bir duruma geri dönmesine neden olan bir harici uyarıcı aldığında meydana gelir.
Uyarıcı, bir enerjiye sahip bir fotonun gelmesinden kaynaklanmaktadır.
Bu şekilde uyarılmış atom tarafından yayılan fotonlar, kendilerine yol açan dış fotonunkine benzer faz, enerji ve yöne sahiptir ve uyarılmış emisyon, lazer ışınının özelliğinin köküdür.
Bu tutarlı ve tek renkli ışık üretmekle kalmaz, aynı zamanda uyarılmış bir atoma çarpan her foton için başka bir foton üretildiği için ışık emisyonunu arttırır.
Atomik sistem daha yüksek bir enerji durumuna uyarılır ve bir elektronu yarıiletken duruma geçirir ve uyarılmış ışınım emisyonu ile rekabet eder.
Çeşitleri
Ruby Laser/Yakut
1960 yılında Theodore Maiman tarafından üretilen ilk lazer, aktif ortam olarak sentetik bir yakut kristali kullandı.
Yakut, Al2O3 alüminyum oksit kristalleri tarafından oluşturulan ve yaklaşık% 0.05 oranında krom oksit Cr2O3 safsızlıklarının küçük bir konsantrasyonunu içeren bir taştır.
Krom oksidin varlığı, krom oksit konsantrasyonu arttığında berrak, saf alüminyum oksit kristalinin pembeye dönmesine ve kırmızımsı hale gelmesine neden olur.
Bir lazerde kullanılan yakut tarafından benimsenen tipik geometrik şekil yarıçapı 1 ila 15 mm ve birkaç santimetre uzunluğunda silindirik çubuklardır.
Helyum-Neon
Helyum-Neon, inşa edilen ilk gaz lazeriydi ve bugün hala çok faydalı ve çok sık kullanılıyor.
Bu lazerin aktif merkezleri neon atomlarıdır, fakat bunların uyarılması helyum atomları aracılığıyla yapılır.
Bu lazerler için tipik bir He-Ne karışımı, bir kısım neondan yedi kısım helyum içerir.
İyonize Argon
Uyarılmış gaz seviyeleri arasındaki radyoaktif geçişler 1960’lara dayanmaktadır.
İyonize argon lazerler, elektromanyetik spektrumun mavi-yeşil bölgesindeki yoğun emisyon çizgileri ve ondan elde edilebilen yüksek güçleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır.
CO2 Karbon Dioksit
CO2 karbon dioksit lazeri, moleküler lazerlerin en önemli örneği diyebiliriz. Bu lazerdeki aktif ortam, karbondioksit (CO2), azot (N2) ve helyum (He) karışımıdır, ancak geçişler CO2’nin enerji seviyelerinde gerçekleştirilir.
CO2 Dinamik Gaz
Dinamik bir gaz lazeri ile geleneksel bir CO2 arasındaki temel fark kullanılan pompalama yöntemidir.
Dinamik gaz lazerleri, rezonatör boşluğuna akan önceden ısıtılmış bir gaz karışımının hızla soğutulmasıyla üretilir.
Yüksek güçleri sayesinde sağlayabilen, bazı endüstriyel uygulamalar için önemli bir alternatif haline gelmiştir.
Organik Sıvı Çözelti
Bu tip lazerlerdeki aktif ortam, organik bileşiklerin çözüldüğü, ikincisi hidrokarbonlar ve bunların türevleri olarak anlaşılan sıvılardan oluşur.
Bunlar optik olarak pompalanır ve en önemli özelliklerinden biri geniş dalga boyu bantlarında ayarlanabilir olmalarıdır.
Yarı İletken
1962’deki buluşlarından bu yana birçok bilimsel-teknolojik uygulamada kullanılan yarı iletken lazerler, günümüzde mevcut olan en verimli, en ucuz ve en küçük lazerlerdir.
Serbest Elektron
Daha önce görülen tüm sistemler, operasyonlarını, aktif bir atomik veya moleküler ortamda elde edilen popülasyonun tersine çevrilmesi üzerine temellendirir.
Bu nedenle, lazerin yaydığı dalga boyu kaçınılmaz olarak ışınım boşluğunda bulunan aktif merkezlerle, yani adı geçen ortamın atomlarına veya moleküllerine izin verilen enerji geçişleriyle belirlenir.
Serbest elektronlar tarafından uyarılan ışının emisyonuna dayanan belirli enerji geçişlerinin varlığına tabi olmadığından ve dolayısıyla spektrumun herhangi bir dalga boyunda elektromanyetik ışını üretebileceğinden, daha önce görülen lazerlerin sınırlamalarına sahip değildir.
Bu türe, aktif ortam olarak ışığın hızına yakın bir hızla hareket eden bir elektron ışını kullandığı için göreli bir elektron ışını denir.
Bir serbest elektron lazerini, göreceli bir elektron ışınının kinetik enerjisini lazer ışınına dönüştüren bir araçtır.
Nerelerde Kullanılır?
Büyük ışın gücü ile ışık ışınının belirli özellikleri nedeniyle, kontrollü ve lokal bir enerji kaynağının gerekli olduğu birçok uygulamada kullanılır.
Bu ilk farklılaştırma faktörüne otomatik kontrol ve düzenlemenin kolaylığı sayesinde, etrafındaki malzemenin özelliklerin de değişiklik ve boyut önemlidir.
