Koordinatör: Prof. Mehmet Ay (ÇOMÜ) TÜSSİDE 24-31 Ocak 2010 Fizik Nedir? Proje nedir nasıl hazırlanmalıdır? Spektroskopi ve Lazer hakkında kısa bilgi Rıza Demirbilek Yıldız Teknik Üniversitesi, Fizik Bölümü
SUNUM İÇERİĞİ Fizik Nedir? Proje Nedir? Spektroskopi Lazer
Fizik, doğada var olan her nesnenin (varlığın) temel yapı taşlarından (atom ve atom altı) içinde var olduğu ortama dek her şeyi kapsayan, bütün varlıkların birbirleriyle etkileşimini ve herhangi bir zamanda bir konumda bulunma durumlarını inceleyen bir temel doğa bilimidir. Konum, hareket, etkileşim FİZİK NEDİR? Bu anlamda Fizik, doğal olayları özlü olarak betimleyen temel yasaları en açık ve temel haliyle ortaya çıkarma ve bu yasaları, ileride yapılacak deneylerin ve gelişebilecek olayların sonuçlarını öngörecek teorilerin geliştirilmesinde kullanma işlem ve çalışma süreçlerini kapsar.
FİZİK NEDİR? İster cansız olsun iste canlı olsun, varlıkların çevresi ile etkileşimini ve bir konumda ve zamanda bulunma durumları incelerken onların; Konumlarını, durgun/hareketli oluşlarını, enerjilerini, etkidikleri/etkilendikleri kuvvetlerin türleri ve büyüklükleri gibi olaylar ve durumlarla ilgili sorular sorar ve bunlara yanıtlar arar.
FİZİK NEDİR? Böylece, bu belirtilen noktalar hakkında genellemelere gider, gözlem ve deneyler yapar; doğada var olmayan sistemler enerji ve madde harcaması karşılığında- geliştirir ve insanın doğayı daha yakından tanımasını sağladığı gibi, doğayı kullanarak insanlığın refah düzeyini yükseltmeyi de sağlar. Fizik, yaşamı anlamamıza, yaşamımızı kolaylaştırmaya önemli katkı sunan temel bilim dalıdır. Fizik, heyecan vericidir, ilginçtir, bilinmeyenleri algılamaya, anlaşılmayanları anlamaya yardımcı olur.
FİZİK NEDİR? Günümüzde Fizik, gelişim aşamaları açısından iki ana başlık altında ele alınabilir: Klasik Fizik: 1900 yılından önce geliştirilen teoriler, kavramlar, kanunlar, klasik mekanikteki deneyler, termodinamik ve elektromanyetizma konuları bu kategoride ele alınır. Modern Fizik: 19. yüzyılın sonlarına doğru başlayan ve klasik fiziğin açıklamakta eksik kaldığı fiziksel olayları açıklayan yeni teorileri kapsayan çalışma alanını kapsar. Bu alandaki en önemli iki teori Kuantum Mekaniği ve Görelilik dir. Doğadaki olaylar gerçekte varsayıldığı gibi tamamıyla doğrusal değildir. Dolayısıyla doğayı ve özellikle iklimsel olaylar, elektro optik ve fotokırıcı süreçler gibi doğrusal olmayan olay ve süreçleri gerçeğe daha yakın betimlemeye ve öngörmeye çalışan çalışmalar son yıllarda hız kazanmış ve kuantum fiziğini betimleyen doğrusal matematiksel işlemciler yerini doğrusal olmayan işlem ve işlemcilere bırakmaktadır. Bu özelliklerin söz konusu olduğu çağdaş fizik çalışmaları Yeni Fizik ten söz ettirecek türdendir.
FİZİK NEDİR? Fizik deneysel gözlemler ve nicel ölçümlere dayanır: Bir yandan doğayı ve çevremizi açık gözlülükle inceleyerek nicel değerlendirmeler diğer yandan ortaya çıkardığı az sayıda temel doğa kanunu ile yeni öngörüler yaparak onları yapay olarak geliştirdiği süreçlerle (deneylerle) test eder. Gözlem ve Deney Teori ve öngörüler
FİZİK NEDİR? Doğada kendiliğinden ortaya çıkmakta olan veya çıkan olayların gözlemi yapılabildiği gibi düşünülmüş ve laboratuar ortamında yapılan deneyler yapılarak da gözlemler yapılabilir. Bu anlamda Deney, doğaya sorulan hedefli bir soruya açık bir yanıt bulabilmek için yapılan deneme düzeneği ve ölçüm sürecidir. Fizikte teorik bir betimleme, her zaman insanın doğayı algılamada oluşturduğu bir modelin betimlemesidir. Bir teori ele alınan bir modelin bütün özelliklerini hesaplayabildiği için bir deneyciye hangi deneylerin söz konusu modelin geçerliliğini test edebileceğine dair bilgi verir. Teorik ve deneysel çalışmaların bu birlikteliği, karşılıklı destekleme ve sorgulama süreci insanlığın fiziksel bilgi birikiminin gelişmesine büyük katkı sunmaktadır.
FİZİK NEDİR? Gözlem, deney ve teori olarak fiziğin gelişim aşamaları şu şekilde sıralanabilir: Neler oluyor sorusunu sormak ve bunun için bilerek veya bilmeyerek gözlemlerin yapılması. Tarihsel gelişim sürecinde Galilei e kadar yapılanlar temel olarak bu çerçevede ele alınabilir. Nasıl oluyor sorusunun yanıtlanması; gözlem ve denemeler. Bilim tarihinde Galilei ile başlar. Neden oluyor sorusunu yanıtlanması. Bilim tarihinde Newton ile başlar. İlk Fizik kanunları. Fizksel bir kanun ölçülebilir büyüklükleri ve fiziksel kavramlarını birbirine bağlar. Bu bağ bir matematiksel eşitlik ile gösterilir. Çağımızda bunların gelişmiş hali olarak Ne, nasıl, neden ve hangi koşul altında ve çerçevede? Sorularına yanıt aranmaktadır.
FİZİK NEDİR? Gözlem, insanın duyu organları (Görme, işitme, dokunma hissi, koklama ve tatma) aracılığı ile yapılır. Bunlar arasında görme özellikle büyük önem taşır. Örneğin bir ölçü aracı ibresinin bir miktar kayması, osiloskop veya bilgisayardaki sayısal yada grafiksel gösterimler. Gözlem sürecinde dikkat edilmesi gereken duyu organlarımızın ne kadar hassas ve doğru algıladığıdır. Doğru ve tarafsız gözlem için iyi ölçü araçlarına gereksinim vardır. Sonuç olarak Fizikte Ölçme konusu çok önemlidir. Bütün bu gözlemlerin, deneylerin ve teorilerin insanlar arasında doğru aktarılması ve anlaşılması için de ortak bir fizik diline gerek vardır. Bu dil şu öğelerden oluşur: Gözlemleri, ölçüm sonuçlarını ve düşünülen modelleri anlaşılır açıklıkta ifade eden önermeler, güncel dil ve fiziksel kavramlar, matematiksel ifadeleri kısa ve öz sunabilen bağıntılar ve onlarda kullanılan semboller, görselleştirici şekil ve resimler.
Yeni Fizik : Doğrusal olmayan doğa gerçeği FİZİK NEREYE GİDİYOR? İsotrop (a) ve isotrop olmayan (b) katı cisimler için klasik atomsal model.
FİZİK NEREYE GİDİYOR? Metamalzeme Metamalzemeler sahip oldukları dieletrik ve manyetik parametrelerin reel ve sanal bileşenlerine bağlı olarak dalga ilerlemesinin değişik biçimlerini sunarlar. Bu parametrelerin reel kısmının işareti de rol oynamaktadır. http://www.ee.duke.edu/~drsmith (soğuran ortamlar için sanal kısmı hep pozitiftir.) k E k H 0 0 H 0 E 0
Mikro teknik aracılığı ile enerji eldesi FİZİK NEREYE GİDİYOR? Institut für Mikro- und Informationstechnik Wilhelm-Schickard-Str. 10 D-78052 Villingen-Schwenningen
FİZİK NEREYE GİDİYOR? Malzeme bilimi 20. yüzyıl 21. yüzyıl Atomik yapı Hücre yapısı Yapay malzemeler; küçük malzemeler yüksek performanslı malzemeler Nano yapılar; nano sensörler nano makineler nano hesaplayıcılar Genetik olarak tasarlanmış hücreler; gıda üretimi ilaç üretimi nano yapıların üretimi
FİZİK NEREYE GİDİYOR? Yüksek Enerji fiziği CERN deki çalışmalar, kazandırdıkları ve getirecekleri
FİZİK NEREYE GİDİYOR? Biyofizik
PROJE NEDİR? Önceden belirlenmiş bir süre içerisinde; değişim yaratmayı hedefleyen, birbiriyle ilişkili amaç ve hedefleri olan, yeni ürünlerin (bilgi, uygulama prosedürleri, çeşitli kullanılabilir mal veya araçlar, programlar) elde edilmesi ile sonuçlanan bir planlı çalışma sürecidir.
PROJENİN AŞAMALARI Düşüncenin akla geliş Araştırma düşüncesi, durumu değerlendirme, proje taslağı Araştırma/planlama Literatür inceleme, konunun sınırlandırılması, Nelerin nasıl yapılacağının planlanması, proje başvurusu Veri toplama Gerekli ön testler, bilgilerin elde edilmesi ve toparlanması Veri işleme Hipotezlerin testi, soruların yanıtlanması, sonuçların yorumlanması Değerlendirme Rapor, sunumlar, yayınlar, yeni projelere yönelik düşünceler
Bu bağlamda proje, PROJE ÇALIŞMALARIYLA ULAŞILMAK İSTENEN öğrencilerin gerçek yaşama benzer işler üzerinde, özgün bir ürün ortaya koymak amacıyla yaptıkları bağımsız konu araştırmaları ve etkinliklerdir. Burada amaç; Ülkemizin gereksinim duyduğu geleceğin bilim insanlarını yetiştirmek; Bilimsel amaçlı yarışma ve benzeri etkinlikleri ülke genelinde yaygınlaştırmak ve teşvik etmek, Geleceğin bilim insanı olma potansiyeline sahip çocuklarımızı erken yaşlarda keşfedip var olan yeteneklerini geliştirmek, Onlara gerekli desteği vererek araştırmacı bir ruh kazandırmak, Öğrencileri Matematik ve Fen Bilimleri alanlarında yaratıcılığa teşvik etmek, Öğrencilerin gizli kalmış yeteneklerinin desteklenerek geliştirilmesine ortam hazırlamak, Ülkenin geleceğini yönlendirecek, bilimsel alanlarda özgün ve farklı düşünceler ortaya koyabilen, özgüveni gelişmiş bireyler yetiştirilmesine katkıda bulunmak şeklinde vurgulanabilir.
PROJE NASIL HAZIRLANMALIDIR 1. Projenin konusunu seçmek 2. Bilgi toplamak 3. Projenin tanımlanması Araştırma düşüncesi, durumu değerlendirme, proje taslağı; literatür inceleme, konunun sınırlandırılması Nelerin nasıl yapılacağının planlanması, proje başvurusu 4. Projenin yürütülmesi Gerekli testler, bilgilerin elde edilmesi ve toparlanması; hipotezlerin testi, soruların yanıtlanması, sonuçların yorumlanması 5. Değerlendirme ve Rapor Yazımı Yayınlar, sunumlar, yeni projelere yönelik düşünceler Bilimsel birer çalışma olan projeler; yaratıcı, bilimsel, uygulanabilir, yarar sağlamaya dönük, açık ve anlaşılır olmalıdır.
1. Proje konusunun seçimi Proje konusu; ilgi çeken,üzerinde düşünülen, merak edilen yenilik getiren/getirebilen bir problemi çözebilecek, bir soruna çözüm olabilecek konulardan seçilmelidir.
2. Bilgi toplamak Projenin konusu belirlendikten sonra konuyla ilgili kitaplardan, dergilerden, internetten, kaynak kişilerden ve kurumlardan bilgi toplanmalıdır.
3. Projenin tanımlanması Projenin Amacı, Amaç, elde edilmek istenen sonucun basit anlatımıdır. Projelerin genelde tek bir amacı vardır. Projenin amacı iyi tanımlanmadığında amaca yönelik hedefler ve faaliyetleri tanımlamada sorunlarla karşılaşılabilir. Projelerde, problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması Hedefler, Hedefler, tanımlanan amaca hizmet etmelidir. Hedefler birden fazla olabilir. Ölçülebilir hedefler belirlenmelidir. b1 c1 c2 b2 c3 a1 b3 c4 0 a2 b4 c5 Hedef a3 b5 c6 b6 c7 b7 c8 b8 c9 Projelerde, problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması Yöntem Proje çalışmaları sırasında izlenecek yol, yapılacak deney ve gözlemler, veri toplama araçları, istatistiksel değerlendirmeler, grafik çizimleri ve hesaplamalar yöntemi belirleyen unsurlardır. Projelerde, problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması Uygulama adımları ve Çalışma Takvimi Proje çalışmaları sırasında gerçekleştirilecek faaliyetler adım adım tanımlanarak çalışma takvimi hazırlanmalıdır. Amaca yönelik daha yararlı ara hedeflerde esneklik olabilmelidir. Bu durum projenin yeni düşünceler doğurmasına yardımcı olur. Projelerde, problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
3. Projenin tanımlanması Beklenen Sonuçlar Her bir faaliyet için beklenen sonuçlar ortaya konulmalıdır. Projelerde, problemin tanımı, amacı, hedefleri ve faaliyetleri arasında anlamlı ilişki kurulmalıdır.
4. Projenin yürütülmesi Proje belirlenen amaç, hedefler, yöntemler, uygulama adımları ve takvim doğrultusunda yürütülür. Proje yürütümünde, proje yürütücüsü merkezi rol oynar. Yürütücü, projenin sağlıklı bir şekilde yürütülmesini ve sonuçlandırmasını iyi yönetmelidir.
5. Değerlendirme ve Rapor Yazımı Bu aşamada proje sonuçlarının ve etkisinin değerlendirmesi yapılır. Daha önce yapılan çalışmalarla karşılaştırılarak amaca ne ölçüde ulaşıldığı belirtilir. Raporda proje çalışmalarında elde edilen sonuçlar yazılır. Bulgular, yazılı ve görsel araçlarla ifade edilir. Proje sonucunda, proje amaç ve hedeflerine ulaşıldığı bilimsel olarak gösterilmelidir. Projeler sürdürülebilir olmalıdır.
6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler Verilen bilgiler öz, ancak mümkün olduğunca doğru ifade edilmelidir. Eksik ifadelerden kaynaklanan yanlış anlaşılmalar önlenmelidir. Örnek:.. UV ışınları Görünmeyen ışınlar olarak bilinir.. cümlesi nasıl anlaşılır?
6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler Varılan sonuçların çerçevesi, 1. sağlayacağı veya sağladığı yarar açısından, 2. bilimsel yapısı açısından ve 3. teknik kullanışlılık ve verimlilik açısından verilmelidir.
6. Proje sunumlarında ve raporlarında dikkat edilmesi gerekenler Yapılan çalışmalar, yalın ve mümkün olduğunca açıklayıcı olmalıdır. Çalışmaya götüren etmenler ve ön bilgiler açık ve anlaşılır, tarihsel gelişimi net ve durum değerlendirmesi olması gerekir. Çalışmanın kendisi elde edileni anlatmada en uygun dil seçilerek (pasif veya aktif cümleler) yazılmalıdır. Sonuçlar; bilimsel, teknik ve sosyal sonuçları ve yararları ile birlikte uygun bir dil, grafik, animasyon ile verilmelidir.
SPEKTROSKOPİ : Tanım Spektroskopi, elektromanyetik ışımanın ve bazı parçacıkların bir cisim (bir miktar madde) tarafından; saçılması, yansıtılması, soğrulması veya salınması ile ilgilenen fen bilimi dalıdır. Elektromanyetik ışıma: Radyo dalgaları (Gamma) ışınları Parçacıklar: Nötronlar, elektronlar, protonlar, pozitronlar,... Spektroskopi: (Latince) ruhtaki resim, ruhun resmi. Bu terimi ilk kullanan kişi: Arthur Schuster, 1882
SPEKTROSKOPİ : Tanım Türkçe sözcük önerisi: Renkserim
SPEKTROSKOPİ : Tanım Saleh B.E.A.,Teich M.C.Fundamentals of Photonics (Wiley, 2e)
SPEKTROSKOPİ : Tanım Spektroskopi sürekli gelişmekte olan bir daldır. Hem var olan tekniklerin iyileştirilmesi ve geliştirilmesi, hem de yeni yöntemlerin önerilmesi bu alanı şimdiye dek hep canlı tutmuştur. Günümüzde spektroskopi kavramı içine pek çok teknik girmesine rağmen başlangıçta sadece optik spektroskopi olarak gelişmiştir. R e n k s e r i m
SPEKTROSKOPİ : Tarihçe Spektroskopinin başlangıcı, 17. yy. da Newton un güneş ışığının çeşitli renklerden oluştuğunu gösteren meşhur prizma deneyidir. 19. yüzyılın başında görünmeyen elektromanyetik ışımanın (IR ve UV) varlığının anlaşılması ile Newton spektrumu genişlemiştir. Newton 1666 Herschel: Infrared 1800 Ritter: UV 18001 Fraunhofer 1814 Bunsen ve Kırchhoff 1859 Rayleigh 1871 Hallwachs 1887 ve Einstein 1905 Rydberg 1890 Röntgen 1895 J. J. Thomson 1897 Aston 1912 J. Franck ve G. Hertz 1914 Raman ve Smekal 1928 Townes ve Basov 1954 Maiman 1960 Turner, Terenin ve Siegbahn 1962 Herzberg 1971 Bloembergen ve Shawlow 1981
SPEKTROSKOPİ : Tarihçe
SPEKTROSKOPİ : Temel Düzenek
SPEKTROSKOPİ : Temel gösterim
SPEKTROSKOPİ : Hidrojen Atomunun Spektrum Serileri
SPEKTROSKOPİ : Kutuplanırlık spektrumu
SPEKTROSKOPİ : Molekül hareketleri
SPEKTROSKOPİ : Kütle Spektrometreleri Kütle spektrometresinde, iyonlaşma bölgesinde elde edilen hareketli iyonlar, elektrikle yüklü plakalara doğru çekilerek hızlandırılır. Kütle ayırıcısına gönderilir ve kütle ayırıcısında kütle/yük (m/z) oranlarına göre hızlıca ayrılır. İyonların çoğu tek yüklü olduğundan, oran basitçe iyonun kütlesine eşittir. Çeşitli tipte kütle spektrometreler kullanılmaktadır. Bunlar, Kuadrupol kütle spektrometre, Uçuş zamanlı kütle spektrometre Çift odaklamalı kütle spektrometredir. (http://74.125.77.132/search?q=cache:nnwybvn63l8j:w3.gazi.edu.tr/~mkaracan/enstrumental/atomik%2520kutle%2520spek troskopisi.ppt+k%c3%bctle+spektroskopisi&cd=2&hl=tr&ct=clnk&gl=tr).
SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Kütle spektroskopisi
SPEKTROSKOPİ : Manyetik Rezonans
SPEKTROSKOPİ : Manyetik Rezonans
SPEKTROSKOPİ : Nükleer Manyetik Rezonans
SPEKTROSKOPİ : Zeeman olayı
SPEKTROSKOPİ : Optik Spektroskopi OPTİK SPEKTROSKOPİ SOĞURMA YANSIMA SAÇILMA IŞIMA Molekül Soğurulması Atom Soğurulması Optik Dikroizm Döngüsel Dikroizm Rayleigh Fraunhofer Raman Floresans Fosforesans Fotoakustik Spektroskopisi Atom Emisyon Spektroskopisi Gecikmeli Ani Isıl Işımalı Kimyasal Işımalı Foto Işımalı Biyo Işımalı Tribo Işımalı Uyarı Emisyon Spektroskopisi Zaman Ayrışımlı Spektroskopi Polarizasyon Spektroskopi Enerji Aktarımlı Spektroskopi
ELEKTROMANYETİK DALGALAR Elektrik ve Manyetizma kanunları Maxwell denklemleri ile özetlenebilirler: İntegral Biçiminde: 1. s E da 1 n Q iç Gauss Kanunu 2. s B da 0 n Manyetizma için Gauss Kanunu 3. c E dl d dt s B n da Faraday İndüksiyon Kanunu 4. c Bdl I d dt s E n da Ampere Kanunu
Diferansiyel Biçimde: 1. 2. E B Q 0 E B : