1 LASER VE KULLANIM ALANLARINoyan Ayturan
2 1.LASER nedir? 2. Nasıl çalışır? Çalışma Prensibi Dizaynı. 3. Tarihsel gelişim süreci. 4. LASER çeşitleri. 5. Kullanım alanları.
3 1. LASER Nedir? LASER (Lazer), İngilizce’de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kelimelerinin baş harflerinden oluşan bir kısaltmadır. Türkçe’ye uyarılmış ışıma ile kuvvetlendirilmiş ışık veya fotonları uyumlu bir hüzme şeklinde oluşturan optik kaynak olarak çevirebiliriz.
4 2.Nasıl Çalışır? 2.1. Çalışma PrensibiLaserin temeli atom veya molekül enerji düzeyleri arasındaki elektron geçişleri ile oluşan ışık fotonlarına dayanır. Bir atomun iki enerji düzeyi E2 ve E3 olsun. Minimum enerji ilkesine göre atom veya moleküller düşük enerji seviyesinde olmak istediklerinden E3 seviyesindeki elektron kendiliğinden E2 seviyesine inecektir. Ama bu sırada enerjisi E3 − E2 = hν olan bir foton salar.
5 a) soğurma b) kendiliğinden ışıma c) uyarılmış ışımaEğer elektron bu salınımı kendiliğinden yaparsa salınan fotonun yönü tamamen rasgeledir. Ancak eğer E3 düzeyindeki elektron E3 − E2 enerjisindeki başka bir fotonla etkileşerek E2 düzeyine inerse bu şekilde salınan fotonun yönü ve fazı geçişe etki eden fotonla aynı olacaktır. Bu ikinci geçiş biçimine uyarılmış salınım (stimulated emmision) denir ve lazerin çalışmasının ana ilkesidir.
6 Uyarılmış salınımda yayınlanan fotonların yönleri yollanan fotonla aynı doğrultuda.Şimdi çok sayıda atomdan oluşan bir sistem ele alalım. Başlangıçta atomlar en alt enerji düzeyinde bulunduklarından bir şekilde atomların E3 düzeyine çıkarılması gerekir. Bu pompalama(population inversion) olarak adlandırılır. Ayrıca E3 ve E2 arasındaki geçişten lazer ışığı elde edebilmek için atomların E3 düzeyinde kalma süreleri E2 düzeyinde kalma sürelerinden uzun olmalıdır. Ancak bu şekilde E3 düzeyinde bulunan atomların sayısı daima artacaktır
7 2.2. Dizaynı Lazerin kısaca ve en kaba tabiri, biri %100 yansıtıcı diğeri ise %98 yansıtıcı iki ayna arasına yerleştirilmiş aktif ortamdan oluşur. Aktif ortama dışardan ısı, ışık, elektrik, kimyasal vb. gibi enerji verilerek aktif ortam tetiklerenek foton yayılması sağlanır. Yayılan fotonlar sistemde yer alan iki ayna arasında gidip gelerek hem şiddetini artırır hem de birbirine paralel duruma geçer. Aynalar arasında hareket eden fotonlar belirli bir eşik şiddetine ulaştıktan sonra %98 yansıtıcı aynadan çıkarak lazer ışınını oluşturur. Aktif ortam Dış enerji M2 M1 Lazer
8 Lazer M1 :%100 yansıtıcı ayna M2 :%98 yansıtıcı aynıAktif ortam Dış enerji M2 M1 Lazer M1 :%100 yansıtıcı ayna M2 :%98 yansıtıcı aynı Aktif ortam: Helyum-Neon, CO2, Nd- YAG, Ti-Safir, Argon İyon, Yakut vb. gibi maddeler olabilir. Dış enerji: Isı enerjisi, ışık enerjisi, kimyasal enerjisi, elektrik enerjisi vb. enerjileri olabilir.
