LAZER İLE MESAFE ÖLÇÜMÜ MERAL ALTIN ŞİRİN BARİK

Transkript

1 LAZER İLE MESAFE ÖLÇÜMÜ MERAL ALTIN ŞİRİN BARİK

2 Konu Başlıkları LAZERLER VE LAZER İLE MESAFE ÖLÇÜMÜ 1. Lazerlerin Tarihsel Gelişimi 2. Lazere İlişkin Temel Prensipler 3. Lazerin Çalışma Prensibi 4. Lazer Türleri ve Lazerin Kullanım Alanları 5. Lazer İle Mesafe Ölçümü

3 LAZERLER İngilizce laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation deyimindeki kelimelerin baş harfleri alınarak türetilmiştir. An lamı ise ışımanın uyarılmış yayılımı yolu ile ışığın kuvvetlendirilmesidir. Lazer cihazları dalga boyu, genlik ve faz bakımından uyumlu ışık veren kay naklar; ya da en uç mor ötesi ışınlardan, kızıl ötesi ışınlara kadar değişen bir optik spektrumda yer alarak kararlı elektromanyetik ışın ve dolayısıyla enerji yayan bir aygıt olarak da tanımlanabilirler.

4 Lazerler, çeşitlilik arz etmekte olup laser kısaltmasının oluşumuna da atfen, ışımayı şiddetlendi recek malzeme içermeleri lazerlerin ortak ve en büyük paydalarıdır. Bu ışıma, dar bir frekans alanında dağılım göstermeyen enerji bakımından zen gin bir niteliğe sahiptir. Lazer ışınları çok uzun mesafelere kadar dağılma dan ulaşırlar.

5 Lazerlerin Tarihsel Gelişimi Lazerler, uyarılmış salınımla, mikrodalga alanında elde edilen kuvvetlendirmenin, spektrum optik bölgesinde eldesi prensibine dayan makta olup; atomların enerji seviyelerine, taşı dığı enerjiye ve yüksek enerji seviyesindeki atom sayılarına bağlıdır.

6 Lazerlerin daya nak noktası olan ışımanın uyarılmış salınımı teorisi, 1916 yılında Albert Einstein tarafından önerilmiştir. Einstein ın bu teorisine göre uya rılmış ışınım enerji seviyesindeki bir atom, düşük enerji seviyesine indiğinde foton yayması gerekir ve bunlar aynı yönlü, aynı kuvvetli, tek renkli, kutuplanmış (polari ze) bir ışık demeti üretirler. Bunun sonucu olarak da enerji meydana gelir. Einstein ın bu önerisi ile temellenen lazerlerin gelişim süreci, sırası ile 1928 de Rudolph W. Landenburg tarafından, uyarılmış ışımanın varlığının kanıtlanması ve negatif soğumanın ortaya konması, 1940 da Valentin A. Fabrikant ın sayı yoğunluğu tersiniminin olma olasılığını, 1947 de de Willis E. Lamb ve Rutherford un uyarılmış ışımanın ilk gösterimini başarmaları ile hız kazanmıştır.

7 Rudolph Willis E. Lamb Rutherford

8 Kat edilen bu gelişim süreci, Einstein ın ortaya koydu ğu teori baz alınarak, Columbia Üniversitesinde yapılan çalışmalarda amonyak kullanımı ile mikrodalgaların yükseltilmesi prensibine dayanan MASER in (Microwave Amplification of Stimulated Emission of Radiation/ Işınmanın Uyarılmış Yayınımı ile Mikrodalga Yükseltilmesi) 1951 de Charles Hard Townes tarafından bulunması ile ivme kazanmıştır. Maser in bulunmasından sonra bilim insanları bunun optik bölgelere uygulanabilirliği üzerinde çalışmalara başlamışlar ve bunun sonucu olarak lazerle ilgili yapılan çalışmalara temel atmışlardır.

9 Charles Hard Townes Arthur Leonard Schawlow

10 Lazerin elde edilmesi için gerekli süreçler ve fiziksel koşullar ilk olarak 1958 yılında Charles Hard Townes ve Arthur Leonard Schawlow tarafından öne sürülmüştür. Bu nunla birlikte lazer teknolojisinde kayda-değer mesafeler alınmıştır. Bu bağ lamda 1960 yılı lazer teknolojileri açısından çok parlak geçmiştir ta; Theodore H. Maiman tarafından yakutla (rubin) çalışan ilk lazer bulunmuş, Peter P. Sorokin ve Mirek J. Stevenson da ilk uranyum lazerini geliştirmiş lerdir.

