IŞIK BİLGİSİ (OPTİK) İLE NASIL AÇIKLANIR?

Transkript

1 OLOGRAFİ IŞIK BİLGİSİ (OPTİK) İLE NASIL AÇIKLANIR? RIZA DEMİRBİLEK MEHMET HİKMET YÜKSELİCİ 2017

2 HOLOGRAFİ IŞIK BİLGİSİ (OPTİK) İLE NASIL AÇIKLANIR? RIZA DEMİRBİLEK Şimdiki adresi: LGS-Dieburg, Auf der Leer 11, Dieburg Almanya ( Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü Öğretim Üyesi) MEHMET HİKMET YÜKSELİCİ Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü Öğretim Üyesi holografi.yildiz.edu.tr KALKINMA BAKANLIĞI İSTANBUL KALKINMA AJANSI Hologram Araştırmaları ve Eğitimi Laboratuvarı projesi Proje No: TR10/15/YNK/0104

3 Bu kitap İstanbul Kalkınma Ajansı, 2015 yılı Yenilikçi İstanbul Mali Destek Programı kapsamında desteklenen ve Yıldız Teknik Üniversitesi Merkez Laboratuvarı bünyesinde gerçekleştirilen Hologram Araştırmaları ve Eğitimi Laboratuvarı" projesi dahilinde basılmıştır. Tüm yayın hakları kitabın yazarları Rıza Demirbilek ve Mehmet Hikmet Yükselici ye aittir ve yazarların yazılı imzalı rızası olmadan çoğaltılamaz. Proje No: TR10/15/YNK/0104 İstanbul Kalkınma Ajansı tarafından desteklenen Hologram Araştırmaları ve Eğitimi Laboratuvarı" Projesi kapsamında hazırlanan bu yayının içeriği İstanbul Kalkınma Ajansı ve Kalkınma Bakanlığı nın görüşlerini yansıtmamakta olup, içerik ile ilgili tek sorumluluk Yıldız Teknik Üniversitesi ne aittir.

4 İÇİNDEKİLER Önsöz,,,.vi BÖLÜM 1: HOLOGRAFİ NEDİR VE NE İLE İLGİLENİR İnsanın varlıkları görme algısı ve fotoğraf Fotoğraf ve holografik görüntü Holografinin temel fiziksel betimlemesi Kısa tarihçe Holografinin kullanım alanları Holografi kaydı ve görüntüleme bileşenleri Bazı teknik özellilkler Hacimsel holografi Özet...14 BÖLÜM 2: HOLOGRAFİNİN TEMEL FİZİĞİ VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Bir dalganın gözlenmesi ve genel olarak dalgalar Dalgaların betimlenmesi Elektromanyetik dalga olarak ışık; özellikleri ve taşıdığı enerji Biraz daha ışık Işık dalgalarının ahengi (uyumluluğu) Işık dalgalarının girişimi Işık dalgalarının kırınımı Holografik uygulama...31 BÖLÜM 3: LAZER VE LAZER IŞIĞININ ÖZELLİKLERİ Lazer ışığı elde etmenin temel düşüncesi Türlerine göre lazerler Lazerlerle çalışma ve lazer güvenliği...39 BÖLÜM 4: HOLOGRAFİK KAYIT VE GÖRÜNTÜLEME BİLEŞNELERİ

5 4.1.Işık kaynakları Optik elemanlar Mercekler ve aynalar Polarizörler ve dalga plakaları Demet Bölücüler (ayırıcılar) Işın genişleticiler Kayıt malzemeleri (hologram malzemeleri) Hologramların sınıflandırılması...49 BÖLÜM 5: HOLOGRAFİK KAYIT TÜRLERİ Holografik kayıt Holografik okuma Eş eksenli düzenekler Gabor hologramı Denisyuk hologramları Eş eksenli olmayan holografik kayıt Fourier hologramları Görüntü hologramları Master hologramları Bilgisayar aracılığı ile geliştirilen hologramlar...63 BÖLÜM 6: HOLOGRAFİNİN UYGULAMA ALANLARI...65 PROBLEMLER KAYNAKLAR DİZİN....70

6 ÖNSÖZ Hemen hemen hepimiz, gerek çeşitli çocuk filmlerinde, gerekse Yıldız Savaşları gibi pek çok filmde holografik görüntüleri görmüş, ilginç, hatta büyüleyici bulmuş ve bunların nasıl oluşturulduğunu merak etmişizdir. Şimdilerde yeni kuşaklar bunlara alışık olarak yetiştiği için belki eski kuşaklar kadar şaşırtıcı bulmamış ya da bulmuyordur. Ancak yine de sormadan edemediğimiz veya edemeyeceğimiz gerçeklik şudur: Bu görüntüler nasıl oluşuyorlar? Başka bir deyişle, bunları yapanlar bunu nasıl yapıyorlar? Önümüzdeki yıllarda holografik televizyonlar sayesinde belki futbol maçlarını bir masa üzerinde, stadın bir yüksek noktasından seyreder gibi üç boyutlu olarak seyreder futbolculara dokunur gibi hissedebiliriz. Benzer şekilde bir filmin sahnesinin içine girer gibi hissedebiliriz. Bu tür teknolojik gelişmelerin hepsi heyecan verici; değil mi? Cisimlerin üç-boyutlu sanal görüntülerinin elde edilmesi holografinin uygulamalarından yalnızca bir tanesidir. Işığın dalga-boyunu çok hassas olarak ölçebilen yüksek çözünürlüğe sahip holografik kırınım ağları gibi optik bileşenler ve yüksek güvenlik gerektiren durumlarda, kredi veya kimlik kartlarının üzerinde hologramların kullanılması diğer uygulama alanları arasında yer alır. Holografi nin teknolojik uygulama sahasının gittikçe genişlemesine rağmen Türkiye de bu konuda araştırmalar istenilen düzeyde değildir. İstanbul Kalkınma Ajansı (İSTKA) tarafından desteklenen ve Yıldız Teknik Üniversitesi Merkez Laboratuvarı bünyesinde gerçekleştirilen Hologram Araştırmaları ve Eğitimi Laboratuvarı projesi (Proje No: TR10/15/YNK/ ) kapsamında yazılan bu kitap ile holografinin ilkokuldan üniversiteye, 7 den 70 geniş bir kitleye tanıtılması düşüncesinden hareketle holografi ye ilgi duyan akademisyenlerin, öğretmenlerin, öğrencilerin, mühendislerin, farklı donanıma sahip kişilerin holografi ile ilgili bilmek istedikleri temel kavramların anlatılması amaçlanmıştır. 1 Başlangıç tarihi ve uzatmalar dahil bitiş tarihi olan projenin yürütücülüğü görevine tarihinden itibaren Hikmet Yükselici getirilmiştir.

7 Holografi yani bir cismin üç boyutlu görüntüsünün kaydedilmesi düşüncesi, Macar Dennis Gabor'un yılları arasında yaptığı çalışmalar ile ortaya konulmuştur ların başlarında laser'in geliştirilmesi ve 1964 de Nobel Ödülü alması sonrasında Dennis Gabor'un düşünceleri pratiktede uygulama olanağı bulmuş ve bunun sonucunda Dennis Gabor 1971 de Nobel Ödülü ile onurlandırılmıştır. Başta Rıza Demirbilek in Holografi ders notları olmak üzere yazarların çeşitli yıllarda vermiş olduğu Fotonik, Fizik 3, Optik derslerini ve Mehmet Hikmet Yükselici nin LiNbO3:Fe kristaline holografik veri depolama ile ilgili araştırmalarını temel alarak hazırlanan elinizdeki bu kitapta bir cismin üç boyutlu görüntüsünün nasıl kayıt edilebildiğini ve sonra bu görüntünün gözlemlendiğinde sanki cismin gerçeğine bakıyormuş algısı verecek şekilde üç boyutlu olarak nasıl tekrar oluşturulduğunu anlamamız için gerekli tüm optik bilgisi çok derinlere inmeden anlatılmıştır.

8 BÖLÜM 1: HOLOGRAFİ NEDİR VE NE İLE İLGİLENİR Holografi, nesnelerin görüntülerinin kaydedilmesi ve istenilen zaman ve yerde gerçeğe yakın üç boyutlu olarak tekrar oluşturulması yöntemi olarak adlandırılabilir. Holografik yöntemle kaydedilmiş görüntü bilgisi normal fotoğraftaki bilgiden daha fazlasını saklayabilir. Çünkü fotoğraflardakine ek olarak hologramlarda derinlik bilgisi de saklanmaktadır. Yunanca tam, bütün anlamını taşıyan holo ve yazma, çizme anlamını taşıyan grafi sözcüklerinin birleşiminden türetilmiş holografi, tam kayıt anlamına gelmektedir. Bir çalışma ve teknik uygulama dalı olarak holografi, bir cismin üç boyutlu görüntüsünün elde edilmesini sağlayacak şekilde kaydın yapılması ve istenilen yer ve zamanda bu görüntünün oluşturulması yöntem, süreç ve tekniğini kapsar. 1.1.İnsanın varlıkları görme algısı ve fotoğraf İnsanlar önceleri gördüklerinin, algıladıklarının tabi ki yapabilme yetenekleri çerçevesinde- şekillerini çizerek, daha sonra renkli maddeleri, günlük dille boyaları, kullanarak bu gördüklerini renkleriyle birlikte çizmeyi, yani algıladıklarının resmini yapmışlardır. Buna resim denir. Bunun yanında varlıkların üç boyutlu görüntülerini de ağaç veya taş işleyerek yapmışlardır. Buna da heykel denir. Günümüzde birer sanat dalı olarak bu tür çalışmalar devam etmektedir. Daha sonra bilimsel ve teknolojik gelişmeler ilerledikçe ışığın kimyasal etkisi olduğu keşfedildi. Bunun sonucu insanların algılamasından bağımsız teknik imkânlarla istenilen cisimlerin ve varlıkların görüntüleri kaydedilebildi. Buna fotoğraf denildi. Günümüzde teknik gelişmenin fotoğrafa dair gelişimini gayet iyi biliyoruz.

9 Şekil 1-1: Eğer insan bir nesneyi görmek isterse, söz konusu nesnenin görünür ışık ile aydınlatılmış olması gerekir. Bu durumda nesneden saçılan/yansıyan ışık bu nesne dalgası nı oluşturur. Böyle bir dalgada nesne ile ilgili bütün optik bilgi mevcuttur. Görme sürecinde bu nesne ışığı göz tarafından algılanır. Fotoğrafta ise nesne ışığı foto duyarlı plaka tarafından algılanır. Fotoğrafta görüntünün, insanın algıladığının tamamı var mıdır, yok mudur, ilk anda insanın aklına gelmeyebilir. Ancak bir fotoğrafa baktığımızda, insanın gördüğünün bir anlık dondurulmuş hali olduğu rahatça anlaşılabilir. Bu an hem zamansal hem de uzaysal sınırlamayı içermektedir (Şekil 1-1). Fotoğraf çekiminde teknik olarak yapılmakta olan, duyarlı bir foto plaka (film) üzerinde görüntüsü kaydedilmek istenen nesneden yansıyan ışığın şiddetine bağlı olarak siyahlaşma desenleri oluşturmaktır. Film tekrar aydınlatılarak yeni bir foto plakaya (fotoğraf kâğıdı) aktarıldığında fotoğraf elde edilmiş olur. Bu olay ile önceleri yalnızca siyah beyaz fotoğraflar kaydedilebilirdi. Benzer şekilde siyah beyaz sinema filmleri yapıldı. Daha sonra teknoloji geliştikçe bu işlemin farklı renklerle kombinasyonu da gerçekleştirildi ve renkli fotoğraflar kaydedilmeye başlandı. Günümüzde bu yöntemler son noktasına kadar geliştirilmiş ve günlük yaşamın rutin parçası olmuşlardır.