9
10 Tarihsel Gelişim SüreciCharles Townes maser ile ilgili olan bir mikrodalga yapısına uyarılmış yayınım işlemlerinin avantajını aldı. Bu cihaz komünikasyon için kullanılan uyumlu mikrodalga ışınlarını üretti. İlk maser 1.25 cm dalgaboyunda kazanç üreten 2 enerji seviyesi arasındaki tersinim ile amonyak buharında üretildi. Townes ve Schawlow ışının büyümesine izin veren bir optik ayna rezonant kavitesi tarafından etrafı sarılan optik yükselteç kavramını geliştirdiler ve 1958’de bir makale yayınladılar. Bu alandaki çalışmaları ile Nobel Ödülünü paylaştılar. Hughes araştırma laboratuarından Teodore Maiman yükselteç olarak ruby kristalini, enerji kaynağı olarak flaş lambasını kullanarak 1960’da ilk lazeri üretti. Bell laboratuarından A. Javan, W. Bennett ve D. Harriott helyum ve neon gazlarının karışımını kullanarak 1961’de ilk gaz lazerini geliştirdi. Aynı laboratuardan L. F. Johanson ve K. Nassau ilk elde edilen lazerlerin en güvenlilerinden biri olan neodyum lazerinin kullanılışını gösterdi, bunu 1962’de General Electric araştırma laboratuarından R. Hall tarafından gösterilen ilk yarı-iletlken lazer izledi. Bell laboratuarından C. K. N. Patel günümüzde üretilen en verimli ve güçlü lazerlerden biri olan kızılötesi karbon dioksit lazeri 1963’de keşfetti. Aynı yılın sonunda Spectra Physic’den E. Bell mercury buharında ilk iyon lazerini keşfetti. Coefficient: katsayı…. Rederivation: tekrar türetme
11 Tarihsel Gelişim SüreciHughes araştırma laboratuarından W. Bridges argon iyon lazerini 1964’de keşfetti ve 196’da W. Silfvast, G. R. Fowles ve B. D. Hopkinsilk mavi helyum-kadminyum metal buhar lazerini üretti. Aynı yıl boyunca,; IBM araştırma laboratuarından P. P. Sorokin ve J. R. Lankard solventte çözülmeyen organik boya lazerini kullanarak ilk sıvı lazeri geliştirdi ve W. Walter ve çalışma arkadaşları TRG’de ilk bakır buhar lazerini sundu. R. Waynant ve IBM’den R. Hodgson moleküler hidrojende oluşturulması için ilk vakum mor ötesi lazeri Naval araştırma laboratuarında 1970’de sundular. İyi bilinen ilk seyrek gaz lazeri excimer lazerler ksenon florid içinde Avco-Everett araştırma laboratuarından J. J. Ewing ve C. Brau tarafından 1975’de gözlendi. Aynı yılda, ilk kuantum lazeri galyum arsenid yarıiletken içinde Bell laboratuarında J. Van der Ziel ve çalışma arkadaşları tarafından yapıldı. CO2 lazer dalgaboyunda kızılötesinde çalışan ilk serbest-elektron lazer yükselteci Standford üniversitesinde J. M. J. Madey tarafından 1976’da sunuldu. Allied kimya kurumunda Walling ve çalışma arkadaşları tarafından 1979’da alexandrite olarak isimlendirilen katı-hal lazer maddesinden geniş tunable lazer çıkışı elde edildi. İlk yumuşak x-ışını lazer D. Matthews ve çok sayıda çalışma arkadaşı tarafından Lawrence Livermore Laboratuarında yüksek iyonize olmuş Selenyum plazmada sunuldu.
12 Tarihsel Gelişim SüreciFox ve Li bir lazer kavitesindeki rezonant enine modların varlığını 1961’de tanımladı. Aynı yıl, konfokal rezonatör modlar için dalga eşitliğinin çözümü Boyd ve Gordon tarafından elde edildi. Kararsız rezonatörler 1969’da Krupke ve Sooy tarafından sunuldu, ve Siegman tarafından teorik olarak tanımlandı. Q-switch McClung ve Hellvarth tarafından 1962’de ilk kez elde edildi ve Wagner ve Lengyel tarafından daha sonra tanımlandı. İlk mod-kilitleme Hargrove, Fork, ve Pollack tarafından 1964’de elde edildi. Daha sonra pek çok özel kavite düzenlemesi, geribesleme şeması ve diğer cihazlar lazerlerin kontrol, çalışma ve güvenliğinin ilerlemesi için de geliştirildi.
