Lazerin Keşfi
20.yüzyılda fizik bilimindeki gelişmeler, öncelikle atom fiziğinde, sonra nükleer fizikte, daha sonra da temel parçacıklar fiziğinde olmuştur.
Bu konulardaki deneysel gözlemler, klâsik mekanik teori ile izah edilemedi. Zira atom, molekül ve atom çekirdeğinde yapılaşmanın, enerji, momentum vb. fiziksel kavramların alabileceği değerler açısından kesikli (kuantumlu) olduğu gözlendi. Bu durumu klâsik mekanik teori (Newton mekaniği) açıklayamadı. Bunun üzerine gözlenen gerçekleri izah etmek üzere kurulan yeni teorinin adı kuantum mekanik teori oldu. 1930′lara gelindiğinde bu yeni teori tüm postulaları ile birlikte literatüre girmişti. Laser ışınları, görülür bölgedeki diğer ışınlarda olduğu gibi. atom ve moleküllerin kuantumlu yapılarından kaynaklanmaktadır.
LASER, uyarmalı radyasyon emisyonu ile ışık amplifikasyonu anlamına gelen “Lightwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” kelimelerinin baş harflerinden oluşmaktadır. Buna benzer bir kelime daha vardır. O da MASER olarak bilinir ve yine uyarmalı radyasyon emisyonu ile mikrodalga amplifikasyonu anlamına gelen “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” kelimelerinin baş harflerinden oluşur. LASER görülür bölgede ışık amplifikasyonu (güçlendirmesi). MASER ise, ışığa göre daha uzun dalgaboylu olan ve mikrodalga bölgesi olarak bilinen bölgedeki dalgalan güçlendirme olayıdır. Bilim diline bu şekilde giren bu iki kelime, İngilizce dilbilimine de yeni birer kelime olarak girmiş; fiil yapmak için son “r” harfleri düşürülerek to lase (laser ışını verme), to mase (maser ışını verme) anlamında çok sık kullanılır olmuştur. Türkçemizde bu yeni kelimelere tam karşılık gelecek bir kelime henüz bulunamamıştır. Maser olayı 1954′te, laser olayı ise 1958′de keşfedilmiştir. Maser ve laseri keşfedenler. Amerika’lı Charles Hard Townes ve Rus Alexandr Mikhailovich Prokhorov. 1964 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü paylaşmışlardır. Bu da gösteriyor ki, keşfin önemi on sene sonra anlaşılabilmiştir. Laser ya da maser ışınlan çok güçlü elektromanyetik dalgalardır. Laser (ya da maser) olayları da atomların enerji seviyelerine dağılım dengesi bozulunca, ters dönünce (population inversion) oluşur. Bu olayın oluşum mekanizmasını, olduğunca basite indirgeyerek açıklamak mümkündür.
Doğanın en temel kanunlardan biri, canlı ya da cansız her varlığın normal koşullarda minimum enerji düzeyinde kalmaya elverişlidir. Atomlarda normal koşullarda en düşük (taban) enerji düzeyinde bulunurlar. Çok sayıda aynı cins atomlar topluluğunu (gaz halinde) göz önüne alsak, çoğu atom taban enerji durumunda olmakla birlikte, şu veya bu sebeple bazı atomların üst enerji seviyelerine uyarılmış oldukları görülür. Her atomda sonsuz sayıda enerji kuantum seviyesi vardır. Gaz içindeki atomların çarpışmalar sonunda seviyeler arasındaki dağılımı, ortamın T sıcaklığına bağlı olarak Boltzman istatistiğine uyar.
Atomlarda taban seviyenin ömrü çok uzun (sonsuz), uyarılmış seviyelerin ömrü ise, genelde çok kısa, örneğin, 10-8 saniye kadardır. Uyarılmış seviyelerden bazıları da milisaniye, saniye veya dakika mertebesinde ömre sahiptir. 10-8 saniyeden fazla ömrü olan bu tür seviyeler özel olarak mestastabil seviye olarak adlandırılır. Laser olayını oluşturabilmek için taban seviye E1, üzerinde, bir mestastabil seviye E2 ve onun üzerinde bulunan kısa ömürlü ikinci bir uyarılmış seviye E3 gerekmektedir. Laser olayının oluşturulabilmesi için bu özelliklerde ve bu sırada üç seviyenin var olması gerekir. Bu tür laserlere üç seviye laseri denir. Enerji seviyeleri arasındaki normal nüfus dağılımı yapay olarak değiştirilerek, elektronları üst seviyelere uyarılmış atomların sayısı arttırılabilir. Bu işlem gaz üzerine,foton enerjisi (E3 –E1) farkına eşit olan fotonlar (ışık) gönderilerek yapılır. Bu fotonlar gaz içinde E1 seviyesindeki atomları E seviyesine iter (pompalar). Onun için V31 ile gösterilen bu frekansa, pompalama frekansı denir. Pompalama işlemi N3‘ü artırırken N1‘i azaltır. Bu işlem, teorik olarak N3 = N1 oluncaya kadar devam eder. Optik pompalama başlayınca atomların sayısı, artık Boltzman kanununa uymaz. Pompalamadan dolayı üst seviyelerdeki atom sayısı artmış, atom sayısı ters dönmüş olur.