10 Optik detektörlerin geliştirilmesi ve küçük boyutlarda yapılabilir olması, elektronik ve bilgisayar gelişimi bu kayıtları günümüzde artık elektronik (dijital) olarak yapılabilmeyi sağlamıştır. Öyle ki eski haliyle fotoğraf nerdeyse tarihe karışmaktadır. Değinilen bu teknolojide kaydedilen görüntü, görüntüsü alınan cisimden (nesneden/ortamdan) yansıyan ışığın şiddeti ile yapılır. Başka bir deyişle fotoğraf plakasına varan ışığın şiddetinin ve renginin içerdiği bilgiler kaydedilebiliyor sadece. 1.2.Fotoğraf ve holografik görüntü Fotoğraf - Holografi ayrımı, süreçlerinde ışık dalgalarının taşıdığı bilgilerin kullanımında kendini gösterir. Siyah beyaz fotoğraflarda belirli bir frekans için sadece şiddetin taşıdığı bilgi kayıt edilebilmekte iken renkli fotoğraflarda şiddet ve frekansın (rengin) taşıdığı bilgi kaydedilebilmektedir. Ancak fotoğraf sürecinde, dalganın faz bilgisi kayıptır! Faz bilgisinin saklanabilmesi ile daha önce de vurgulandığı gibi, dalganın sahip olduğu tüm bilgilerin kaydedilebilmesi sağlanmış olacaktır. Görüntüsü elde edilmek istenen bir nesne bir ışık demeti ile aydınlatılır, söz konusu nesneden yansıyan ışık (Nesne dalgası) kendisi ile ahenkli olan bir referans ışığı ile (karşılaştırma dalgası) bir kayıt ortamında üst üste bindirilerek kayıt ortamında girişim deseni oluşturularak kaydedilir. Buna hologram denir (Şekil 1.2). Kayıt ortamında (hologramda) oluşan desen, nesneyi andıracak herhangi bir forma sahip değildir. Ancak bu hologram karşılaştırma dalgası ile aydınlatıldığında nesnenin görüntüsü elde edilir (Şekil 1.3). Bu görüntü gerçeğe yakın bir formda olur. Bu sürece h o l o g r a f i denmektedir.

11 Şekil 1-2: Holografik kayıt sürecinde bir nesne dalgası kendisi ile uyumlu (ahenkli) başka karşılaştırma dalgası (referans dalgası) ile üst üste bindirilir. Bununla, girişim desenleri oluşur: Nesne dalgası + Karşılaştırma dalgası. Şekil 1-3: Bir kayıt ortamına (örneğin fotoğraf filmi) kaydedilmiş girişim desenleri karşılaştırma dalgası ile aydınlatılırsa dikkate alınmış nesne görüntüsünden farkı olmayan derinlik bilgisi de içeren bir görüntü elde edilir.

12 1.3.Holografinin temel fiziksel betimlemesi Önceki kesimlerde anlatılanlar matematiksel olarak kısaca şöyle betimlenebilir: Karşılaştırma dalgasını K ile, nesneden gelen dalga N ile gösterilmiş olsun. Hologram ortamında üst üste binen karşılaştırma ve nesne dalgalarının (Şekil 1.4) girişim deseni şöyle olur: I K N 2 K 2 N 2 * K N KN * Şekil 1-4: Hologram kaydı Kayıt, girişim deseninin bir film üzerine veya başka bir uygun ortamda sabitlenmesi ile sağlanır. Bu durumda söz konusu kayıt ortamının, örneğin filmin, geçirgenliği düşen ışığa bağlı olarak girişim desenlerini temsil eder hale gelir. Hologramdaki bu desen yapısı g ile gösterilirse, şu bağıntı ile ifade edilir: g a b K N 2

13 Hologramda oluşan desen, nesneyi andıracak herhangi bir düzenli biçime sahip değildir; olmak zorunda da değildir. Girişim desenleri, karşılaştırma ve nesne dalgalarının dalga cephesi formuna ve üst üste biniş yönelimi, dolayısıyla açısına, bağlı olarak çeşitli desen aralıklı ve formda desenler oluşturur. Hologramda oluşan desen biçimleri kaydedilmiş nesneler hakkında herhangi bir biçim benzerliği taşımamaktadırlar. Ancak hologramların karşılaştırma dalgası ile aydınlatılmasıyla ilgili nesnelerin ne olduğu anlaşılabilir. Hologram filminin karşılaştırma dalgası, K ile aydınlatılması sonrasında filmin gerisinde oluşacak şiddet dağılımı şöyle olur: K g K[ a b( K 2 N 2 * * K N KN )] Burada beş bileşen mevcuttur: a K b K K 2 b K N 2 b K K * N b K KN Bunlardan ilk üçü sabit bir şiddet dağılımını temsil ederler. Beşinci terim de konjuge bir nesne dalgasını temsil ederken dördüncü terim, * * b K K N ( b K K ) N, gerçek bir nesne dalgası, temsil etmektedir. Bu terimde, parantez içindeki çarpanlar reel bir çarpanı oluştururlar ve böylece nesne dalgası bir reel çarpanla ortaya çıkar. Buda görüntüsü kaydedilmiş nesneyi olduğu gibi temsil eder. Bu ışık demetine bakmak ile nesneye doğrudan bakmak arasında fark yoktur (Şekil 1.5). Buradaki negatiflik nesneyi temsil eden görüntünün hologramın kayıt sırasındaki durumunun arka tarafından oluştuğunu gösterir. Eğer karşılaştırma dalgası ışığı tersinden holograma düşürülürse görüntü tamamıyla nesnenin olduğu konumda (holograma göre aynı mesafe be açıda) oluşur (Şekil 1.6). Temel prensibi bu şekilde olan holografik kayıtlardan üç boyutlu görüntü elde edilir. Tıpkı başınızı biraz eğdiğinizde karşınızda duran bir cismin arkasında duran başka bir cismi görebileceğiniz gibi bir holograma baktığınızda da karşınızdaki cismin arkasındaki cisimleri başınızı eğerek baktığınızda görebilirsiniz. Örneğin; şöyle bir hologram kaydı sahnesini göz önünde canlandırınız.

14 Şekil 1-5: Kaydedilmiş bir hologramdan görüntü oluşturma Görüntüsünü kaydetmek istediğiniz yerde bir ağaç olsun ve onun arkasında da bir kedi bulunsun. Ağaca cepheden baktığımızda kediyi göremeyiz. Ancak başımızı biraz sağa veya sola eğerek baktığımızda kedinin ağacın arkasında olduğunu görebiliriz. Bu ortamın holografik kaydı yukarıda anlatıldığı gibi bir karşılaştırma dalgası yardımı yapılsın. Bu arada karşılaştırma dalgası dışında her şey tıpkı karşıdan fotoğraf çekimi olacak şekilde olsun. Bu şekilde elde edilen holograma doğrudan bakıldığında fotoğraftaki gibi bir görüntü algılarken, başımızı sağa sola eğerek doğrudan baktığınızda ağacın arkasında bir kedi olduğunu görebiliriz. Bu durum fotoğrafta mümkün değildir. Holografik kaydın diğer bir özelliği de şudur: Bir fotoğrafın bir kısmı yırtılma veya bozulma sonucu yok olması fotoğraftaki o bilginin yok olması demektir. Ancak hologramın bir tarafı kırılsa da görüntünün tamamı yine ordadır. Yalnızca görüntüde netlik biraz azalacaktır.

15 Şekil 1-6: Kaydedilmiş bir hologramdan ters yönde karşılaştırma dalgası göndererek görüntü oluşturma 1.4.Kısa tarihçe Holografinin gelişimine dek özelde optik alanında genel olarak fizikte önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Holografinin temeli olan girişimin anlaşılması ve uygulamalarının yaygınlaşması önemli gelişmelerdendir. Bunun için öncelikle ışığın dalga olduğunun ispatlanabilmesi ve buna bağlı teorilerin ve uygulamaların gelişmiş yaygınlaşmış olması gerekmiştir. 19. yy. sonlarında ve 20 yy. başlarında ışığın girişimi pek çok temel düşüncenin ispatlanmasında önemli bir araç olarak kullanılmıştır. Meşhur Michelson-Morley deneyi buna önemli bir örnektir. Daha sonra modern fiziğin temellendirilmesinde madde dalgaları araştırmaları ve x-ışınları kırınımı bu konuyla yakından ilgili çalışmalardır. Çizelge 1-1 de holografinin tarihsel gelişimi verilmiştir. İkinci dünya savaşı dönemi ve sonrasında bir yandan elektron mikroskobu görüntülerinin

16 iyileştirilmesi (Denis Gabor) diğer yandan -biraz da gizli olarak- radar görüntülerinin geliştirilmesi (Leith ve Upatnieks) çalışmaları çerçevesinde gerçekçi görüntüleme için dalganın fazının da bir çeşit kullanılması düşüncesi netlik kazanmış ve Denis Gabor tarafından holografik kayıt gerçekleştirilmiştir. O dönemde kayıt için önemli olan uzun ahenk (koherent) mesafesine sahip ışık kaynakları mevcut olmadıkları için bu düşünce pek fazla etki yapmamıştır. Çizelge 1-1: Optik alanındaki gelişmeler sonucu holografinin ortaya çıkışının kronolojisi Christiaan Huygens ( ) Thomas Young ( ) Dalga optiğinin temel bilgileri J. Fresnel ( ) J. von Fraunhofer ( ) G. Kirchhoff ( ) Lord Rayleigh ( ) E. Abbe ( ) G. Lippmann ( ) Holografinin keşfine hayli yakın olan çalışmalar W. L. Bragg ( ) M. Wolfke H. Boersch Holografinin keşfi Holografi kelimesinin ortaya D. Gabor ( ) atılışı. Eş-eksenli Holografi E. N. Leith Işın dışı holografinin geliştirilmesi Lazer J. Upatnieks kullanımı Ancak eksen içi (inline) türünden çalışmalar sınırlı olarak yapılmıştır. Denis Gabor un kullandığı spektral ark lambalarının ahenk uzunluğu 1 mm civarındadır. Ancak paralel olarak radar projesinde çalışan Leith ve Upatnieks 1960 lazerin ortaya çıkması sonrasında 1962 yılında eksen dışı hologram kaydı yaparak bu konuya önemli bir ivme kazandırmışlardır.

17 1.5.Holografinin kullanım alanları Holografi günümüzde pek çok alanda kullanılmaktadır. En yaygın kullanım alanı güvenliktir. Kaydın hangi koşulda yapıldığı bilinmediği için bütün bilgilerin elde edilmesi zorlaşmaktadır. Bilgi saklama, holografik televizyon, sanatsal yapıtların kaydı ve gösterimi, tıp, teknik analiz, askeri amaçlar gibi pek çok alanı vardır. 1.6.Holografi kaydı ve görüntüleme bileşenleri Holografik kayıt ve görüntüleme sürecinde önemli bileşenler şöyle listelenebilir: Işık kaynağı: Özellikle holografi kaydı için ahenkli ışık kaynağına gerek vardır. Bu özelliği ile en önemli ışık kaynağı lazer ışık kaynaklarıdır. Lazersiz holografi pratikte düşünülemez. Optik elemanlar: (1) Demet ayırıcılar: Karşılaştırma ışığı ile nesne ışığının ahenkliğinin sağlanması ancak aynı kaynaktan çıkan ışığın iki ayrı ışın demetine ayrılması ile olur. Bunun için demet ayırıcılara gerek vardır. (2) Işın genişleticiler: nesneleri, özellikle boyutları büyük olan nesneleri aydınlatabilmek için dar ve güçlü olan lazer ışınlarını genişletmek gerekmektedir. (3) Aynalar ve mercekler: ışığın yönlendirilmesi ve gerektiğinde odaklanması veya dağıtılması için gerekli olan optik elemanlardır. (4) Işık yolu açıcı ve kapatıcıları (Shutter): istenen ışık demetinin istendiği zaman serbest bırakılması veya engellenmesi için ihtiyaca göre gerekli olabilecek elemanlardır.