11 Theodore H. M. Peter P. Sorokin ve Mirek J. Stevenson

12 Yine 1960 yılında, Ali Javan, William R. Bennett ve Donald Herriot da Bell laboratuvarlarından Helyum- Neon lazerini bulmuşlardır, 1961 e gelindiğinde ise sürekli çalışan ilk Katı Lazer, Johnson ve Nassau tarafından geliştirilmiştir. Hızla gelişen lazer teknolojileri beraberinde birçok lazer çeşidinin orta ya çıkmasına neden olmuştur. Lazerler; cinsine, enerjinin etkinliğine ve enerjinin uygulama şekline göre uygulama alanlarında farklılık gösterirler.

13 Donald Herriot Ali Javan William R. B.

14 Lazere İlişkin Temel Prensipler Lazerler, Einstein tarafından geliştirilen ışımanın uyarılmış salınımı te orisine dayanarak çalışırlar. Bu teori; kendiliğinden ışıma, soğurma ve uya rılmış ışıma olmak üzere 3 temel olayı içerir. Söz konusu bu temel olayların ayrıntılı açıklanmasından önce atomik yapıya kısaca deyineceğiz.

15 E : Fotonun Enerjisi E 2 : Yüksek Seviyedeki Enerji E 1 : Taban Seviyedeki Enerji h : Plank Sabiti (6,625x10-34 Js/molekül) ν: Lazer ışığının Frekansı Atom, çekirdek ve çekirdek etrafında dolanan elektronlardan oluşur. Bu atomların her birinin belirli bir iç enerjisi vardır. Minimum enerji pren sibine göre atomlar bu enerjilerini en düşük konumunda tutma eğiliminde dirler.

16 Atomun minimum enerjili olduğu bu duruma o atomun taban enerji seviyesi (toprak seviyesi) adı verilmektedir (E 1 enerji seviyesi). Atom bu konumundan, daha yüksek enerjili konumlarda da olabilir. Enerjisi yapılan müdahaleye göre değişim gösterebilecek olan atom, dışarıdan her hangi bir etki olmadığı sürece bulunduğu enerji seviyesinde kalmaya devam eder. Atoma frekansı ν olan bir elektromanyetik dalganın (fotonun) çarp ması durumunda ise, elektromanyetik dalganın sahip olduğu enerji atom tarafından soğurulur ya da yutulur. Soğurulan enerji, atomu E 2 enerji sevi yesine yükseltir.

17 Atoma çarpan dalganın enerjisi E 2 - E 1 enerji farkına dönüşür. Söz konusu bu olay Einstein ın ışımanın uyarılmış salınımı teori sindeki soğurma olayıdır. Düşük seviyedeki atomun foton soğurarak yüksek seviyeli atomun enerji seviyesine geçmesinin söz konusu olduğu bu durumu; atomun sahip olduğu elektronlarının, bir alt enerji seviyesinden (bir alt yö rüngeden) bir üst enerji seviyesine (bir üst yörüngeye) çıkarak, atomun enerji seviyesinde artışa neden olması olarak özetlenebilir. Bu durum Einstein tarafından geliştirilen ışımanın uyarılmış salınımı teorisinde soğurma prensibine karşılık gelir.

18 Atom, her fotonu değil sa dece enerjisi iki enerji düzeyi arasındaki farka eşit enerjiye sahip olan fotonları soğurur. Atomdaki bir üst enerji seviyesine geçen elektronlar aldığı enerjiyi geri verdiğinde tekrar alt enerji seviyelerine dönerler ve atom, E 2 enerji seviye sinden E 1 enerji seviyesine geçer, bu geçiş sırasında sahip olduğu enerji farkını, ortama elektromanyetik dalga yani foton olarak bırakacaktır. Bu fotonlar (ışığın kuantumları) lazer ışını örneğinde olduğu gibi, ışınları oluş tururlar. Bu durum ise Einstein tarafından geliştirilen ışımanın uyarılmış salınımı teorisinde, ışıma (yayınma) yasasına karşılık gelir.

