Lazer: Madde ve ışık ş etkileşiminin ş bir sonucu

Transkript

1 Lazer: Madde ve ışık ş etkileşiminin ş bir sonucu Işık Madde Işık Zorlamalı salınım Lazer Lazer türleri Lazer ışığının özellikleri Lazerlerin uygulamaları Lazer ışığının tehlikeleri ve korunma

2 Işık Madde Işık Elastik saçılma, h < E E ışık ş > r Atom h E h Rayleigh-Saçılması, 1871 W Rayleigh Saçılması ~1/ 4 Saçılma fonksiyonu ( ) 2 [ n 2 ( ) 2 1] [1 4 N cos 2 ( )] Gün batımı sırasındaki kırmızılık Gökyüzünün mavi görünmesi Polarizasyon ölçümü

3 Işık Madde Işık Elastik olmayan saçılma, h > E E Raman Saçılması: (C. V. Raman) E = h - h h h h E Raman saçılma çizgileri ile uyarım ışığı arasındaki frekanslar: Raman olayı: Molekül Saçılan titreşimleri ışığın sıvılarda için: < 3000 ve gazlarda cm -1 Katılarda titreşimler, örgü dönmeler titreşimleri ve için: bunların 100 cm üst -1 üste 1000 binmelerine cm -1 göre Gazlarda dönmeler için: <100 cm -1 Katılarda Raman örgü spektroskopisi: titreşimleri, kuantalanmış malzemelerin uyarılmaları (maddenin) (Polariton, yapısını Magnon, incelemek Plasmon) için önemli Landau bir teknik. seviylerindeki elektronlar Raman tarafından spektroskopisi module olması. ve kızılaltı spektroskopisi birbirini tamamlarlar

4 Işık Madde Işık Rezonans soğurma, ğ h = E E h Oyalanma süresi Yaşam süresi: E h

5 Işık Madde Işık Floresans, h > E h E h h E h

6 Işık Madde Işık Fotoelektrik olay, h >> E E salıverilen Elektron h E

7 Işık Madde Işık Compton-Saçılması, h >> E E Salıverilen Elektron h h E Göreceli enerji ve momentum korunumu dikkate alındığında h 2 1 (1 cos ) mc

8 Işık Madde Işık Zorlamalı ışık salması, h = E yada h > E E h + ters dolum (örn. Bir rezonatörde) E h 12 1,2,..

9 Lazer tarihinden bazı önemli gelişmeler 1917 Einstein in zorlamalı emisyonu teorik olarak açıklaması R Ladenberg et al. Gas deşarjında zorlamalı salınımın deneysel gözlemlenmesi 1951 Maserin C.H. Townes tarafından geliştirilmesi Maser lazer ile aynı temel düşünceye dayanıyor; ancak sadece mikrodalga bölgesinde çalışıyor C.H. Townesand A.L. Schawlow tarafından maser prensibinin optik frekanslarada uygulanabilirliğinin önerilmesi T.H. Maiman Hughes Laboratuvarda atmalı yakut lazeri gerçekleştirdiklerini bildirdiler İlk sürekli dalga lazeri rapor edildi (Helium Neon lazeri) İlk yarı iletken lazeri (R Hall) 1964 Nicolay Basov, Charlie Townesand A leksandrprokhorov Lazer ve maser prensibini açıkladıkları için Nobel Ödülü aldılar J M J Madey et al. Serbest Elektron lazeri 1981 Art Schalowand Nicolaas Bloembergen lazer spektroskopisini gelişimine katkılarından dolayı Nobel ödülü aldılar 1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ve William D. Phillips atomları lazer ile soğutup tuzaklama yöntemini geliştirdikleri için Nobel Ödülü aldılar.

10 Zorlamalı ışık salması (emisyon) Atomlar kendiliğinde soğurma yapamazlar. Işık alanı + Temel durum (temel enerji seviyesi) Soğurma: uyarılmış durum (uyarılmış enerji seviyesi). Uyarılmış bir durumda bulunan atomlar kendiliğinden ışık salabilirler. Uyarılmış durum uyarılmış durum + ışık alanı Temel e durum u (: Emission) temel e durum u (:Emission) I2 h h h 2h I1 Soğurma ğ (Absorpsiyon) kendiliğinden zorlamalı Işık salması (Emisyon) Einstein-Katsayıları: B 12 A 21 B 21

11 Lazer Lazer Işığı S1 S2 E x L=10 cm, R=95% için L Rezonator uzunluğu L 0,1m 10 3, s 8 c 2,99 10 m / s L 0,33ns t 6, 6ns 0 c (1 R) (1 0,95) 0,33ns

12 Lazer E Lazer içindeki foton sayısı hesap eşitlikleri E 2 W N 2 İlk başta lazer eylemini gerçekleştiren fotonlar (rezonatör ekseni boyunca) dikkate alınırsa E 1 N 1 dn dt N Wn 1 zorlamalı Emisyon N 2 Wn W N 2 Kayıplar n t 0 Soğurma kendiliğinden Emisyon E E 2 E 1 N W : kendiliğindenğ W : zorlamalı 2 N 1 n : Dikkate alınan foton sayısı W: Geçiş olasılığı N 1 : Temel durumda bulunan atomların sayısı N 2 : Uyarılmış durumda bulunan atomların sayısı t 0 : Lazer içerisinde bulunan bir fotonun yaşam süresi