18 Kayıt ya da hologram malzemeleri: Kayıt malzemeleri ya da diğer adı ile hologram malzemeleri, kayıt için önemli malzemelerdir. Özelliklerine ve kullanım alanlarına göre çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Kayıtta oluşan çok küçük boyutta girişim desenlerinin kaydı için özel hazırlanması gereken malzemelerdir. Bunlardan bazıları şunlardır: Gümüş-Halogen Emulsiyonlar, Işığın polimerleşmeye etkiyebildiği polimerler, Thermoplastikler, Foto adreslenebilen polimerler, Fotokırıcı kristaller, vd.. Titreşimsiz kayıt masası ve mekânları: Holografik kayıtta hologram üzerinde çok hassas girişim desenleri oluşur. Bundan dolayı holografik kaydın yapıldığı ortamların titreşimsiz olması gerekir. Bunun için optik masalar, hava akımlarının çok olmadığı mümkün olduğunca sakin ortamların seçilmesi gerekir. 1.7.Bazı teknik özellikler Çözünürlüğü iyi olan bir hologram yapmak için filmin üzerine santimetre kare başına 5 mikro Joule lük cisimden yansıyan bir enerji depolanmalıdır. Lazerin gücü cismin büyüklüğüne ve uzaklığına bağlıdır. Titreşimden doğabilecek etkileri önlemek için, holografik filmin ışınlanma süresini mümkün olduğu kadar az tutmak iyidir. Diyelim ki bir cismin 30 cm lik bir yarıçap içinde çevreleyen bir film ile görülebilecek şekilde filmi ışınlamak istiyoruz, filmin içinde bulunduğu kürenin alanı yaklaşık cm 2 dir, santimetre kare başına yüzde 10 luk bir verimle 5 mikro Joule lük bir enerji almak için santimetre kare başına 50 mikro Joule gereksinim vardır, bu ise 1 Joule lük bir enerji yada saniyede 1 Watt demektir. Profesyoneller genellikle iyi bir hologram yapmak için 5 Watt lık bir Argon İyon lazeri kullanır. Büyük cisimlerin sanal hologramlarını yapmak için kullanılan en iyi teknik bir dizi farklı açılardan cismin birçok görüntüsünü almak ve daha sonra holografik filmi döndürerek fotoğrafların holografisini tek tek elde etmektir.

19 1.8.Hacimsel holografi Şiddetli ışığın etkisinde kaldığında LiNbO3 kristalinin kırılma indisinde bir değişmenin olduğu ilk olarak 1966 da Ashkin ve çalışma arkadaşlarınca gözlemlenmiştir. İlk ortaya çıktığında optik hasar olarak adlandırılan bu olay bugün fotokırılma etkisi olarak bilinmektedir de Chen ve çalışma arkadaşları, kırılma indisindeki bu değişmenin lithium niobate gibi, fotokırılma etkisi gösteren kristallerde holografik bilgi depolamak için kullanılabileceğini göstermişlerdir. Ancak, silici okuma, yani, depolanan bilginin okuma işlemi sırasında silinmesi, teknolojik uygulamalar için çok önemli bir sorun oluşturmaktadır. Bu soruna Isısal Sabitleme adı verilen bir çözüm, yüksek sıcaklıklarda (>100 o C) kristal içindeki protonların hareket edebildiklerini gösteren Amodoei ve Staebler tarafından geliştirilmiştir. Günümüzde, holografik bilgi depolanması işleminde ısısal sabitlemenin geçerli yöntemlerden en önemlisi olduğu kabul edilmektedir. Bilgilerin silinmeden saklanabilmesinin ancak yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilen ısısal sabitle işlemi ile mümkün olduğu göz önüne alındığında, görünür bölgede kayıt için soğurma kuşağının sıcaklıkla evriminin bilinmesinin çok önemli olduğu anlaşılmaktadır. Fotokırıcı bir kristalde veri katkısız kristalde yasak enerji kuşağında yer alan iç kusur düzeylerine ve katkılı kristalde ise demir gibi katkı enerji düzeylerine kaydedilir. Demir katkılı bir LiNbO3 kristalinde Fe 2+ soğurma kuşağının tepe enerjisinin artan sıcaklıkla dug/dt= ev/ o C bağıntısına göre kırmızıya kaydığı belirlenmiştir. 2,3 Kaydetme işlemi, gücü 35 mw olan nm de He-Ne lazeri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Cisim ve referans ışını kullanılarak 5 ve 10 dakika 2 Yukselici, M., Allahverdi, C., & Tunc, A. (2004). Temperature shift of the Fe 2+ absorption band in LiNbO 3 : Fe crystal. PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC RESEARCH, 241(13),

20 süreler için H harfinin görüntüsü kaydedilmiştir. Okuma işleminde cisim ışını kesilerek, yalnız referans ışını kullanılarak görüntü CCD kameraya aktarılmıştır. Okuma işleminde kullanılan referans ışığın şiddeti Optik Yoğunluk (OD) 3 Süzgeci ile (OD=4), 1000 (OD=3) ve 100 (OD=2) kat azaltılarak farklı şiddetlerde okunan görüntünün okuma zamanı ile silinmesi incelenmiştir. Buna göre Şekil 1-7: Holografik kayıt deney düzeneği Şekil 1-8: Holografik kayıt deney düzeneği şematik olarak gösterilmiştir. Kayıt edilen H harfinin görüntüsü daha sonra yalnız referans ışını kullanarak okunmuş ve bir CCD fotoğraf makinesine aktarılmıştır. Resim üzerinde görülen İSTKA, YTÜ ve HOLOGRAFİ daha sonra bilgisayar ortamında eklenmiştir. Holografik kayıt değildir. 3 Optik Yoğunluk (OD) logaritmik bir ölçek olup bir optik ortamı geçen ışığın şiddetindeki azalmayı ifade eden birimsiz bir fiziksel büyüklüktür.

21 tüm numuneler için, düşük OD (yüksek ışık şiddeti) süzgeci ile okunan görüntüler hızlı silinmiş ve uzun kayıt süresi görüntü silinme zaman süresini uzatmıştır. 1.9.Özet Bir cisim bir ışık kaynağı ile aydınlatıldığında cisimden yansıyan ışık bir mercek yardımı ile toplanarak fotoğraf filmi üzerine düşürülür. Fotoğraf filmi derinlik bilgisi taşımaz ve bu nedenle cismin görüntüsü gerçekte görüldüğü gibi canlı değildir. Işık iki bilgi taşır birincisi şiddet ile ilişkili genlik, diğeri ise cismin yüzeyinden farklı noktalarından yansıyan iki ışık arasında kat ettikleri yol farkından kaynaklanan bir faz farkıdır. Bunlardan ilki fotoğraf filmi üzerine kaydedilebilir. Ancak holografi her iki bilginin de kayıt malzemesi olarak adlandırabileceğimiz holografik film üzerine veya Lityum Niyobat (LN) gibi bir fotokırıcı kristalin içine kaydedilmesini sağlayan bir tekniktir. Lazer kullanarak cismin yüzeyi aydınlatılıp yansıyan ışık (nesneden gelen ışık) holografik film üzerine veya kristalin içine düştüğü anda kayıt malzemesi bir lazer (referans ışığı) ile de aydınlatılarak hem faz ve hem de şiddet bilgisi hologram üzerine bir girişim deseni olarak kaydedilir. Böylece derinlik bilgisi de kaydedilmiş olur.

22 BÖLÜM 2: HOLOGRAFİNİN TEMEL FİZİĞİ VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Önceki bölüm ele aldığımız bir hologram üzerine holografik kayıt yapılması ve daha sonra kaydedilen görüntünün üç boyutlu olarak tekrar oluşturulması fizik biliminin alt dalı olan optik bilgisi ile açıklanabilir. Geleneksel fotoğrafçılıkta iki boyutlu kayıt için cisimden yansıyan ışığın fotoğraf filmi üzerine düşürülmesi yeterli olurken holografik kayıtda cisimden yansıyan cisim ışığının yanında birde referans ışığı gereklidir. Ayrıca referans ışığı ve cisim ışığı arasında uyumluluk olması gerekir. Aksi takdirde iki ışık holografik film üzerinde girişim yapamaz. Işık aynı ses dalgaları gibi kırınıma uğrayarak klasik olarak karanlık olan bölgelere doğru kırınıma uğrayarak bükülebilir. Mercekler vasıtası ile lazer ışığı genişletilerek hologramını kayıt edeceğimiz cismin boyutlarına göre ayarlanabilir. Holografi nin anlaşılabilmesi aynı zamanda bir dalga olan ışık ile ilgili kırınım ve girişim olaylarının ele alınması gerekir. Yukarıda anılan uyumluluk un anlaşılması gerekir. Holografik kayıtda mercekler, aynalar, demet bölücüler in önemi çok fazladır. Tüm bunlar anlaşıldıktan sonra holografi de anlaşılmış olacaktır Bir dalganın gözlenmesi ve genel olarak dalgalar Hepimiz durgun suya taş attığımızda taşın, suya düştüğü nokta suda oluşan sarsıntının kaynağı olmak üzere, bu nokta etrafında kıyaya doğru ilerleyen halkalar oluştuğunu biliriz. Bu halkaların merkezine biraz dikkatli baktığımızda suyun taş atılmadan önceki yüzeyinden daha yüksekte ve komşu halkalarda ise daha alçakta olduklarını ve bu yapının kendini tekrar ettiğini görürüz. Bu halkalar su üzerinde duran bir yaprağa ulaştığında ve onu geçtiğinde λ Şekil 2-1: Dalga boyunu anlamak için su dalgalarından yararlanılmıştır.

23 yaprağın aşağı yukarı hareket ettiğini ama ilerlemediğini gözlemlerimize göre söyleyebiliriz. Suda oluşan sarsıntı su sayesinde taşınmış ve yaprağı sarmıştır ama suyun taşınması olmamıştır. Bir noktada oluşan sarsıntı komşu bölgeleri sarsmış ve komşu bölgelerde ona komşu diğer bölgeleri sarsmış bu zincirleme olarak devam etmiştir. Bu periyodik olarak kendini tekrarlayan sarsıntıya ilerleyen dalga adı verilir. Burada dalganın içinde ilerlediği ortam sudur. Su yüzeyinde bir noktayı bir saniyede geçen halkaların sayısı bize dalganın sıklığını (frekansını) f yi ve Şekil 2-1 de görüldüğü gibi ardışık özdeş iki nokta arası uzaklık ise dalganın dalga-boyu λ yı (Lambda) verir. Su dalgaları gibi ancak bir ortamda ilerleyebilen; ip veya tel üzerinde ilerleyen dalgalar, ses ve deprem dalgaları gibi dalgaların hepsi mekanik dalgalar adını alır ve ilerlemeleri için bir ortam gerekir. Dalgaları genel olarak ikiye ayırabiliriz: mekanik dalgalar ve elektromanyetik dalgalar. İster mekanik olsun ister elektromanyetik dalgalar olsun, hepsi ortak özelliklere sahiptir. Frekans ve dalga-boyu, dalgaların ayırt edici özellikleri arasındadır. Dalgaların önemli özellikleri arasında iki dalganın girişim yaparak birbirlerini güçlendirmesi veya zayıflatması ve dalgaların bir engel ile karşılaştıklarında kırınıma uğrayarak engelin arkasına geçebilmeleridir. 2.2.Dalgaların betimlenmesi Titreşimlerin (bir uyarının veya bir sarsıntının) uzay içinde zamanla ilerlemesine dalga denir. Matematiksel olarak bir dalga, hem zamanın hem de konumun bir fonksiyonudur ve matematiksel olarak genelde şu bağıntı ile ifade edilir: u Asin( kx t ) (2. 1) Burada parantez içindeki ifadeye faz denir. k dalga vektörünü, açısal frekansını ve başlangıç fazını belirtmektedir. A ise titreşim genliğinin büyüklüğüdür. Şeki 2-2 bir

24 dalganın bir anlık konumsal dağılımını ve bir noktadaki zamansal değişimini göstermektedir. Konumsal dağılım grafiğindeki iki tepe, genliklerin maksimum olduğu iki nokta arasındaki mesafe dalganın dalga boyunu verir. Dalga boyu (lambda) ile gösterilir. Benzer şekilde dalgayı oluşturan titreşimin bir noktadaki, eşdeğer olarak, dalgayı Şekil 2-2: Dalga fonksiyonunun konumla (t=sabit) ve dalga fonksiyonunun zamanla (x=sabit) değişimi: genlik, dalgaboyu ve periyod un tanımı. oluşturan ortamın bir noktasının zamanla yer değiştirmesinin en büyük olduğu iki zamansal nokta arasındaki süreye de periyod denir ve T ile gösterilir. Bir dalganın hızı, bir periyod süresince alınan yol olarak düşünülünce, dalga boyunun periyoduna oranıdır: v = λ T [m ] (2. 2) s Bir dalganın ilerleme yönünde aynı fazlı titreşim noktalarının oluşturduğu düzleme dalga cephesi denir. Küresel bir dalganın dalga cephesi küre yüzeyi formunda iken, düzlem dalganın dalga cephesi ilerleme yönüne dik düzlemler yapısındadır. Ardışık iki dalga cephesi arası bir dalga boyu kadardır. 2.3.Elektromanyetik dalga olarak ışık; özellikleri ve taşıdığı enerji Işık, birbirine dik olarak titreşen elektrik ve manyetik alandan oluşan harmonik bir elektromanyetik dalgadır. Harmonik dalga hızı ve frekansı zamanla değişmeyen, bundan ötürü de eşitlik 2-1 ile ifade edilen dalgalardır. Bir elektromanyetik dalgada,