Tıp Alanı
Tıpta, bitişik dokulara az zarar vererek bazı hastalık türlerinin önlenmesinde etkin olarak kullanılmaktadır.
Bu nedenle, ortamındaki sağlıklı dokuların tahriş ve iltihaplanması açısından çok az yan etki üretir ve aynı zamanda cerrahi aletler gerekli olmadığından tam sterilizasyon sağlar ve lokal anestezi altında hemen hemen tüm cilt kusurlarını gidermekte kullanılır.
Bilgisayar Alanı
Bu sistemlerinin yaygın uygulamaları arasında, barkod okuyucu, optik depolama, CD veya DVD diskleri üzerindeki dijital bilgilerin yazılmasında ve okunmasında kullanılır.
Holografi, üç boyutlu görüntüler sağlamak için ve ayrıca kredi kartları için bir güvenlik sistemi olarak kullanılır.
Holografide dalgalar uzayda örtüşür ve yıkıcı paraziti iptal etmek veya fazlar arasındaki ilişkiye dayanarak toplanmak için birleşir.
Fotonlar arasındaki ilişki nedeniyle, lazerler interferometreler ve hologramlar tarafından kullanılır.
Makine Alanı
Endüstriyel dünyada, her türlü malzemede bu teknolojilerin kullanımı önemli ilerlemeler kaydetmiştir.
Malzemelerin işlenmesinde çok iyi bir tepki verdiği için neredeyse tüm branşlarda kullanılır.
Makine alanında kısaca şu işler gerçeleştirilebilir: kaynak yapma, yüzeysel onarım, yüzey dizaynı, yüzey kaplama, laser kesimi, delme ve işaretleme.
Kaynak Alanı
Metalik malzemeler üzerinde çok çeşitli kaynak işlemlerinde kullanılabilir.
Otomotiv endüstrisinde başlangıçta yüzeysel, termal iletkenliğin ve ışının dağılımının bir fonksiyonu olarak ince sacların birleşiminde kullanılır.
Bazı kullanımlarda dolgu malzemesinin kullanılmasına gerek olmaması, işlem kontrolünün esnekliği ve kolaylığı, lazeri, diğer tekniklerle işlenmesi zor malzemeler üzerindeki kaynak uygulamaları için güçlü bir araç haline getirir.
Kullanılan kaynak, kaynak yapılacak malzemelerin türüne bağlıdır ve 1 mm’den 10 mm’ye kadar parçalar üzerinde yapılabilir.
Ek olarak bu kategoriye hafif alaşımlı kaynak, altın kaynağı ve plastik malzeme kaynağı uygulamaları eklenebilir.
Yüzey Onarım Alanı
Yüzey onarım işlemleri, hem mekanik özellikleri hem de korozyon direnci açısından, bir malzemenin yüzey özelliklerini değiştirmeyi içerir.
Bu durum, yüksek ısı emme ve yeterli iletken ısı yayma kapasitesine sahip metalik malzemeler için de geçerlidir. Bu işlemler iki ve üç boyutlu yüksek güçlü kaynaklar ile gerçekleştirilir.
Ana malzeme ile etkileşimi en aza indirmesine ve parçalar üzerinde iyileştirilmiş özellikler ekleyerek daha uzun ömürlü kullanım oluşturmak için kullanılır.
Yüzey alaşımı, aşınma veya korozyona karşı termal ve mekanik özelliklerini geliştirmek için parçaların yüzeyinde alaşımlar oluşturur.
Yüksek güçlü bir lazerin metalik veya metalik olmayan bir madde ile etkileşime sokularak metalik yüzeylerde kontrollü kalınlıkta katmanlar oluşturulabilir.
Bir parçanın yapıldığı malzemeye ek malzeme ekleyerek hasarlı veya aşınmış kısımların onarılmasında kullanılır.
Kesim Alanı
Lazer kesiminde, parçayı erime sıcaklığına kadar ısıtmak için kaynaktan gelen ışın kullanılarak basınçlı gaz akışı malzemenin kesilmesini sağlar.
Parçaya odaklanan ışın minimum boyutlara sahip olduğundan bir nokta aracı olarak işlev görür. Bu nedenle, termal olarak etkilenen alan sınırlı olduğundan parçalarda bozulma olmadan kesim işleminin yapılması sağlanır.
Bu işlem, minimum malzeme kaybı ile bozulma olmadan ince metal, ahşap, plastik, kumaş veya seramik tabakalarını hızlı bir şekilde keser.
Ayrıca, çok gelişmiş bir hassasiyetle kesim yaptığı için son derece gelişmiş ve hassas görevleri gerçekleştirmenizi sağlar.
Belirli kalınlıktaki parçalarda doğru kesim yapmak için, kullanılan güç seviyelerini ve etkileşim sürelerini kontrol etmek önemlidir, çünkü belirli seviyelerin aşılması kesimin yanlış olmasına sebep olacaktır.
Markalama yapmak için de kullanılan ışın, orta güç uygulanarak işaretlenecek yüzeyde işlev görebilir.
Düşük güç ekipmanı kullanarak, tüketim mallarının ambalajlarında önemli olan üretim ve tüketim tarihleri hakkındaki verileri işaretlenebilir.