13 Lazer W V 1 D( ) V: Lazer ortamının hacmi : Uyarılmış seviyenin yaşam süresi D( )d : +d frekans aralığının birim hacminde 2 bulunan olası duran dalgalar l D( ( ) 8 3 c Örnek Hesaplama: yakut lazeri için verilen şu verilere göre W yi hesaplayınız V= 62,8 cm 3, = 4, Hz, =2, Hz c= 2, cm/s, = 3,0 ms W = 1, s -1 Haken Kendiliğinden salınımın lazer olayına katkısı yok. Lazer şartı için n den bağımsız olan W N 2 terimi ihmal edilebilir. Bir sistemin lazer etkinliği gösterebilmesi için fotonların üretilme debisi 0 dan büyük olmalıdır: dn dt W ( N N 1) n n 2 t 0 0 n 0 şartı ise şunu verir:

14 Lazer şartı N 2 N 1 8 V 2 3 c t 0 t 0 L (1 R) c Lazer içerisindeki fotonların yaşam süresi t 0 mümkün olduğunca uzun olmalı Lazer ortamının hacminin mümkün olduğunca küçük olması gerekir. Yapı ile ilgili kriterler Emisyonun yaşam süresi mümkün olduğunca kısa olmalı Mümkün olduğunca yüksek enerji seviyelerin büyük dolum imkanı N 2 -N 1 Frekans de mümkün olduğunca ğ küçük ük olmalı. l Lazer malzemesi ile ilgili kriterler Bunlara ek olarak daha başka faktörler de bir lazerin yapılmasında rol oynarlar. örneğin.: pompa kaynağı, güç kaynağı, boyutlar Hesaplama örneği: L = 1cm L = 10 cm L = 100 cm Farklı rezonatör uzunlukları ve R = 99%, 3, s, 3, s, 3, s, yansıma yeğinlikleri ğ için t 0 ın R = 90%, 3, s, 3, s, 3, s, hesaplanması R = 10%. 3, s, 3, s, 3, s, Haken / Wolf

15 Lazer türleri, enerji şemasına göre İki seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi Pompa Pompa Pompe Pompa Işımasız geçiş Işımasız geçiş Lazer-geçişi Lazer-geçişi geçişi Işımasız geçiş Lazer-geçişi Işımasız geçiş

16 Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam) Atomlardaki elektronik geçişleri i Katıhal lazerleri (z.b. Rubin,Nd-YAG, ) Gaz lazerleri (z.b.argon-ion, Krypton, He-Ne,...) 4 F 1 4 F 2 2 E 4 A 2

17 Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam) Moleküllerdeki ki elektronik geçişler Excimer Lazer (HeN, XeBr, XeCl, ) Kimyasal Lazer (F+H 2 HF * +H, etc.) Renk malzemesi lazerleri (z.b. Rodamin 6G, Stilbene, Pyridin,...)

18 Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam) Moleküllerdeki ki titreşimler i ( Örneğin CO 2 ) Yarı iletkenlerdeki elektronik geçişler Serbest elektron lazerleri Röntgen lazeri Fiber lazerleri Disk lazerleri

19 Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam)

20 Lazer ışığı özellikleri Tek renklilik (monokromatiklik) (zamansal Koherentlil), l =c t =c/ Işın özelliği (uzaysal Koherentlik) yüksek yeğinlik çok kısa salmalar (pulslar) üretebilme imkanı

21 Lazer uygulamaları (Malzeme işleme) Kesme Yüzey işleme Kaynak yapma yazma / işaretleme

22 Lazer uygulamaları (Malzeme işleme / otomasyon) Robotların konumlarının kontrolü Paslanmış bir metal milin kontrolü Bir aralıktan açılma alanının ölçülmesi Parlak yüzeylerde bile kararlı ölçüm Bir iş makinasındaki titreşimleri ölçme Hareketli ölçüm cisimlerinde kısa ölçüm süresi

23 Lazer uygulamaları (Günlük hayatta)

24 Lazer uygulamaları (Tıpta)

25 Lazer uygulamaları (Tıpta) 1) Deri ve plastik cerrahi 2) Göz 3) Sindirim sistemi 4) Kadın hastalıkları 5) Üroloji 6) Kardiyoloji 7) Diş hekimliği 8) Beyin cerrahisi 9) K.B.B. 10)Ortopedi.