25 elektrik ve manyetik alanlar birbirlerine dik olarak titreşerek bu titreşimlerin oluşturduğu düzleme dik yönde ilerlerler (Şekil 2.2). Şekil 2-3: Bir Elektromanyetik Dalganın konumsal grafiği Işığın elektromanyetik dalga olduğu Maxwell teorisi ile ortaya çıkmış, daha sonraki araştırmalarda teyit edilmiştir. Maxwell denklemleri şunlardır: Gauss yasası: E = ρ ε o (2.3) B = 0 (2.4) Ampere_Maxwell denklemi: B = μ o j + μ o ε o E Faraday yasası: E = B t t (2.5) (2.6) Burada E ve B sırasıyla elektrik alan ve manyetik alan, ρ ve j sırasıyla yük yoğunluğu ve akım yoğunluk vektörü, o ve ε o sabitlerdir. Boş uzayda ρ ve j=0 olduğunu göz önüne alıp ve ( E ) = ( E ) 2 E özdeşliğini kullanarak, dalga denklemini elde ederiz: 2 E 1 c 2 2 E t 2 = 0 (2.7)

26 Benzer bir ifade manyetik alan için de yazılabilir. Bu ifadede ışığın hızı c = 1 ε o μ o ile verilir. Dalga denklemini sağlayan herhangi bir fonksiyon dalgayı temsil edebilir. Örneğin z ekseni boyunca ilerleyen bir elektromanyetik dalga için ışığın sahip olduğu elektrik alanı: E(r, t) = E 0 sin(k r wt + φ) (2.8) ile ifade edilir. Burada E ışığın elektrik alanının büyüklüğünü ve titreşim yönünü belirtir. E0 titreşim genliğini k ışık dalgasının ilerleme yönünün vektörünü w titreşim açısal frekansını ve faz farkını göstermektedir. Üstel fonksiyon olarak bunu şu şekilde de yazabiliriz. Bazı işlemlerle bu yazma biçimi daha elverişlidir: E0 e i(kx-wt) Aynı şekilde Manyetik alan; B(r, t) = B 0 sin(k r wt + φ) (2.9) i(kx wt) şeklinde ifade edilir. Bu da yine üstel olarak şu şekilde yazılabilir. B0 e Burada B ışık dalgasının manyetik alanının büyüklüğünü ve titreşim yönü göstermektedir. Bir elektromanyetik dalga enine dalga türündedir. Bu, yukarıda da değinildiği gibi, alanların (E, B ) titreşimlerinin dalganın ilerleme yönüne dik olduğu demektir. Bunlar aynı zamanda birbirine de diktirler! Titreşim periyodları süresinde kat ettikleri yola dalgaboyu adı verilir. Bir elektromanyetik dalga enerji taşır. Bu dalgalar ışık hızı c = yayıldıklarına göre taşıdıkları enerji ışık hızıyla aktarılıyor demektir. Bu enerjinin aktarılması dalganın gücü ile dolayısıyla dalganın şiddetiyle ilintilidir. Genel olarak bir dalganın şiddeti şöyle tanımlanmaktadır: Dalganın şiddeti = Birim zamanda birim alana düşen ortalama enerji = enerji yoğunluğu hız 1 εμ ile

27 = I = (w E + w B ) v = ( 1 2 ε 0E μ 0 B 2 ) υ (2.10) Burada we elektrik alan tarafından taşınan enerji yoğunluğunu, wb manyetik alan tarafından taşınan enerji yoğunluğunu, dalganın hızını (ışık hızı için c), 0 boş uzayın dielektrik sabitini, 0 boş uzayın manyetik geçirgenlik sabitini vermektedir. Ortamlar içinde ve ortamın göreli epsilon ve µ0 değerlerine bağlı olarak değişir. = r 0. ve = r µ0 1 9 F Elektriksel geçirgenlik; dielektrik katsayısı: ( ) 10 [ ] 0 36 m 7 H Manyetik geçirgenlik: mıknatıslık katsayısı: 4 10 [ ] 0 m Elektromanyetik dalgada elektrik ve manyetik alanlar birbirine ve ilerleme yönüne dik olduklarından aralarında E = c B ilişkisi vardır (c 0 = alındığında, bir ışık dalgasının şiddeti, 1 ε 0 μ 0 ). Bu ilişki dikkate I = ( 1 2 ε 0E μ 0 B 2 ) c = ( 1 2 ε 0E ε 0E 2 ) c = ( cε 0 E 2 ) = B2 μ 0 c = E B μ 0 = S (2.11) O halde, bir dalganın ölçülebilen şiddeti, elektrik ve manyetik alanların büyüklüğüne bağlıdır. Burada E B μ 0 = s Poynting vektörüdür; elektromanyetik gücün akısıdır. Bir elektromanyetik dalgasının (ışık) sahip olduğu diğer bir özelliği (taşıdığı bilgi) frekansıdır. Bir elektromanyetik dalganın elektrik ve manyetik alanları belirli bir frekansla sürekli titreşirler. Bu titreşimlerin frekansları geniş bir spektrum oluşturur. Elektromanyetik dalgalar, sahip oldukları frekans değerlerine göre gruplandırılıp adlandırılırlar. Görünür bölgeye denk gelen frekanslar Hz mertebesindedir ve ışık adını alır. İnsan gözü yaklaşık olarak Hz Hz frekans aralığını algılar. Bu, yaklaşık olarak 400 nm 700 nm dalga boylarına denk düşmektedir. Bu aralık da

28 kendi içinde farklı renklerle adlandırılan bölgelere ayrılır. O halde, bir elektromanyetik dalganın (ışığın) frekansı, renk bilgisini taşımaktadır. Elektromanyetik dalganın sahip olduğu üçüncü bilgi faz bilgisidir. Faz bilgisi ise ancak bir dalganın, dalga boyu kadarlık konumsal sınırları veya periyodu kadarlık zamansal sınırlar içerisindeki belirli bir konumun veya zamanın bir başka dalganın aynı konumu veya zamanı ile karşılaştırması ile anlamlı olur. Şekil 2-4: Elektromanyetik spektrum (Tayf dağılımı) Eğer iki dalganın titreşimleri, periyodları süresi içinde genliklerinin maksimum ve minimumları aynı konuma denk geliyorsa, ya da eşdeğer durum olan; titreşimleri dalga boyu mesafesi içinde genliklerinin maksimum veya minimumları aynı zamana denk geliyorsa, bu dalgaların fazları aynıdır denir. Öte yandan, bir elektromanyetik dalga peş peşe foton salımı şeklinde de ele alınabilir. Bir tek foton ya da bir foton grubundan oluşan ışık salımı atma (puls) olarak adlandırılır. Fotonlar da maddede elektronların uyarılmaları sonucu ortaya çıktıkları için normal durumda hepsi aynı anda ve konumda foton salmadıklarından bir elektromanyetik

29 dalganın fazı zamanla değişir. Bu özelliğe, genelde doğada var olan ışık kaynakları, insanoğlu tarafından üretilen (lazer hariç) bütün ışık kaynakları sahiptirler. Böyle değişimin olmadığı zamana ahenk (koherans) süresi, ilgili mesafeye de ahenk mesafesi denir. Lazer, ahenkli ışık dalgaları yayabilmesi ile yukarıda değinilen ışık kaynaklarından farklı ve bir yapay ışık kaynağıdır. Lazerin geliştirilmesi bilim ve teknolojide büyük ilerlemelere neden olmuştur. Sonuç olarak, bir ışık dalgasının sahip olduğu (taşıdığı) faz bilgisi, ahenkli ışık dalgaları ile gözlemlenebilir hale getirilir. Ahenkli olmayan dalgaların fazlarının karşılaştırılması istatistiki olduğundan pratikte ölçülebilir bir görünürlük (kontrast) vermez. Özetlersek; bir EM dalganın taşıdığı bilgiler şunlardır: 1. Şiddet : Dalganın şiddeti genliğin karesi ile orantılıdır: I E 2 2. Frekans: Dalganın sahip olduğu titreşim frekansıdır. 3. Faz: Faz ise zaman veya konuma göre dalga genliğinin karşılaştırılmasının belirlemesini sağlayan ifadedir. Bunlara ek olarak şu noktaların da bilinçte tutulması gerekmektedir. Dalga cepheleri ortam ve diğer dış etkenlerden kaynaklanan faz kaymaları sonucu bozulabilir. Nokta kaynaktan çıkan dalgalar küresel dalga formunda iken, kaynaktan çok uzakta yeterince küçük bir alanda düzlem dalga olarak ele alınabilir. Başka bir deyişle, uzakta bulunan bir ışık kaynağından gelen ışık, düzlem dalga olarak ele alınır. 2.4.Biraz daha ışık Dalgaların önemli özellikleri arasında iki dalganın girişim yaparak birbirlerini güçlendirmesi veya zayıflatması ve dalgaların bir engel ile karşılaştıklarında kırınıma uğrayarak engelin arkasına geçebilmeleri olduğunu önceki kesimlerde belirtmiştik.

30 Holografi, hologramı alınacak cisimden yansıyan bir dalga ile aynı kaynaktan çıkan diğer bir dalganın hologram üzerinde girişim yapması ile oluşturulur. Işığın dalga boyu (λ) optik bileşenlerin örneğin çapı D olan bir merceğin büyüklüğünden (çapı) çok daha küçük ise yani λ<<d ise geometrik optiğin veya ışın optiğinin önermelerini kullanarak ışık ile ilgili olayları açıklayabiliriz. Fermat ilkesi ışın optiği için yeterlidir. Fermat ilkesi ışığın bir A noktasında bir diğer B noktasına ilerlerken bu iki nokta arasındaki en kısa yolu değil en kısa sürede kat edeceği yolu izler. Yansıma ve kırılma yani Snell yasaları Fermat ilkesi ile açıklanabilir. Öte yandan eğer λ D ise kırınım ve girişim olayları gözlemlenir ve bunları ışın optiği ile açıklayamayız. Işığın dalga özelliği ortaya konulmadan önce ışığın foton adı verilen kütlesiz parçacıkların akışı olduğu tezi geçerli idi. Işığın dalga karekteri olabileceğini ileri sürenlere karşı eğer böyle olmuş olsa bir madeni paranın arkasında paranın ekseni üzerinde bulunan noktasal bir ışık kaynağı ile aydınlatıldığında paranın diğer tarafında eksen üzerinde karanlık bölgede bir parlak spotun oluşacağını ve bunun olamayacağını söylemişti. Poisson un dalga özelliğini çürütmek için ileri sürdüğü deneyi Fresnel gerçekleştirmiş ve bir heyet önünde parlak spotu göstermiştir. Bu spot Poisson parlak spotu olarak anılmaktadır. Işığın dalga kuramının öncülerinden Huygens ışığın nasıl bir engelden kırınıma uğradığını ve nasıl ilerlediğini açıklamıştır. Eğer ışığın dalga boyu söz konusu optik bileşenlerle karşılaştırıldığında çok küçük ise ışığın özelliklerini ışın optiği veya geometrik optik ile açıklayabiliriz. Şekil 2.6 de yakınsak, ıraksak ve ne yakınsak nede ıraksak olmayan ışık gösterilmiştir. Ampülden çıkan ışık tüm yönlere ıraksar. Önüne yeterince yakınsak bir mercek yerleştirildiğinde ışığın bir noktaya yakınsaması sağlanabilir. Bir lazerden çıkan ışık hemen hemen doğrusal ilerler. Bu nedenle sıfır yakınsamaya sahip demet dir. Bir mercekte oluşturulan görüntü yakınsama denklemi ile bulunabilir: V + P = V

31 Bu denklemde V=1/d: giriş yakınsaması; d: söz konusu ışığın ne kadar uzaktan yakınsadığı bilgisini içerir, P=1/f: merceğin gücü; f: merceğin odak uzaklığı ve V ' =1/d ' : çıkış yakınsaması; d ' : ne kadar uzaktan o noktaya yakınsadığı bilgisini içerir. Yukarıdaki bağıntı yakın eksenel yani optik eksene yakın veya optik eksenle küçük açı yapacak şekilde ilerleyen ışık için geçerlidir. 2.5.Işık dalgalarının ahengi (uyumluluğu) Bir ışık demeti çok sayıda elektromanyetik kip (mod) ve dalgadan oluşur. Bunlar genelde ahenkli değiller. Ahenkli olmak, aralarında sabit bir faz ilişkisinin olması anlamına gelmektedir. Başlangıçta, yani ışık kaynağından çıkmaya başlaması anından Şekil 2-5: Bir ampülden çıkan ışık tüm yönlere dağılır ve ışık şiddeti ampülen uzaklaştıkça azalır Şekil 2-6: Iraksama (üst), Iraksak ışığı bir mercek yakınsak yapabilir (orta), Ne ıraksak ne yakınsak bir ışık (demet) (alt) itibaren bu faz ilişkisi bir süreliğine korunabilse de çok kısa bir sürede bu ilişki bozulur.