19 Einstein ın teori si; yüksek enerji seviyesindeki bir atomun daha düşük enerji seviyesindeki bir konuma, foton yayarak iki farklı şekilde geçebileceğine vurgu yapmakta dır. Bu iki durumun ilki, atomun kendiliğinden ışıma ile (dışarıdan her hangi bir etki olmaksızın) düşük enerjili duruma geçmesidir. İkincisi ise uygun frekanslı bir elektromanyetik ışınım etkisi sonucu uyarılmış ışıma ile enerji yayarak düşük enerjili duruma geçmesidir. Atomun uyarılmış durumda kalma süresi yaklaşık 10-8 s dir.

20

21 Kendiliğinden ışıma olayı, Şekilden de anlaşılabileceği gibi yüksek seviyede bulunan atomun, kendiliğinden foton yayarak düşük seviyeli atom haline geçmesidir. Kendiliğinden ışıma olayında bir atomun bıraktığı elekt romanyetik dalgalar arasında faz ilişkisi yoktur. Yayılma gelişi güzel bir şekilde olmaktadır.

22 Lazerin Çalışma Prensibi Işımanın uyarılmış salınımı teorisinde bahsi geçen temel olaylardan, uyarılmış ışıma yani bir dış kaynak tarafından tetiklenerek yapılan uyarılmış ışıma olayı lazer elde edilmesinin temelini oluşturmaktadır.

23 Lazerler, bu prensibe dayalı olarak, optik saydam bir lazer tüpü içeri sinde gerçekleşir. İçerisi katı, sıvı veya gaz bir madde ile doldurulan lazer tüpünün bir ucunda tam yansıtıcı ayna, diğer bir ucunda ise kısmen yansıtıcı ayna mevcuttur. Lazer tüpüne dışarıdan enerji verilerek ortamda bulunan atomlara bu enerji ulaştırılır. Lazer tüpüne dışarıdan enerji verme olayı, ortamdan elektrik akımı geçirerek, kimyasal bir yolla ya da dışarıdan ışık geçirme şeklinde gerçekleştirilebilir. Atomların bir kısmı bu enerjiyi emerler (absorption). Ayrıca fazla enerji de atomları kararsız hale getirir.

24 Kararsız ve uyarılmış haldeki atomlara çarpan fotonlar sonucu bu atomlar da foton yayarlar ve kararlı hale geçmeye çalışırlar. Yayılan bu fotonlar tüpün içeri sindeki aynalardan yansıyarak döner ve reaksiyonu hızlandırır. Bu arada uyarılma ve tahrikler sonucu ortamdaki fotonların sayısında da artışlar meydana gelir. Atomların büyük çoğunluğunun foton yaymasıyla ışık kuv vetlenir, kuvvetlenen bu ışık kısmen yansıtıcı aynalı uçtan dışarı çıkar.

25

26 Lazer Türleri ve Lazerin Kullanım Alanları Günümüzde, dalga boyları, güçleri, ışın kalitesi, verimlilikleri, çalışma şekilleri ve darbe uzunlukları açısından birbirinden farklı binlerce lazer türü vardır, Bunlar genel olarak Tablodaki gibi sınıflandırılmaktadırlar. Katı-hal Lazerleri Yakut Lazeri Boya Lazerleri Nd-YAG Lazer Ti-Safir Lazeri Sıvı Lazerleri Gaz Lazerleri Atom Lazerleri Helyum- Neon Lazeri Molekül Lazerleri Yarıiletken Lazerler Diğer Lazerler Diyot Lazeri X-Işını Lazerleri Serbest Elektron Lazerleri Fiber Lazerler

27 Dalga boyları yaklaşık olarak 170 nm ile 3900 nm arasında değişen katı hal lazerleri, en çok kullanılan lazer türleri arasında yer almaktadırlar. Yakut pompalamalı lazerler a) yapısı b) yakutun enerji seviyeleri

28 Yansıtıcı oyuk Beslemeli ayna (Yansıtıcı) Ön ayna (Kısmi yansıtıcı) Nd:YAG çubuk Lazer çıkışı Lamba Katı-hal lazerler; ölçme işlemlerinde elmas kalıpların işlenmesinde, boya lazerle rinin pompalanmasında, atomik parçalanmada ve tıp alanında yaygın olarak kullanılırlar.

