Atom üzerine düşen bir fotonun yukarıya doğru (uyarılmış soğurma) ya da aşağıya doğru (uyarılmış yayılma) atomik geçişleri eşit olasılıkla olur. Termal dengedeki atomlardan oluşan bir sisteme ışık düşürüldüğünde, taban durumunda bulunan atomların sayısı uyarılmış atomlarda bulunanlardan çok daha fazla olduğundan genellikle net bir soğurma enerjisi söz konusudur. Durum böyle olmakla birlikte, uyarılmış bir durumdaki atom sayısı taban durumundakinden daha fazla olacak şekilde sistem tersine çevrilebilirse, net olarak foton yayınlanması elde edilebilir. Böyle bir durumun oluşturulmasına nüfus terslenmesi denir. Bu aslında, bir laserin işletilmesindeki temel prensiptir.
Laser kelimesi uyarılma ile yayınlamada ışık yükseltilmesi anlamına gelen Ingilizce kelimelerin baş harflerinden türetilmiştir-Light Amplification by Stimulated Emission of Raditaion. Buradaki yükseltme zincirleme olaylar sonucu sistemden yayınlanacak foton sayısının artırılması anlamını taşımaktadır. Laser işleyişinin gerçekleşebilmesi için aşağıdaki üç şart sağlanmalıdır:
-Sistem, bir nüfus terslenmesi durumunda bulunmalıdır.
-Sistemin uyarılmış durumu yarı kararlı (metastable) bir durum olmalıdır.
-Uyarmayla yayılan fotonlar diğer uyarılmış atomlardan uyarmayla ışıma yaptırmaya yetecek kadar uzun süre sistem içerisinde tutulmalıdırlar. Bu durum, sistemin uçlarına yansıtıcı aynaların yer değiştirilmesi ile sağlanır. Uçlardan birisi tamamen yansıtıcı olur, diğer uç ise laser demetinin çıkışına izin verecek şekilde biraz geçirgen yapılır.
Uyarılmış ışınım yayan cihazlardan birisi helyum-neon gaz laseridir. Uçları aynalar yardımı ile hava geçirmez şekilde kapatılmış olan bir cam tüp helyum-neon karışımı ile doldurulur. Tüpe bağlı bir osilatör yardımıyla elektronlar tüp içerisinde hızlandırılarak gaz atomlarıyla çarpıştırılır ve atomlar uyarılmış durumlarına çıkarılır. Hem bu süreç yardımıyla hem de uyarılmış helyum atomlarıyla çarpışmaları sonucunda neon atomları E3 durumuna uyarılırlar. Neon atomları E3 düzeyinden E2 düzeyine bir geçiş yaptığında ortaya çıkan ışınım üst enerji düzeylerindeki komşu neon atomlarını etkileyerek ışımaya zorlar. Bunu sonucu olarak 632.8 nm dalga boylu bir koherent ışıma oluşur.
Laserlerin çeşitleri:
- Katı-hal laserleri: Katı bir kalıp kullanılır. Bunlar, yakut, neodimyum ,yağ laserleri. Neodimyum laserleri kızılaltı ışık yayınlar.
- Gaz laserleri: Helyum ve neon kullanılarak yapılır genelde ve görünür kırmızı ışık yayınlar.CO2 kullanılırsa kızılaltı ışın yayınlar. Sert cisimlerin kesilmesinde kullanılır. He-Ne laserleri adı altında çalışma prensipleri yukarıda anlatılmıştır.
- Excimer laserleri: Tıpta kullanılan laserler.
- Boya laserleri: Sıvı çözelti veya karmaşık organik boyalar kullanılır
- Yarıiletken lazerler: Katıhal laserlerine girmez çok küçük olup az enerji kullanıyorlar. Laser yazıcılar,CD çalarda kullanılıyor.
Son olarak da nanolaserler, gelişmiş teknolojiler vasıtasıyla bilim insanlarınca kullanılmaya ve geliştirilmeye başlandı.
Laser Işığının Özellikleri:
- Tek dalgaboyuna sahip ışınlar yayar ve bu özelliğine monokromatik denir. Tek dalga boyu olması sonucu tek renklidir.
- Tek fazlıdır yahut eş fazlıdır. Yani fotonlar arasında faz farkı olmadığı için düzenlidir.
- Yoğun bir ışın demeti yayarlar bu yüzden çok güçlüler ve ayrıca çok uzun mesafeleri sapmadan yol alırlar.
Laserlerin Uygulamaları
İlk laserin 1960 yılında geliştirilmesinden bu yana laser teknolojisinde çok büyük gelişmeler olmuştur. Günümüzde, kızıl ötesi, mor ötesi ve görünür bölgelerdeki dalga boylarında laser ışığı elde edilebilmektedir. Uygulama alanları çok geniş olan laser, yırtılmış retinaların cerrahi müdahale ile birleştirilmesi, ayrıntılı yüzey ve uzunluk ölçümü, nükleer füzyon reaksiyonlarını başlatmak için potansiyel bir kaynak oluşturulması, metal ve diğer malzemelerin pürüzsüz kesimi ve fiber optik üzerinden telefon haberleşmesi gibi işlerde kullanılmaktadır. Bu uygulamalar ve burada belirtilmeyen diğer uygulamalar yalnız laser ışığında var olan özellikler dolayısıyla yapılabilmektedir. Tek renkli olma ve koherent olma özelliklerinin hayli iyi olması yanında, laser ışığı aynı zamanda son derece iyi yönlendirilebilme ve son derece şiddetli ışıklı bölgeler oluşturacak şekilde odaklanabilme özelliklerine de sahiptir.