32 Bunun pek çok nedeni olabilir. Birincisi ışığın çıkısı atomsal veya molekülsel bir geçiş olduğu için, bir dalgada bulunan fotonların hepsinin aynı fazda olması kaynaklarının atomsal düzeyde farklı olmasından dolayı mümkün değildir. Diğer bir etken, aynı anda ve frekansta ilk kipler çıksa da takip ettikleri yol uzunluklarının ve ortam özelliklerinin küçük miktarda da olsa farklı olması fazlarında farklılık oluşturur. Bundan ötürü lazer gibi özel bir dizayn ile elde edilmeyen ışık kaynaklarından çıkan ışık ancak kısa bir süre ve dolayısıyla kısa bir mesafede ahenkli olabilir. Kaynaktan uzaklaştıkça ahenk bozulur. Uzun erimli ahenge sahip olmayan ışık dalgaları ile makro boyutta holografi uygulamaları mümkün olmamaktadır. Holografik kayıt üç boyutlu görüntüsü kaydedilecek cisimden yansıyan ışınlar (cisim ışını) ile bir diğer ışının (referans ışını) holografik film üzerinde girişin yapması sağlanarak bir girişim deseni oluşturulması esasına dayanır. Daha sonra yalnızca referans ışın ile film aydınlatılır ve cismin üç boyutlu görüntüsü oluşturulur. İki ışık demetinin veya dalgasının girişim yapabilmesi için sahip olması gereken en önemli özellik bu dalgaların optik ahenk (uyumluluk) göstermesidir. Uyumluluğu ikiye ayırabiliriz: zamansal ve uzaysal uyumluluk. Örneğin Şekil 2.5 de gösterilen bir akkor ampülden çıkan ışık uyumlu değildir. Ampülde bulunan üst enerji düzeylerine uyarılmış atomlar farklı zamanlarda farklı zamansal uzunlukta ışıma yaparlar. Şekil 2.7 da gösterilen dalga katarı olarak adlandırabileceğimiz bu ışımaların ortalama süresi uyumluluk zamanı (τ) nı verir. Uyumluluk uzunluğu ise l=c τ ile verilir. Uyumluluk zamanının tersi ise yayınlanan ışımanın frekans kuşak aralığına eşittir: Δν=1/τ. ν=c/ Δν =cδ / 2 l= 2 / Δ görünür ışık dalga boyu kabaca nm olduğu için Δ =300 nm ve =550 nm olduğuna göre güneş ışığı uyumluluk uzunluğu l 1000 nm=1 µm elde edilir 4. Bir Ar + lazeri görünür bölge ışıması için bu değer 10 cm mertebesindedir. 4 Pedrotti ve diğerleri, Introduction to Optics, 3 rd Edition, sayfalar ve , Pearson Education Inc., San Francisco, CA, 2007.

33 Uzaysal uyumluluk ise ışık kaynağının sonlu büyüklüğe sahip olmasından noktasal olmamasından kaynaklanır. Şematik olarak Şekil 2.8 de verilen Young çift-yarık deneyinde ekranda girişim deseninin gözlemlenmesi ancak yarıklardan çıkan ışığın Şekil 2-7: Bir dalga katarı uyumluluk göstermesine bağlıdır. Sonlu büyüklüğe sahip ışık kaynağı üzerindeki iki noktayı çapı a olan açıklık engelinin üst ucundan yarıklara ulaşan ışıklar arası yol farkı =dsinθ' dθ'=da/2t. Yol farkı λ/2 e eşit olduğunda ekranın merkezinde her iki yarıktan gelen ışık arasında yarım dalga boyu yol farkı olduğu için karanlık saçak oluşacaktır. Bu nedenle ekranda girişim deseninin görülebilmesi için < λ/2 veya d< λt/a olmalıdır Işık dalgalarının girişimi Girişim (interference) aralarında bir faz ilişkisi olan iki dalganın bir noktada üst üste gelmeleri sonucu birbirlerini güçlendirmeleri veya zayıflatmaları ile söz konusu noktada yeni bir ışık alanı oluşturmasıdır. Aralarında sabit bir faz ilişkisi olmayan dalgalar birbirlerini etkilemezler. Bundan dolayı ancak ahenkli dalgalar girişim

34 yapabilirler. Tersinden düşünecek olursak, iki dalganın ahenkli olması bunların girişim yapabilme durumunda olup olmadıklarıyla ölçülür. Girişim yapabiliyorlarsa ahenklidirler denir. Girişim desenlerinin derinliği ahenklik için bir ölçü olacaktır. Eğer iki kaynaktan çıkan ışık tam ahenkli ise kaynaklardan uzak bir ekran üzerinde çok net aydınlık ve karanlık desenler ortaya çıkar. Kısmen ahenkli ise aydınlık seviyesi değişikliğinin görüldüğü bir şiddet dağılımı oraya çıkar. Eğer bu kaynaklar ahenkli değilse ekranda düzgün bir aydınlık dağılımı gözlemlenir. Bir ışık demetinin ahenkli olup olmadığı çift yarık düzeneği veya basit bir Michealson girişimölçeri yardımı ile test edilebilir. Girişimölçer, ışığı bir demet ayırıcı ile iki ayrı ışına ayıran, ışınların fazlarında birbirlerine göre kaydırma yaptıran, bir ayna veya demet ayırıcı yardımı ile aralarında faz farkı oluşturulmuş bu iki ışını üst üste bindiren ve onların şiddetlerini ölçen araçtır. Michelson girişimölçeri, Mach-Zehnder girişimölçeri, Sagnac girişimölçeri, Fabry-Perot girişimölçeri gibi girişimölçerleri tanınmış düzeneklerdir ve araştırmada, tıbbı ve diğer analizlerde, analiz ve test cihazlarında kullanılan düzeneklerdir. İki veya çok sayıda dalga girişim yaparak birbirini güçlendirebilir veya zayıflatabilir/yokedebilir. Işığın dalga özelliğini deneysel olarak ilk defa 1801 de ortaya koyan İngiliz Fizikçi Thomas Young ın çift-yarık deneyi Şekilde gösterilmiştir. Aynı bir kaynaktan çıkan düzlem dalga yarık düzlemine gelir ve yarıklardan çıkan iki dalga ekran üzerinde bir P noktasında girişim yaparlar. 1 ve 2 dalgaları farklı uzunlukta yollar kat ettiklerinden aralarında bir yol farkı (Γ) vardır. Aralarındaki yol farkı dalga boyunun tam katlarına eşitse P noktasında bir aydınlık saçak, eğer yol farkı dalga boyunun yarım katlarına eşitse bir karanlık saçak gözlemlenir. Aydınlık saçak yapıcı karanlık saçak ise yıkıcı girişimin bir sonucudur. dsinθ = mλ dsinθ = (m )λ

35 burada m=0,1,2,3,.. girişimin derecesini ifade eder. d ise yarıklar arası mesafedir. İlk denklem yapıcı girişim koşulunu ve ikinci denklem yıkıcı girişim koşulunu verir. Şekil 2-8 Young çift yarık deneyi Girişimde, genel olarak, iki dalganın üst üste bindirilmesinde, iki ve/veya daha fazla dalganın toplam şiddeti, basitçe her bir dalganın şiddetlerini toplamına eşit değildir! Genlikleri A ( ) ve A ( 2 ) olan iki dalga var olsun. Bu dalgaların şiddetleri I A (r ve I 1 r 2 2 A2 (r) 2 r olur ve bu durumda girişim deseninin şiddeti 1 1 ) I A r) A ( r) A ( r) A ( r) A ( r) A ( r) A ( r) (2.12) ( şeklinde verilir. I 2 A( r) I1 I 2 2 I1I 2 cos (2.13) Burada iki ışın, yani iki dalganın ilerleme yönleri arasındaki açıdır. 1 I I Her iki dalga eş ise her ikisinin şiddetleri aynıdır: 2 0 Buradan girişim alanı için şiddet dağılımı 2 I A( r) 2 2I0(1 cos ) 4I 0 cos ( 2) I (2.14) olarak elde edilir.

36 φ = 0 I = 4I 0 Yapıcı girişim. Dalgalar birbirlerini güçlendirir. φ = π I = 0 Söndürücü girişim. Dalgalar birbirlerini söndürür. φ = π 2 I = 2I 0 Girişim yok. Toplam şiddet her iki dalganın şiddetlerini toplamıdır. Buradaki açıya bağlılık bir detektör aracılığı ile ölçülebilir. Girişim desenlerinin algılanmasında görünürlük önemli bir büyüklüktür ve şöyle tanımlanır: G = I max I min I max +I min (2.15) Bununla desenlerin görünürlüğü ölçülür. Her iki ışının eşit şiddette olması görünürlüğü ortadan kaldırmaktadır. I ve 1 I şiddetinde iki dalganın girişiminde görünürlük aşağıdaki bağıntı ile verilir. 2 G = 2 I1 I2 1+ I 1 I2 cos (θ) (2.16) Burada açısı her iki ışık dalgasının kutuplanışları arasındaki açıyı vermektedir. Bu bağıntıdan anlaşılacağı üzer birbirlerine dik polarize iki ışık dalgası girişim yapamaz. Holografik kayıt, daha öncede vurgulandığı üzere, nesne dalgası ile karşılaştırma (referans) dalgasının üst üste bindirilmesi ile olur (Bkz. Bölüm 1). 2.7.Işık dalgalarının kırınımı Dalgalara özgü bir diğer ayırd edici özellikte kırınım olayıdır. Dalgalar bir engel ile karşılaştıklarında kırınıma uğrayarak engelin arkasına geçebilir. Ses ve su dalgalarında olduğu gibi ışık gibi elektromanyatik dalgalarda kırınıma uğrayarak engelin arkasına geçebilir. Kırınımın derecesi dalga boyuna bağlıdır. Dar bir yarıktan geçen ışığın dalga boyu yarığın genişliğine ne kadar yakınsa kırınımda o kadar büyük olur. Kırınım açısı, dalga boyu ve açıklık çapı arasında sinθ = m λ D

37 ifadesi yazılabilir. Yukarıda verdiğimiz denklem Fraunhofer veya uzak alan kırınımı için geçerlidir. Yakın alanda gerçekleşen kırınım Fresnel kırınımı olarak bilinir. Şekil 2.10 da bir yarıktan kırınıma uğrayan ışığın ekran üzerindeki şiddet dağılımı görülmektedir. Merkezdeki parlak spotun açısal genişliği 2θ dır. m= 1 birinci karanlık saçağı vermektedir. Şekil 2-9 Açıklık engeline doğru ilerleyen ışık dalga boyu ile açıklık engelinin oranına bağlı olan bir açı kadar kırınıma uğrar.. Şekil 2-10 Açıklık engeli şiddet dağılımı

38 2.8.Holografik uygulama Holografik süreç hem girişim hem de kırınım ile ilintilidir. Kayıt yapılırken karşılaştırma dalgası olarak kullanılan ışık demeti ile nesne dalgası olarak nesneden yansıyan ışının girişimi yapılır. Bu iki dalganın hologramın bulunduğu yerdeki girişim deseni hologram üzerine kaydedilir (sabitlenir). Daha sonra ilgili hologramdan görüntü elde edilmek istenirken holograma gönderilen (hologram üzerine düşürülen) karşılaştırma ışığı hologramda kaydedilmiş desenlerden kırınıma uğrayacak böylece kaydedilmiş nesnenin görüntüsünü oluşturur. Kısa ve öz olarak; girişim holografinin kayıt fazında rol alırken kırınım görüntü oluşturmada rol almaktadır.