İlk defa A.L. Schawlow ve C.H. Townes tarafından 1958′de “Infrared and Optical Masers” adlı yayınla maser tarif edilmiştir . İlk bulunan lazer Ruby Laser‘idir. Uçları gümüş kaplı Ruby kristaline Xenon’dan yapılan flaş ışını
ışınlayarak zorlanmış emisyon ve 690 nm. dalga boyundaki lazer ışın elde edilmiştir. Maiman bunu 16 Mayıs 1960′ da sonuç raporları olarak yayınlamıştır . Bundan kısa bir süre sonra göz hastalıklarında optik pıhtılaştırma uygulamalarında Ruby lazer ışını kullanılmaya başlanmıştır . 1961 yılında Sorokin ve Stevenson grubu U: CaF2 lazeri ile ilgili çalışmalarını yayımlamışlardır.
1961 yılında ilk sürekli (cw) katı lazer (Nd:CaW04) Johnson ve Nassau tarafından geliştirilmiştir. İlk gas lazer, 1961 yılında, A. Javan, W.R. Bennet ve D. Herriot tarafından “Continuous Maser Oscillation in a Gas Discharge with He-Ne Mvcture” adı ile Phys. Rev. Lett. dergisinde yayımlanmıştır
Yarıiletken lazer’ler ise 1962′de beş kişilik bir ekip (R.N. Hali, G.E. Fenner, J.D. Kingsley, T.J.Soltys and RO. Carlson ) tarafından Phys. Rev.Lett. dergisinde yayınlanmıştır .
Mathias, 1963’de N2 lazer’ini, 1964′de Geusic, YAG lazer‘ini, Bridges, Ar-Ion lazer‘ini bulmuştur . Kidler ve Mean, lazer ışını ile plazmayı ısıtarak termo-nükleer füzyon fikri üzerindeki çalışmaları sonucunda, 1963 yılında Lawrance Livermore laboratuarında 12 ışınlı bir lazer sitemi kurup lazer füzyon deneyleri yapmışlardır . 1963 yılında Dr. K. N Patel, 10.6 nm boyunda sürekli (cw) CO2 lazerini gerçekleştirmiş ve çalışmalarını 1964 yılında yayınlamıştır.
1965 yılında Henry ve Legay, aktif ortam olarak CO2-N2O gaz karışımını kullanarak yüksek güçlü (100 W’ın üstünde) elektrik deşarj lı CO2 lazerini geliştirmişlerdir. Bununla birlikte, Patel ve Kerl CO2-N2 gaz karışımını kullanarak aynı lazeri gerçekleştirmişlerdir.
Lazerin kullanım alanları çağımızda gitgide yaygınlaşmakta olup , vazgeçilmez teknolojilerden biri olmuştur.
1864-1940: Astronomide spektroskopinin tarihçesi.
17-917: Einstein’ in fotonun uyarılmış emülsiyon tezinin kurucusu.
1954: İlk mikro dalga lazeri.
1960: İlk optik lazer.
1965: Orion nebulasında keşfedilen mikro dalga lazeri.
1965: Mikro dalga lazerinin kullanılması sureti ile kozmik arka radyasyonunun keşfi.
1966: İlk hareketli gaz lazeri.
1970: yıldızlardaki lazer etkisine dair ilk teorinin kuruluşu.
1973: Kuvartslardaki lazer etkisinin keşfi.
1979: Orion nebulasında bulunan yakın kızıl ateşi lazer yıldızı.
1981: Mars ve Venüs’ün atmosferinde keşfedilen CO2 lazeri.
1984: İlk x ışını lazeri.
1993: Gaz kontak plazması lazeri.
1995. Uçan Kuiper Rasathanesi tarafından keşfedilen uzak kızıl ateşi lazer yıldızı.
1996: Hubble uzay teleskopu ile keşfedilen ultra viyola lazer yıldızı.