13 Yarı-İletken LazerlerLAZER ÇEŞİTLERİ Gaz Lazerleri Sıvı Lazerleri Katı-hal Lazerleri Atom Lazerleri Helyum-Neon Lazeri Molekül Lazerleri CO2 Lazeri Nitrojen Lazeri Uzak kızıl-altı Lazeri Excimer Lazeri İyon Lazerleri Argon İyon Lazeri Kripton İyon Lazeri Metal Buharı Lazerleri Bakır Buharı Lazeri Altın Buharı Lazeri Yakut Lazeri Nd-YAG Lazer Ti-Safir Lazeri Boya Lazerleri Diğer Lazerler Yarı-İletken Lazerler X-Işını Lazerler Serbest Elektron Lazerleri Fiber Lazerler Diyot Lazeri
14 Kullanım Alanları Teknolojinin hızlı ilerlemesiyle birlikte bir çok Laser kolay ulaşılır hale gelmiş ve ilk defa 1974 yılında süpermarketlerde barkod okuyucu olarak günlük hayatımıza girmeye başlamıştır. Daha sonraları da cd okuyucu, yazıcı gibi bir çok aletle evimize girmiştir. Günlük kullanımın dışında da tıp, askeriye, eğlence vs. gibi değişik bir çok alanda kullanılmaktadır. Genel olarak bu alanlara bakacak olursak:
15 Tıp Bilimsel araştırmalar Havacılık-Uzay araştırmaları Endüstriyel sanayide Savunma sanayii Mikro biyoloji Haberleşme Enerji transferi Oyuncak ve eğlence sektörü
16 LAZERİN KULLANIM ALANLARITIPTA KULLANIMI Lazer teknolojisi her geçen gün gelişmekte olan yeni bir bilim dalıdır. Bilim adamları bu yeni teknoloji ile insanların sağlık problemlerini çözmek için ciddi bir uğraşa girmişlerdir. Neticede tıpta birçok alanda insanların hizmetine bu lazer teknolojisini sokmuşlardır. Örneğin estetik cerrahi, göz ameliyatları, diş tedavisi, ciltteki lekelerin temizlenmesi vb. gibi kullanım alanlarına sahiptir.
17 LAZERİN KULLANIM ALANLARIBİLİMSEL ARAŞTIRMALARDAKİ KULLANIMI Lazer ışınlarının katkıları bilimsel araştırmalara da damgasını vurmuştur. Fentometrelerce küçük mesafeleri rahatlıkla ölçmektedir. -Atomik ve moleküler spektroskopi Biyolojik yapılar ve bunların dinamiği -Yüzey ve ince film fizik ve kimyası Katıhal reaksiyonlarının dinamiği
18 LAZERİN KULLANIM ALANLARILazerin kullanım alanlarından en önemlilerinden biri de endüstriyel sanayidir. Yapılması zor ve yüksek maliyetli birçok işlemi hem çok kısa zamanda hem de çok daha düşük maliyette imalat yapmayı sağlamaktadır. Örneğin metal, ahşap gibi sayısız yüzeylere çok rahatlıkla işleme yapma imkanı sunar. Yine aynı şekilde birçok madde için kaynak, kesme, delme, oyma vb. gibi işlemleri kolayca yapabiliriz.
19 LAZERİN ENDÜSTRİDE KULLANIMINd-YAG LAZERİ Kesme, delme, kaynak
20 LAZERİN ENDÜSTRİDE KULLANIMICO2 LAZERİ Cam, metal ve plastik işlemede
21 LAZERİN ENDÜSTRİDE KULLANIMIFİBER LAZERLER Hibrit kaynak, yüzeylere yazı yazmak
22 LAZERLE İŞLENMİŞ PARÇA FOTOĞRAFLARIOtomobil tampon ve gövde kaynağı
23 LAZERLE İŞLENMİŞ PARÇA FOTOĞRAFLARIŞEFFAF PLASTİKLERİN KAYNAK EDİLMESİ Potansiyel kullanım sektörü: Optik ve dekorasyon sektörü
24 LAZERLE İŞLENMİŞ PARÇA FOTOĞRAFLARIKUMAŞLARLA POLİMER FİLMLERİN BİRLEŞTİRİLMESİ Potansiyel kullanım sektörü: Tekstil sektörü
25 LAZERLE İŞLENMİŞ PARÇA FOTOĞRAFLARIMedikal uygulamalarda mikro metre ölçütlerinde delik açma
26 LAZERLE İŞLENMİŞ PARÇA FOTOĞRAFLARIMikro deliklerin açılması Mikro kanalların açılması Yüzey işleme Markalama .