39 BÖLÜM 3: LAZER VE LAZER IŞIĞININ ÖZELLİKLERİ Lazer 20. Yüzyılın bir buluşu olarak, bilim ve teknoloji dünyasına yeni katkıları ile yeni yollar açan bir ışık kaynağıdır. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kelimelerin baş harflerinden oluşan kısaltma olarak LASER adı verilmiştir. Kısaltma olmasına rağmen Türkçeye kazandırılmış yabancı kelime olarak Türkçede lazer olarak kullanılmaktadır. Lazer ahenkli bir ışık kaynağıdır. Bu özelliği ile holografinin temel aracıdır. Lazer ışığının özellikleri şöyle özetlenebilir: 1- Spektral: Lazer ışığı renk sadeliğine sahiptir; yani tek renklidir. Normal bir lamba ışığını bir prizmadan geçirdiğimizde gökkuşağı renklerini ayrıt edebiliriz. Ancak lazer ışığı tek renkli bir demet olarak kalacaktır. Buna monokromatiklik denir. 2- Uzaysal: Lazer ışığı keskin olarak odaklanabilir; çünkü ya düzlem dalga olarak ya da Gauss ışık demeti formunda çıkışı vardır. Bu özelliğinden dolayı rahatlıkla oldukça dar bir noktaya odaklanabilir. Bu ışık demeti normal lambalar kıyasla çok uzun mesafe demet olarak kalabilir. Bu da çok yoğun bir ışık demetinin kilometrelerce mesafeye ulaşabilen dar bir ışık demetini kullanabilmek demektir. 3- Zamansal: Lazer ışığının çok kısa atma (puls) olarak elde etmekte mümkündür. Bu özelliği ile çok kısa zamanda örneğin nano saniye içinde çok şiddetli bir ışık demeti elde etmek mümkündür. Bu özelliği ile de lazer hem araştırma hem de teknik uygulamalarda hızlı süreçlerin incelenmesi ve geliştirilmesinde yeni çığırlar açmıştır. Son yıllardaki gelişmelerle artık lazer ışığı da geniş bir spektral bölge için üretilebilmektedir. (süper continuum). Bu da yeni gelişmelere yol açacaktır. 3.1.Lazer ışığı elde etmenin temel düşüncesi Lazer (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) düşüncesinin temel teorisi Einstein tarafından 1915 yılında netleşmiştir. Ancak teknik

40 imkânlar elvermediği için önceleri bazı özel laboratuvar deneylerinde bazı tespitler yapılabilmiş, ardından 1951 yılında MASER in (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ve devamı çalışmalar sonucunda da ışık için Lazer 1960 yılında gerçekleştirilebilmiştir. Bu teorinin temel düşüncesine biraz daha yakından bakalım: Her şeyden önce, ışık maddenin elektronlarının uyarılmış bir durumdan daha düşük enerjili bir seviyeye geçmeleri sonucu ortaya çıkan fotonlardan oluşur. Yani madden ışık elde edebilmemiz için ilgili atomun veya molekülün veyahut bir katı yapının enerji soğurması, başka bir deyişle alması sonucu uyarılmış bir duruma geçmiş ve akabinde sözü edilen bu yüksek enerjili seviyelerden daha düşük enerjili seviyelere düşerken foton yaymaları, ya da eşdeğer olan, elektromanyetik ışıma yapmaları gerekmektedir. Bu geçişler içinde ilgili foton enerjisinin atomların söz konusu enerji seviyeleri arasındaki enerji farkına denk gelmesi gerekir. Atomların veya maddesel yapının ilgili enerji seviyelerini E1 ve E2 ile etiketlersek bunlar arasındaki geçiş için gerekli olan foton enerjisi hν = E 2 E 1 (3. 1) şeklinde olmalıdır. Başlangıçta, herhangi bir etki yokken atomlar ya da genel haliyle maddesel yapılar temel enerji seviyesinde bulunurlar ve kendiliğinden soğurma yapamazlar. Bunun için dışarıdan enerji verilmesi gerekir. Bu, farklı yollarla yapılabilir. Biz burada en kolay hali için maddesel yapı için atomları, enerji alış-verişi için de ışığı (elektromanyetik ışıma: foton) dikkate alacağız. Şekil 3-1: Atom ışık etkileşmesi, a) Soğurma b) kendiliğinden salım veya zorlamalı salım.

41 Atomlar kendiliğinden soğurma yapamazlar. Bunun için ortamda foton olması gerekir. Bir foton bir atomla etkileştiğinde atom fotonu soğurur ve kendisi daha yüksek enerjili bir seviyeye geçer (Şekil 3-1a). Bu hali uyarılmış bir durumdur. Uyarılmış durumda iken atom kendiliğinden temel duruma geçebilir ve bu esnada bir foton yayabilir. Buna kendiliğinden ışıma (salma: emisyon) denir. Uyarılmış durumda olan atomlar kendiliğinden salma yapabilirler (Şekil 3-1b). Einstein in o dönemde öne sürdüğü yeni fikir tam da bu noktada. Eğer atomlar uyarılmış durumda iken ortamda elektromanyetik ışıma var ise elektronlar bu ışımanın etkisi ile de daha düşük enerjili seviyeler inebilirler. Bu ortamdaki elektromanyetik ışıma zorlaması ile olduğu için buna zorlamalı (stimulated ışıma (emisyon) denir. Sözü edilen bu geçişlerin belirli bir olasılığı vardır ve bu olasılık maddenin enerji seviyeleri doğasına, soğurma ve ışıma yapan atomların bulunduğu ortamdaki elektromanyetik enerji yoğunluğuna bağlıdır. Şekil 3-1 i dikkate alarak tüm soğurma ve ışıma sürecini gözden geçirelim. Ortamda herhangi bir ışıma alanı, başka bir deyişle herhangi foton yokken tüm atomlar temel durumda bulunurlar. Fotonlar ortamda bulunmaya başladıkça ki, bu ışık vererek sağlanabilir, bazı atomlar enerji (fotonları) soğurarak uyarılmış duruma geçerler. Uyarılmış durumdaki atomlar bir yandan kendiliğinden salım yaparak temel duruma geçerlerken, belirli bir oranda da ortamda fotonların bulunması sonucu zorlamalı salım yapabilirler. Eğer zorlamalı salım daha çok olursa etki ile (stimulated) salım gerçekleşmiş olur. Buna lazer eylemliliği denir. Bunun olması için de uyarılmış durumdaki atomların sayısının düşük enerjili seviye bulunan atomların sayısından daha fazla olması gerekir. Buna nüfus tersinmesi denir. Bunu sağlamak için de maddesel ortamı yüksek foton sayısı olan, yani enerji yoğunluğu yüksek olan bir ortamda bulundurmaktır. Bu da ancak bir rezonatör içerine lazer ışıması yapan atoma veya maddesel yapıyı yerleştirmekle olur. Bun lazer kavitesi veya rezonatör denir.

42 Bütün bunlar nasıl gerçekleşecek? Bunun için bir rezonatörün inşa edilmesi gerekir. Bir rezonatör iki aynadan oluşan bir düzenektir. Çukur aynalarla kurulmuş rezonatörler kararlı olurlar. Düzlem aynalı rezontörlerin ayarlaması oldukça güçtür. İki aynadan oluşan bir rezonatör içine lazer eylemliliği gösterecek maddenin yerleştirilmesi ile lazer başlığı yapılmış olur (Şekil 3.2). Lazer için yapılan rezonatörlerin en önemli özelliği, aynalarından birinin tam yansıtıcı (% 100) iken, diğerinin kısmen yansıtıcı olmasıdır (örneğin % 98). Bunun küçük oranda geçirgen olması dışarıya ışık alabilmemiz içindir. Buna çıkış aynası denir. Tam yansıtıcı olan aynaya da arka ayna denir. Lazer eylemliliği sonucu ortaya çıkan lazer ışığının bir kısmını biraz geçirgen olan çıkış aynasından dışarı çıkar. Bu gerçekte kullandığımız/kullanacağımız lazer ışığıdır. Şekil 3-2: Lazer başlığının bileşenleri

43 Aslında rezonatör içinde daha güçlü elektromanyetik ışıma alanı (ışık) vardır. Lazer başiığının Lazer eylemliliği gösterebilmesi için ortama foton verilmesi gerekir. Bunun Şekil 3-3: Lazer ışığını veren atomsal enerji seviyeleri modeli. için lazer başlığının uygun şekilde pompalanması gerekmektedir. Bu birkaç yolla yapılabilir. Ancak temel anlamlandırma için şimdilik sadece ışık (uygun fotonlarla) ile pompalamayı göz önünde bulunduralım. Diğer teknik düzenleme ve ayarlamalar tamamlanıp pompalamaya başlayınca aktif ortamın atomları enerji soğurarak uyarılmış duruma geçmeye başlar ve kendiliğinden (spontane) foton yaymaya başlarlar. Bunlar her üç uzaysal yönde ve farklı kutuplanmış kipler halindedirler. Ancak rezonatör ekseni boyunca yayılan fotonlar (kipler) aynalardan yansıyacakları için bunlar tekrar aktif ortama dönerler (Şekil 3.3). Aynalar arasında yansıyıp dönen fotonlar, diğer bir deyişle bunların oluşturduğu kipler bir çeşit duran dalga oluşturur ve bununla aktif ortamın elektromanyetik enerji yoğunluğu oldukça yüksek olur. Buradaki mühendislik sanatı rezonatör içinde fotonları mümkün olduğunca uzun süre tutmaktır. Bu da ikinci aynanın geçirgenlik oranının küçültülmesi ile sağlanabilir. Lazer başlığı aslına bir optik yükselteçtir. Bu yükselteç, nasıl ki elektronik yükselteçlerde küçük bir elektronik sinyal daha büyük genlikli bir sinyale dönüştürülür, optik yükselteçte de küçük bir foton akısı güçlendirilir. Burada güçlendirilen fotonlar pompalama sonrasında rezonatörde içinde yansıyıp aktif ortama gelen fotonlardır. Şekil 3.2 deki şemayı ve Şekil 3.3 deki enerji diyagramını dikkate alarak rezonatör içindeki foton sayısı bilançosu aşağıdaki eşitlikle yapılabilir.

44 dn dt = N 1 W n + N 2 W n + W N 2 n t 0 (3. 2) Burada; n, rezonatör içindeki foton sayısı, W, geçiş olasılığı, N1, temel durumda bulunan atomların sayısı, N2, uyarılmış durumda bulunan atomların sayısı, t0, rezonatör içerisinde bulunan bir fotonun yaşam süresidir. Rezonatör içindeki yaşam süresi ikinci aynanın geçirgenliği ve rezonatör uzunluğuna bağlıdır. Eşitlik 3.2 de birinci terim ortamdan, yani rezonatör içinde, soğurma sonucu yok olan fotonları temsil eder. Bu bir yandan soğurma olasılığı W ile orantılı iken, diğer yandan ortamda var olan gecişe müsait atomsal seviye sayısı ve var olan foton sayısıyla doğrudan orantılıdır. İkinci terim zorlamalı emisyonu verir. Bur terim de birinci terim gibi ortamdaki foton sayısına, var olan müsait seviye sayısına ve foton sayısına bağlıdır. Üçüncü terim ise kendiliğinden emisyonu vermektedir. Burada soğurma ve zorlamalı emisyondakinden farklı olarak foton sayısı etkili değildir; çünkü kendiliğinden salım için herhangi bir fotona gerek yoktur. Geçiş olasılıkları soğurma ve zorlamalı emisyon için ilgili geçişin hem başlangıç seviyesinin durumuna hem de bitiş varış seviyesinin durumuna bağlı iken kendliğinden emisyon geçiş olasılığı sadece geçişin başlangıç seviyesi durumuna bağlıdır. Buradaki durum ile kuantum mekaniksel durumu kastedilmektedir. Dördüncü terim ise diğer tüm kayıpları temsil eder. Buna lazer başlığı dışına çıkan lazer ışığı da dâhildir. Bu terim rezonatör içinde fotonu hapsetme zamanı ile ilgilidir. Zaman ne kadar uzun olursa kayıp o kadar azdır demektir. Bir sistemin lazer etkinliği gösterebilmesi için fotonların üretilme debisi 0 dan büyük olmalıdır. Başka bir deyişle, dn n W ( N 2 N1) n 0 dt t 0 (3. 3) olmalıdır. Burada Kendiliğinden salınımın lazer eylemliliğine katkı yapmadığı için eşitlik 3- de n den bağımsız olan W N2 terimi ihmal edilebilir. Bu koşul altında foton