29 Katı hal lazerler ayrıca sanayi alanında metalleri özellikle de yansıtıcı metalleri kesme, delme işlemlerinde tercih edilirler. Seramik gibi metal olmayan materyalleri işlemede de yine katı-hal lazerleri kullanılmak tadırlar. Nd:Yag Lazeri

30 Sıvı lazerleri, ayarlanabilen prizması nedeniyle Bir sıvı lazer türü olan boya lazerleri; spektroskopik cihazlarda ışın kaynağı olarak, kanserin fotodinamik tedavisinin uygulanma sında, tıbbi teşhiste, deri hastalıklarında (dermatoloji), bevliyede (üroloji), atmosferdeki gazların analizlerinde, ileri haberleşme teknolojisi ve mikro elektronik devrelerde, genetik mühendisliği alanında, insansız uzay araçla rındaki güneş pilinde, petrol ve kömür endüstrisinde, izotopların ayrılma sında, üç boyutlu resim çekme özellikle kimyasal analiz işlemleri için uygundur. ve görüntülemede (holografi), kuru kimyasal aşındırma yöntemi ile malzeme işlemede ve uranyum madenciliği işleme endüstrisinde kullanılırlar.

31 Yara iyileşmesinde ve biyo-uyarımda etkili olduğu bilinen gaz lazerler endüstride ise özellikle 2-12 Kw a kadar güç gerektiren uygulamalarda kul lanılırlar. He-Ne Lazeri

32 Gaz lazerleri arasında yer alan C0 2 lazeri; deri, lastik gibi organik malzemelerin kesilme ve delinme işlerinde, çocuk emziklerine delik açma da, zımba basımlarında ve birçok metal, plastik, ağaç, kuvars, seramik ve cam işlemede tercih edilmektedirler. C0 2 Lazeri

33 Yarı İletken Lazerler Yarıiletken lazerler; CD çalıcı, CD-ROMS, DVD ve HD- DVD tekno lojilerinde kullanılırlar. Yüksek hız ve düşük maliyet nedeniyle tercih edilen yarıiletken lazerler, ayrıca; ısıtma, kaplama, dikiş kaynak gibi endüstriyel uygulamalarda geniş bir kullanım sahasına sahiptir.

34 X-Işını lazerler; görüntüleme mikroskobunda, taş baskılarda (litografi) ve plazma incelemede kullanılırlar. X-ışını lazerin bir plazma ile etkileşimi Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan X-ışını X-ışını lazerler litografide ve Hohlaryum plazmaların incelenmesinde kullanılır

35 Fiber lazerler; tıpta, askeri alanda, optik saatlerde, fotokimyasal süreçlerin incelenmesinde, biyolojik yapılar ve bunların dinamiğinin incelenmesinde, serbest elektron la zerleri ise ince filmlerde, yarıiletkenlerin elektronik yapılarının ortaya konmasında, malzeme ve yüzey işlemede kullanılırlar. Serbest elektron lazerleri, çekirdek fiziği araştırmalarında kullanılırlar.

36 Lazerler ayrıca; mesafe bulma, tayin etme, gece görüş dürbünlerinde, çok başlıklı füzelerin hedef seçmesi gibi çok yönlü özellikleri ile askeri alan da da sıklıkla kullanılırlar. Yine tıp alanında birçok uygulama alanı olan lazerler; vücudun çeşitli bölgelerindeki tümörlerin bıçak müdahalesi olma dan yerinde kesilerek tedavi edilmesinde, kansız ameliyatlarda ve yırtılmış göz retinasının acısız süratli bir şekilde dikilmesinde kullanılırlar. Çürük diş çukurlarının dolgu yapılmak üzere acısız bir biçimde delinmesi de yine la zerler ile mümkün olabilmektedir.

37 LAZER İLE MESAFE ÖLÇÜMÜ VE LAZERMETRE

38 Lazermetre nedir? Lazermetre nasıl çalısır? Lazermetre çeşitleri? Lazermetre nelerde kullanılır?

39 Lazermetre nedir?

40 Bir lazermetre nasıl çalışır? Bir lazermetre, lazer ışınlarının yardımı ile mesafeleri ölçer. Bu odaklanan ışınlar, lazermetre tarafından yayılır. Bunun üzerine bu cihaz ışık ışınlarının kaynağa tekrar yansıması için gerekli zamanı hesaplar elde edilen sonuçlar sayesinde mesafe oldukça hassas bir şekilde tespit edilir. Yalnız bir tuşa basmakla ölçüm sonuçları toplanır veya çıkarılır ve oda hacmi veya alanlar hesaplanır