Laserler, uzun mesafelerin hassas ölçümlerinde kullanılırlar. Bu uygulama son yıllarda astronomik ve jeofizik açıdan yeryüzündeki bir noktanın Ay yüzeyindeki bir noktaya olan uzaklıklarını mümkün olduğu kadar hassas ölçmede büyük önem taşımaktadır. Bu ölçmeyi gerçekleştirmek için Apollo astronotları, bir yer istasyonundan kendisine gönderilen laser pulslarını gönderildiği istasyona yansıtan0,5 metrekarelik yansıtıcı prizmalar döşeli yansıtıcıyı Ay yüzeyine yerleştirdiler. Işığın bilinen hızından ve 1 ns süreli ışık pulsunun gidiş-dönüş süresinin ölçülmesinden,380.000 kmlik Dünya-Ay uzaklığı,10 cmden daha iyi bir kesinlikle belirlenebilmektedir.
Farklı biyolojik dokularda farklı dalga boylarındaki laser ışığının soğurulma özelliğinden yararlanılan laserin tıpta uygulama alanları vardır. Örneğin, belirli laser süreçleri karasu hastalığının sebep olduğu körlüğü gidermekte ve şeker hastalarına büyük ölçüde şifa vermektedir. Yaygın bir göz rahatsızlığı olan karasu hastalığı (glokom), gözdeki optik sinirlerin tahriş olmasına yol açabilecek yüksek bir sıvı basıncından ileri gelir. Laserle yapılan basit bir ameliyatla (iridectomy) rahatsızlığa sebep olan basıncı ortadan kaldırmak için sıvıyı hapseden zarda “yakarak” küçücük bir delik açılabilmektedir. Şeker hastalığının önemli bir yan etkisi, el ve ayaklarda kanın damardan sızması şeklinde ortaya çıkan damar zayıflamasıdır. Şeker hastalarındaki bu yan etki göz içindeki damarlarda da kendini göstermekte ve körlüğe kadar gidebilen bozulmalara (diabetic retinopathy) neden olmaktadır. Günümüzde argon iyon laserinden elde edilen yeşil ışığın saydam göz merceğinden ve göz sıvısından geçirilerek retina kıyısına odaklanması ve zayıf hücrelerin bu ışıkla yakılması sonucunda iç kanamanın önlenmesi başarılmaktadır. Miyop gibi küçük görme bozukluklarının giderilmesinde, göz merceğine yeni şekil vererek odak uzaklığının değiştirilmesinde ve ihtiyaç duyulan gözlüğün derecesinin azaltılmasında da laser kullanımından yararlanılır.
Laser cerrahisi, tüm dünyada hastahanelerde kullanılır hale gelmiştir. Karbondioksit laserinden çıkan 10 mikrometre dalga boylu kızıl ötesi ışık, hücre içindeki suyu ısıtıp buharlaştırarak buralardan kas dokuyu kesebilir özelliğe sahiptir. Bu laser bıçağı tekniğinde 100 W mertebesinde laser gücüne ihtiyaç duyulur. Laser bıçağının geleneksel yöntemlere üstünlüğü, laser ışığının kesme işini yapması sırasında aynı zamanda yakma işi de yaparak pıhtılaşmayı sağlamasından kan kaybını önemli ölçüde azaltmasıdır. Buna ek olarak bu teknik tümörlerin yok edilmesi ve bu tür hücre güçlerinin önlenmesi için de kullanılır.
Bir laser ışık demeti, tam iç yansıma yoluyla gayet ince cam lifinden yapılmış ışık kılavuzlarına (endeskop) hapsedilebilir. Bu ışık lifleri vücudun doğal kanallarından içeriye sokularak iç organlarda dolaştırılabilirler ve vücudun iç bölgelerindeki özel konumlara yönlendirilebilirler. Böylece cerrahi müdahale gereksinimi ortadan kalkar. Örneğin, kanayan ülserli mide bölgesi, ağızdan girilen fiber optik endoskopla dağlanabilir.
Tıp ve biyolojik araştırmalarda çoğu kez olağandışı hücreleri çoğaltmak ve incelemek için onları ayıklayıp biriktirmek önemli olmaktadır. Bu amaç için kullanılan bir hücre ayırıcısı, bazı özel hücrelerin fluoresant boya ile işaretlenebilmesi gerçeğinden yararlanır. Hücrelerin tümü küçücük yüklü bir delikten püskürtülerek paralel levhalar arasına düşürülür ve boya işaretlemesi için laser taraması yapılır. İşaretli hücrelerin uygun ışık yayımı ile tetiklenme sonucu paralel levhalara gerilim uygulanması ve seçilen hücrelerin saptırılarak bir kapta toplanmaları sağlanır. Bu iş bir ot yığını içinden iğne şekilli çam yapraklarının ayıklanmasına benzeyen zor bir iştir ama akıllıca düzenlenmiş etkin bir yöntemdir. Laser ve biyofotonik hakkında daha fazla bilgi için Biyofotonik ve Uygulamaları yazımızı okuyabilirsiniz.
Hazırlayan: Gökhan Atmaca / http://twitter.com/kuarkatmaca | Tarih: 06.06.08
Kaynaklar:
Fizik 3, Serway-Beichner, Çeviri editörü: Prof.Dr. Kemal ÇOLAKOĞLU, Palme yayıncılık