45 sayısının zamanla değişimi pozitiftir; bu da foton üretilmesi, yani optik yükseltme anlamındadır. Lazerlerde pompalama çeşitli biçimlerde olabilir: (1) Optik olarak; lambalar, lazerler; (2) Elektriksel olarak; gaz deşarjı, elektron ya da iyon demeti, voltaj (yarıiletkenlerde); (3) Kimyasal olarak; çekirdek tepkimesi, yanma. 3.2.Türlerine göre lazerler Lazerler, değişik kriterlere bağlı olarak guruplara ayrılabilirler: A) Lazer eylemliliğine katılan enerji seviyesi sayısına göre: a. İki seviyeli lazerler. (Gerçekte böyle bir lazer yoktur. Model olarak kullanılır.) b. Üç seviyeli lazerler. (Yakut lazeri NdYAG vb lazerleri) c. Dört seviyeli lazerler. (NdYAG vb lazerleri) B) Lazer ortamına göre: a. Gaz lazerleri. (Argon, Kripton He-Ne lazerleri) b. Katı lazerleri. (Yakut, NdYAG, yarı iletken lazerleri, vd.) c. Çözelti lazerleri. (Boya lazerleri) d. Serbest elektron lazerleri. (İvmelendirilen elektronlar) C) Pompalamaya göre: a. Başka bir lazer pompalamalı (özellikle boya lazerleri) b. Lamba pompalamalı (Xe- Lamba pompalı NdYAG, Yakut lazeri, Alexanrit vd.) c. Diyot pompalamalı (Diyot pompalı NdYAG, Yakut lazeri, Alexandrit vd.) d. Elektriksel alan etkilemeli (çoğu gaz lazerleri) e. Manyetik alan etkilemeli (serbest elektron lazeri)

46 D) Zamansal durumuna göre: a. Sürekli dalga (Continium wave: CW) lazerleri b. Darbeli (Puls) lazerleri Şekil 3-4: Darbeli ve sürekli dalga lazerlerinin çıkış enerjilerinin karşılaştırılması. Şekil 3.4 de darbeli lazer ile sürekli dalga lazerinin çıkış enerjisinin zamanla değişimi karşılaştırılmıştır. Sürekli dalga lazerlerinin darbe süresi ¼ s den büyük, tek darbeli lazerlerin darbe süresi ¼ s den az ve darbe tekrarlama sıklığı 1 Hz den az ve darbe tekrarlamalı lazerlerin darbe süresi ¼ s den az ve darbe tekrarlama sıklığı 1 Hz den fazladır. 3.3.Lazerlerle çalışma ve lazer güvenliği Lazerlerin ışığının yüksek enerji yoğunluğuna sahip demet halinde uzun mesafeye ulaştığını belirtmiştik. Bir karşılaştırma olarak güneşli bir yaz günündeki güneş ışığının en az 100 katı daha şiddetten bir milyon katına kadar varabilen lazerler mevcuttur. Bunun için lazerler çalışırken çok dikkatli olunmalı ve gerekli güvenlik önemler alınmalıdır;

47 lazer korunma gözlükleri kullanılmalıdır. Lazer ışığının ısıl, fotokimyasal ve doğrusal olmayan etkileri mevcuttur. Lazer ışığına kesinlikle doğrudan bakılmamalıdır. Hatta güçlü lazerlerin dağınık yansımaya uğramış ışığına bile bakılmamalıdır. Çünkü lazerden en fazla zarar gören organımız gözdür. Işık, ister güneşten isterse elektrik ampülünden gelsin insan vucuduna zarar verebilir, ancak lazer ışıması, çok yüksek şidetlere odaklanabildiğinden çok tehlikelidir. İnsan vucudunun bütün diğer kısımları içinde göz en korumasız organımızdır. Gözün hangi kısmının daha çok etkilendiği lazerin dalga boyuna bağlıdır. Kızıl ötesi (IR) bölgesinde yani 10 m üzerinde, enerjinin büyük kısmı su tarafından soğrulur. Biyolojik doku esas olarak sudan yapıldığı için 10 m nin üzerinde, ilk olarak kornea büyük zarar görür nm dalga boyu arasındaki ışık gözün iç kısımlarına girebilir ve retina yakınında bulunan pigment epithelium da soğrulabilir ve bunun sonucunda pigment epithelium patlayarak göz sıvısı içinde siyah parçaların oluşmasına neden olabilir. Bu ise sanki içinde balıkların yüzdüğü bir akvaryumun arkasından bakmak gibidir. Doğal ışık ile lazer ışığını karşılaştıran sayısal bir örnek verirsek lazer ışığı ile çalışırken son derece dikkatli olunması ve güvenlik önlemlerinin alınması gerektiğini anlarız. Doğrudan güneşe bakılması ile gözümüzün maruz kalacağı ışık şiddeti yaklaşık 0.1 W/mm 2 iken doğrudan 1 mw gücünde ve 2 mm çapında He-Ne lazerinden çıkan bir demete bakılması gözümüzü 160 kat daha fazla ışığa maruz bırakacaktır. Bir mercek lazer ışığını yüksek şiddetler odaklayabilir. Örneğin, 200 mw gücünde nm kipinde çalışan ve demet çapı 2 mm olan bir lazer ışığının şiddeti E=1.6 W/cm 2 den odak uzaklığı 10 cm olan bir mercek ile 23 kat artarak 0.4 mm çapında bir bölgeye odaklanarak =36 W/cm 2 değerine yükselebilir. İnsan vücuduna etkileri açısından lazerler sınıflandırılmıştır ve her lazerin üzerinde mutlaka etiketlenmiştir. Buna göre; Çizelge 3.1 de lazerler verdiği zararlara göre sınıflandırılmıştır. Lazer ışığının üretildiği ortama göre bir sınıflandırma yaparsak sırası ile ortam, bu ortamın önemli lazeri ve temel ışıma dalga boyu şu şekilde listelenebilir:

48 Çizelge 3-1: Lazerlerin verdiği zararlara göre sınıflandırılması

49 BÖLÜM 4: HOLOGRAFİK KAYIT VE GÖRÜNTÜLEME BİLEŞENLERİ Holografide kullanılan bileşenler özetle şu şekilde listelenebilirler: Işık kaynağı, kayıt ortamları, yani Hologram-Malzemeleri, titreşimsiz kayıt ortamı (optik masa, sakin ortam), Optik parçalar (ışın genişletici, ışın ayırıcı ve yansıtıcılar) ve elektronik kontrol, dedeksiyon, kayıt ve işleme cihazları. 4.1.Işık kaynakları Holografinin, yani holografik kayıt ve görüntülemenin en önemli bileşeni kullanılan ışık kaynağıdır. Holografi tekniğinin ilk geliştirildiği zamanlarda kısa mesafede ahenklik gösterebilen spektral lambalar kullanılırdı. Bu ışık kaynaklarıyla ancak eksen boyunca kayıt ve görüntü oluşturulabilirken lazerin geliştirilmesinden sonra eksen boyunca kaydın yanı sıra eksen dışı kayıtlar da mümkün oldu. Günümüzde lazer oldukça yaygın ve bilinen bir ışık kaynağı olduğundan holografi için diğer ışık kaynaklarına gerek kalmamaktadır. Lazer hakkında genel ve temel bilgiler önceki bölümde verilmiştir. Farklı ışık kaynakları, onların çalışma prensipleri ve özellikleri hakkında bilgiler çeşitli kaynaklarda mevcuttur. 4.2.Optik Elemanlar Holografik kayıt ve görüntüleme için ışığın öncelikle yönlendirilmesi gerekmektedir. Bunun için öncelikle çeşitli ayna ve merceklere gerek duyulacaktır. Bunun yanında, demet ayırıcılarına ve genişleticilerine, çeşitli filtrelerle ve bazen kutuplayıcılara gerek vardır.

50 Mercekler ve aynalar Işığın yönlendirilmesi ve gerektiğinde odaklanması veya dağıtılması için gerekli olan optik elemanlardır. Merceklerin bir çok türleri vardır ancak esas olarak yakınsak (veya ince kenarlı) ve ıraksak (veya kalın kenarlı) olmak üzere ikiye ayırabiliriz Polarizörler ve dalga plakaları Elektromanyetik dalgaların bir diğer önemli özelliği polarizasyondur. Optik veri kaydı gibi bazı holografi süreçlerinde veya holografik temele dayanan araştırma veya test işlemlerinde ışığın polarizeliği önemlidir. Elektromanyetik dalganın elektrik alanının sadece bir eksen boyunca geçmesine izin veren araçlara kutuplayıcı (polarizör veya polarizatör) denir. Öyle ki, bir kutuplayıcıdan geçen ışık demetinin elektrik alanı yalnızca izin verilen eksen boyunca titreşir (Şekil 4-1, 4-2). Işık üç türlü polarize olabilir: (i) doğrusal, (ii) dairesel ve (iii) eliptik polarizasyon. Doğal ışık polarize olmamış ışıktır. Bir polarizör, çeyrek dalga plakası ve analizör olarak kullanılacak bir diğer polarizer ile ışığın polarizasyon durumu belirlenebilir. Şekil 4.2 ve Şekil 4.3 da elektrik alanın yönelimi her üç polarizasyon durumu için gösterilmiştir. Şekil 4-1 Bir doğrusal polarid polarizör. Bir polarizöre doğru ilerleyen doğrusal polarize ışık polarizörü geçtikten sonra şiddeti Malus yasasına göre azalır: I=Iocos 2 θ. Bu ifadede θ açısı Şekil de gösterildiği gibi polarizörün geçirgenlik ekseni (TA) nın ışığın polarizasyon doğrultusu ile yaptığı açıdır.

51 Şekil 4-2: Elektromanyetik dalgaların polarizörden geçişi. Şekil 4-3: Doğrusal polarize ışık: Işık sayfa düzleminden dışarı +z ekseni boyunca ilerlemektedir. a) Elektrik alan vektörü yz düzleminde titreşiyor: düşey doğrusal polarize ışık, b) Elektrik alan vektörü xz düzleminde titreşiyor: yatay doğrusal polarize ışık, c) Elektrik alan vektörü x ekseni ile sabit bir açısı yapacak şekilde bir düzlemde titreşiyor: doğrusal polarize ışık.

52 Şekil 4-4: Işık sayfa düzleminden dışarı +z ekseni boyunca ilerlemektedir. a) Elektrik alan vektörü z-ekseni etrafında bir daire üzerinde dönüyor: sol dairesel polarize ışık, b) Elektrik alan vektörü z-ekseni etrafında bir elips üzerinde dönüyor: sağ eliptik polarize ışık Şekil 4-5: ışığın bir dalga plakasından geçişi Bir dalga plakasında x ve y eksenleri doğrultusunda kırılma indizleri farklı olduğu için elektrik alan vektörü, x veya y ekseni ile bir açı yapacak sekilde dalga plakasına girdiğinde elektrik alanın her iki bileşeni farklı hızlarla ilerleyecek ve bu nedenle aralarında bir faz farkı olacaktır. Bu faz farkı: φ = 2π (n λ x n y )t. Bu ifade de t: dalga plakasının kalınlığıdır. Bu faz farkı π/ 2 ye eşitse çeyrek dalga plakası eğer π ye eşitse yarım dalga plakası adı verilir. Şekil 4.2 de gösterildiği gibi çeyrek dalga plakasına 45 o

53 açı ile giren doğrusal polarize ışığın elektrik alan vektörünün x ve y bileşenleri farklı hızlarla ilerleyecek ve plakayı terk ettiklerinde aralarında π/2 radyan faz farkı olacaktır Demet Bölücüler (ayırıcılar) Holografik kayıtta, referans ışığı ile cisim ışığının uyumluluğunun (ahenkliğinin) sağlanması ancak aynı kaynaktan çıkan ışığın iki ayrı ışın demetine ayrılması ile olur. Bunun için demet ayırıcılara gerek vardır. Demet ayırıcılar özellikle eksen dışı holografik kayıt sistemlerinin önemli bileşenleridirler. Bunlar farklı oranlarda geçirme ve saptırma yapabilecek şekilde yapılabilirler. En basit demet ayırıcı bir cam tabakasıdır. Işık ışını yoluna yerleştirilmiş bir cam tabakasına belirli bir açık ile ışık düştüğünde ışığın büyük bir kısmı geçerken bir kısmı da yansır. Bu şekilde iki ışık demeti elde edilir. Ancak her iki ışının karşılaştırılabilir yeğinlikte ikiye ayırabilmek için daha özel yapılara gereksinim vardır. Bunun için örneğin iki cam prizma arasında boşluk özel bir sıvı ya da ince metal tabaka yerleştirilerek bir demet ayırıcı yapılabilir. Böyle bir düzenekle polarizasyona da bağlı olarak farklı yeğinliklerde iki ışın elde edilir Işın genişleticiler Lazer ışığı demetleri genelde dardırlar. Yani, ışın çapları oldukça küçüktür. Bunlarla doğrudan holografik kayıt yapabilmek, özellikle ışın demetinden daha büyük nesnelerin görüntüsü alınacaksa veya geniş bir ortamda bir işlem yapılacaksa doğrudan lazer ışığını kullanmak pek elverişli olmaz. Daha büyük çaplı bir ışık demetini elde edebilmek için ışın genişleticiler kullanılır. Işın genişleticilerinin çalışma prensibi bir ters teleskop gibidir. Nokta kaynaktan çıkan bir ışık demeti odak uzaklığı yeterli büyüklükte ve mercek çapı büyük olan bir merceğin odağına yerleştirilirse paralel ve genişçe bir ışık demeti oluşturulabilir. Başka

54 bir yöntem ise kepler teleskobu metodudur. Burada bir lazer ışını bir mercek aracılığı ile odaklanır. Bu odaklama noktası odak uzaklığı ve mercek açıklığı büyük olan bir merceğin odağı olacak şekilde yerleştirilir. Böylece gelen ışın genişletilmiş olur. Bu tür genişleticilerin büyütme oranları merceklerin büyütme oranları ile belirlenir. Diğer bir düzenek ise Galilei düzeneğidir. Burada bir lazer ışını bir dağıtıcı mercekten geçirildikten sonra bir yakınsak (ince kenarlı) mercek aracılığı ile tekrar paralel yapılır. 4.3.Kayıt malzemeleri (hologram malzemeleri) Hologram malzemeleri holografinin diğer olmazsa olmaz özellikteki bileşenlerdir. Bir hologram malzemesinde öncelikle olması gereken özellik, söz konusu malzemenin kırılma indeksi değişimi veya kalınlık değişimi ya da soğurma değişimi gösterebilmesidir. Böyle bir özellik gösteremeyen malzemeler hologram malzemesi olarak kullanılamazlar. Kullanılacak malzemede çözünürlük /4 değerinden daha iyi olmalıdır. Bu özellik geçirgen türü hologramlarda 4000 çizgi/mm tekabül ederken, yansıma türü hologramlarda yaklaşık beş kat daha yüksek (~ çizgi/mm) bir çözünürlük gerektirmektedir. Duyarlılık mümkün olduğunca iyi olmalıdır. Düşük duyarlılığa sahip malzemelerde daha yüksek enerjiler gerekir bu da optiksel olarak yan etkilere neden olur. Ayrıca yüksek güce sahip lazerleri kullanmakta güvenli çalışabilmeyi kötü yönde etkilemektedir. Dolayısı ile duyarlı malzeme ve düşük güce sahip lazerlerle çalışmak biraz daha tercih edilmelidir. Sabitleyebilme imkânı olan malzemeler kullanım açısından önem arz ederler. Örneğin güvenlik veya veri saklama amaçlı ya da holografik filtreler veya optik ızgaralar gibi farklı amaçlı kullanılacak araç-gereçlerde yapılan kaydın sabitlenebilmesi çok önemlidir. Hologram malzemesi olarak kullanılacak malzemenin hacminin mümkün olduğunca değişmemesi diğer bir beklenen özelliktir. Aksi durumda Bragg şartı sağlanamaz ve kayıttan elde edilecek görüntü kayıt nesnesinden farklı olur. Söz konusu

55 hologram malzemesinin temel soğurmasının zayıf olması, yüksek optik kaliteye sahip olması, uzun süre kararlı olabilmesi ve düşük fiyatlı olması diğer beklentilerdir. Bu beklentileri az çok gideren ve holografide kullanılmakta olan hologram malzemeleri şöyle sıralanabilir: 1. Gümüş Halojen Emulsiyonlar (Fotograf plakası) 2. Dichromat jelatinler 3. Foto dirençli malzemeler (Foto cilalar) 4. Thermoplastikler (yüzeyde yük dağılımı) 5. Foto renklenmeli kristaller (Fotokrom kristaller) 6. Işığın polimerleşmeye etkiyebildiği polimerler 7. Foto adreslenebilen polimerler 8. Foto duyarlı anorganik camlar 9. Foto Termoreaktiv malzemeler 10. Foto kırıcı kristaller (fotorefraktif kristaller) 11. Elektronik sensörler: CCD-Kamera ( CCD: Charge Coupled Device) 12. Bakteriodopsin Gümüş Halojen Emulsiyonlar, geniş spektrum bölgesinde yüksek çözünürlük ve yüksek ışınlanma duyarlılığı ile en çok tercih edilen malzemelerdir. Çalışma prensibi şöyledir: Gümüş bromür gibi gümüş halojenür emulsiyonlar, geniş spektrum bölgesinde yüksek çözünürlük ve yüksek ışınlanma duyarlılığı ile en çok tercih edilen malzemelerdir. Gümüş bromür molekül kümeleri taneler halinde jelatin film içine dağılmıştır. Işığa maruz kaldığında gümüş ayrışır ve taneler içinde ışığın şiddetine bağlı olarak karanlık bölgeler oluşur. Karanlık bölgelerin yoğunluğu ışığın şiddetindeki değişimi yansıtır. Kayıt tamamlandıktan sonra banyo işleminde ilk önce ışığa maruz kalmamış gümüş halojenür taneleri filmden ayrıştırılır. Dichromat jelatinler çok renkli hologram yapımı için uygundur. C, H, O, N den oluşan molekül zincirleri, (NH4)2Cr2O7, krom Cr +6 olarak bulunur. Üzerine ışık

56 düştüğünde ortaya çıkan serbest elektronlar kromun Cr +3 ye indirgenmesi sağlanır. Cr +3, H - zincirlerini birbirine bağlar. Buna Fotocross linking denir. Böylece Jelatinde bir yoğunluk değişimi meydana gelir ki, bu da kırılma indisi değişimini sağlar. Bununla kayıt gerçekleşmiş olur. Dichromatik jeletinli hologramlarla çok parlak görüntüler elde edilebildiği gibi kısa erimli derinlikte sağlanır. Ayrıca bu tür hologramlarda normal oda ışığında bile görüntü algılanabilmektedir. Fotodirençler ya da fota cila pozitif (negatif) cilanın bir yüzey üzerinde kullanılması ile kullanılan hologram malzemeleridir. Kayıt sırasındaki ışıklandırma ve akabinde çözme işlemi ile foto cilanın aydınlatılmış bölgelerden uzaklaştırılmasını sağlanır. Bunun sonucunda yüzey formu ortaya çıkar. Bu form kayıt desenlerine göredir. Örneğin, print hologramları için master hologramları bu tür malzemelerle yapılır. Fotokırıcı kristaller özellikle holografik bilgi depolama amacıyla kullanılan, hacimsel kayıt yapma imkânına sahip olmasından ötürü büyük miktarda bilgiyi depolama kapasitesine sahip kristallerdir. Bunlardan en fazla bilineni LiNbO3 kristalidir. Bunun yanında pek çok oksidik kristal mevcuttur, örneğin BBO kristalleri özellikle hızlı yanıt vermelerinden dolayı holografik veri işleme veya hologafik radar sistemlerinde kullanılmaktadırlar. Bu tür kristallerde, hologram kaydı için oluşturulan girişim deseni bir ışık şiddeti dağılımı olarak kırılma indisi deseni oluşturur. 4.4.Hologramların sınıflandırılması Hologramlar holografik kaydın yapıldığı ortamlardır. Bunlar birinci bölümde ve hologram malzemeleri bölümünde listelenmiştir. Film, jelatin gibi hologram malzemeleri ince film şeklinde hologramlarken, fotokırıcı kristaller veya fotoadreslenebilen polimerler gibi hologram malzemeleri yapıları itibariyle kalın yapıdadırlar. Bundan ötürü hologramları kalın ve ince hologramlar olarak ikiye ayırmak mümkündür. Diğer taraftan yine, gümüş emülsiyon filmlerinde hologram kaydı soğurmaya bağlı olarak, yani

57 hologram üzerindeki desen kontrastını veren ışık şiddetine göre aydınlık ve karanlık bölgeler oluşurken, fotokırıcı kristallerde kırılma indisi desenleri oluşmaktadır. Buradan da hologramları soğurma veya faz hologramları olarak iki kategoride ele alınabilir. Faz hologramlarında kırınım verimliliği soğurma hologramlarından çok daha büyüktür. Öte yandan, bazı hologramlar geçirgen filmler veya kristaller şeklinde iken bazıları da yansıtma özelliğinde olan hologramlardır. Bununla da geçirgenlik hologramları veya yansıma hologramları olarak ayırmak mümkündür. Aşağıdaki çizelgede hologram türleri listelenmiştir: Çizelge 4-1: Hologram türleri Kayıt özelliği Hologram türü Açıklama Işığı geçirmesin bağlı olarak: Fiziksel ve kimyasal etkiye göre: geçirgenlik hologramları yansıtma hologramları Genlik hologramları faz hologramları Işık hologramdan geçer, holograma her iki yönden karşılaştırma ışığı düşürülebilir. Işık yalnızca tek yönden holograma düşürülebilir ve bir yüzeyde kayıt yapılabilir. Örn. Jelatinler, kaplama hologramları vb. soğuran malzeme, genliğin uzaysal modülasyonu, örn. kararan film Kırılma indisi değişimi yada geçirgen bir malzemenin kalınlığı. Örn. Fotokırıcı kristaller. Hologram kalınlığına göre: Zamana bağlı değişimine göre: İnce hologramlar Kalın hologramlar Statik hologramlar dinamik holgramlar Hologram ince olduğu için görüntüyü görme açısı büyüktür. Kalın hologramlarda, görüntü ancak Bragg şartı altında elde edilebilir. Kayıttan sonra, uzun süre kaydedilmiş bilgiyi (görüntüyü) tutar. Kayıt sırasında kısa süre görüntü bilgisini içerir. Kısa süre sonra görüntü oluşturacak hologram deseni yiter.

58 BÖLÜM 5: HOLOGRAFİK KAYIT TÜRLERİ 5.1.Holografik kayıt Bir cismin görüntüsünü holografik yani üç boyutlu olarak kaydedebilmek için bir lazer kaynağından çıkan ışık demeti ile cismi aydınlatmalı ve cisimden saçılan ışık ile aynı kaynaktan çıkan bir diğer demetin holografik film üzerinde girişim yapmasını sağlamalıyız. Şekil 5-1 de soldaki kalemin arkasında başka bir kalem var ama bir fotoğraf karesinde bunu görmeyiz. Buna karşın holograma bakarken başımızı biraz sola doğru eğip ortadaki şekilde olduğu gibi kalemin arkasına bakabiliriz ve arkadaki ikinci kalemi görmemiz mümkündür. Aynı canlı gözlemde olduğu gibi başımızı biraz daha kalemin arkasına doğru çevirdiğimizde arkadaki kalem tamamen ortaya çıkar. Şekil 5-2 de 1 arkadaki kalemi ve 2 de onun önündeki kalemi göstersin. Kalemleri arkadan aydınlatalım. Her iki kalemden saçılan cisim ışığı ile saçılmaya uğramadan geçen referans ışığı holografik film üzerinde girişim yapacaktır. Referans ışık demetinin, cisim 1 ve cisim 2 den saçılan ışıkların genlikleri aşağıda verilmiştir. 2 numaralı cisim (öndeki kalem) ile 1 numaralı cisim (arkadaki kalem) arasındaki faz farkı φ2 ile ifade edilmiştir. Bir fotoğraf karesine faz bilgisi kaydedilemediği için derinlik bilgisinden yoksundur. Referans dalgasının, arkadaki kalem 1 den saçılan ve öndeki kalem 2 den saçılan düzlem dalgaların karmaşık genlikleri sırasıyla, Şekil 5-1: Bir holografik kayıtta cismin arkasına bakmak mümkün. U r = A r e i(kz ωt) (5.1)