26 Lazer uygulamaları (çekirdek birleşimi girişimleri)

27 Lazer ışığının tehlikeleri ve korunma

28 İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması Sınıf 1 Sözkonusu lazer ışığı yeğinliği öngörülebilen şartların altında. Zararsızdır. Sınıf 1M Sözkonusu lazer ışığı 302,5 nm nm spektral aralığındadır. Lazer ışığı eğer başka optik araçlar (mercek, teleskop, büyüteç) aracılığı ile sahip olduğuğu genişlikten daha fazla daraltılmazsa göz için zararsızdır. Sınıf 2 Sözkonusu lazer ışığı 400 nm ile 700 nm spektral bölgesindedir. Kısa süreli etki için ( 0,25s) göze zararlı değil. Bu dalgaboyu dışındaki ek ışık kısımları 1. sınıf şartlarındadır.

29 İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması Sınıf 3A Sözkonusu lazer ışını optik araçlarla (büyüteç mercek, teleskop) daraltıldığında göz için tehlikelidir. Eğer optik araçlarla ışın genişliği daraltılmazsa göz için tehlikeli değildir! Herhangi bir optik araç ile ışın daraltılması yoksa görünür bölge için ( 400 nm nm) kısa süreli etkilerde ( 0,25s), ve diğer spektral bölgeler için daha uzun etkiler için de tehlikeli değildir. Sınıf 3B Sözkonusu lazer ışını göz için ve genellikle deri için de tehlikelidir. Doğrudan 3B sınıfı lazer ışığına bakmak tehlikelidir. Ancak bir dağıtıcı bir yansıtıcıdan en az 13 cm uzakta ve 10s den daha kısa bir süre bakılması ve eğer aynı zamanda hiç bir doğrultulmuş ışın kısmı olmaması durumundan ışına bakılabilinir Sınıf 4 Sözkonusu lazer ışını göz için çok tehlikeli ve deri için tehlikelidir. Dağıtkan olarak saçılan ışık da tehlikelidir. Bu tür lazerlerin ışıkları yangın ve patlama nedeni olabilirler.

30 Lazeler ve Işın yolları için kurallar Lazer bölgelerinin genellik sözkonusu tüm odanın (Laboratuarın) lazer ışınları için işaretlenmeli, lazerlelrin çalışması durumunda laboratuara girişler sınırlandırılmalıdır. Laboratuarda hemen ulaşılabilir yerlerde acil durum anahtarları olmalıdır. Işın yolları genellikle göz hizasında olmamalıdır! (oturma durumu da dikkate alınmalı) Mümkün olduğunca ışın yollar saydam olmayan borularla çevrelenmelidir. Optik araçların yerleştirilmesinde olası yansımalar dikkate alınmalı düşük yeğinlikli lazer ışını ile test ilgili düzenek (deney düzeneği ) test edilmelidir. Dağınık yansımalar dahi bazen yüksek doğrultulu ışınlara sahip olabilir ve 4. sınıf lazerleri durumunda zaralı olabilirler. Optik araçların kullanılmayan kısımları siyahlaştırılmalıdır. Optik araçlar serbest şekilde (tutucusuz ve kapaksız) hiç bir zaman ışın yollarında bırakılmamalıdır. Işın yakalayıcı ve perdelemeler kullanılmalıdır. Ustaca seçimlerle ışın yolu takip edilebilir durumda ve güvenli olacaktır. Yeni çalışmaya başlayanlar tecrübeli çalışanlar tarafından bilgilendirilmelidir. Aynı şekilde misafirle tehlikeler hakkında bilgilendirilmelidir.

31 Araştırma ş laboratuarlarında dikkat edilmesi gerekenler Herkes kendi bölgesindeki güvenlikten sorumludur. Her eylem öncesinden etkileri hakkında iyice düşünülmelidir! Lazerlerden korunma ve ayar gözlükleri kullanılmalıdır. Ortamın aydınlatılması yapılmalıdır. Laboratuar içinde Yollar serbest bırakılmalı ve çalışma ş yerleri her zaman toplanmış ş bırakılmalıdır. Optik araçlar yerleştirilir veya düzeneklerden kaldırılırken önceseinde lazer ışığı boloke edilmelidir. Eğer birden fazla kişi aynı deney düzeneğinde çalışıyorsa lazer ışını uyarıdan sonra serbest bırakılmalıdır! Eğilme durumunda gözler kapatılmalıdır ve ışık kaynağına bakılmayacak şekilde yüz çevrilmelidir.. Saatler, takılar ve kemer başlıkları yansımlara yansımalara neden olurlar Bakım ve onarım araçları kullanılırken l k dikkat edilmelidir. lidi Onlardan da yansımalar olabilir.

32 Bir HeNe lazer tüpü ve devre kartinin altinda güç kaynağı ğ Bilim ve Teknik Mayıs 2010

33 Physics World May 2010

34

35 Artist t Hiro Yamagata linked science with art at his Photon 999 exhibition, where multiple l laser systems immersed the viewers in a moving-light show. Physics World May 2010

36 New kinds of lasers with different wavelengths, ever shorter pulse lengths, ever higher powers, ever narrower spectral widths and ever better stability have all made possible new kinds of experiments William D Phillips is a physicist at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Maryland, US. He shared the 1997 Nobel Prize for Physics with Claude Cohen-Tannoudji and Steven Chu for cooling and trapping atoms with laser light Physics World May 2010

37