41 Lazerle mesafe ölçüm aletleri

42 Lazer Mesafe Ölçüm Sensörü VDM28

43 Modern PRT Teknolojisi, kullanıcılara düşük maliyetle daha iyi parametreler sunmaktadır. PRT Teknolojisine sahip yeni VDM28 laser mesafe sensörüne ait belirgin özellikler aşağıda sıralanmıştır. Darbe Yansıma Süresi Teknolojisi PRT ile sinyalin yansıma süresi doğrudan ölçülmektedir. Kırmızı Laser ışık kaynağı Küçük ve çok net görülebilir ışık spotu PRT ile gerçekleştirilmiş en küçük sensör

44 5mm. tekrarlama hassasiyeti ile 8m ye kadar çıkabilen algılama mesafesi Algılama yapılan yüzeyden bağımsız olarak calısır Düşük siyah-beyaz renk farkından etkileşim Dış ortam aydınlatmasından etkilenmeme özelliği Karşılıklı etkileşim olmaması (-30 C) ortam sıcaklığına kadar çalışabilme özelliği

45 YÜKSEK DOĞRULUKLU ÖLÇÜM METODU PRT PRT nedir? PRT (Pulse Ranging Technology) Darbe Yansıma Süresi Teknolojisi, ölçüm mesafesini doğrudan ölçme yöntemidir. Sinyalin yansıma süresi doğrudan ölçülmektedir. Mesafe ölçümlerinde yüksek doğruluğa sahiptir.

46 Darbe yansıma süresi teknolojisinin çalışma prensibi *PRT ile gerçekleştirilen ölçümlerde, laser diyot kısa ışık palsleri gönderir ve bu palsler hedef nesneden yansıyarak, tekrar sensörün alıcı ünitesine geri gelir. *Tek bir palsin gücü, sürekli ışık veren mesafe sensörlerinin ışık gücünden 1000 katına kadar daha şiddetlidir. *Palsin gönderilip tekrar geri algılandığı süreç içerisinde geçen zaman kesin olarak ölçülmüştür.

47 *Nesneye olan kesin mesafe (s) ışık hızı (c) ve ölçülen değerler (tl) kullanılarak hesaplanır. *Modern sensörlerde bu prosedür her saniye yaklaşık 250,000 defaya kadar tekrarlanır.

48 Sinyalin yansıma süresi doğrudan ölçülmesi Güvenilir ve kesin ölçüm Kısa tepki süresi Ortam şartlarından ya da nesnenin algılama yapılan yüzeyinden bağımsız olarak yüksek tekrarlama hassasiyeti Kısa palsler ile elde edilebilen yüksek şiddete sahip sinyaller Çevresel etkilerden etkilenmeden güvenli ölçüm

49 Lazermetre nelerde kullanılır? Banyonuz için kaç metrekare fayansa ihtiyaç duyduğunuzu hesaplamak mı istiyorsunuz? Yatak odasını boyamak için ne kadar duvar boyasına ihtiyacınız var? Çatı katının genişletilmesinde tavanın yüksekliği ne kadar olabilir?

50 Leica DISTO D5 / D8

51 Yatay ve dikey mesafelerin dolaylı biçimde hesaplanabilmesi sadece iki ölçümle mümkündür. Sadece ikinci ölçümün hedef noktasına doğru açıda olması önemlidir. Bu durum minimum ölçümlerle çok daha kolaydır.

52 Tripod kullanarak yatay ve dikey mesafe ölçümü yapmak mümkündür. Leica DISTO, üç ölçümden sonra sizin için sonucu hesaplar. Minimum ve maksimum ölçüm özelliği size doğru ölçüm noktasını bulmanızda yardımcı olur.

53 Leica DISTO D +- 45, DISTO D8 360 eğim sensörüne sahiptir. Bu sayede cihazla baş üstü konumda dahi eğim ölçümü yapmak mümkündür. Özellikle çatı eğimlerinin belirlen- mesinde faydalı bir özellik.

54 Bu fonksiyonla uzak bir mesafeden çatı eğimini ölçebilirsiniz. Bu amaçla sadece iki mesafe ölçümü yapmanız yeterlidir Leica DISTO sizin için aynı anda eğimi hesaplayacaktır. Nihai sonuç otomatik olarak bu noktadan hesaplanır.

55 Bilinen bir referans noktasından cihaz yardımıyla farklı noktaların rakım ölçümleri yapılabilir. Ölçüm noktalarının tamamının bir yönde bulunduğu durum larda yatay mesafe ölçümü, yükseklik farkı ve rakım ölçümü gerçekleştirilebilir

56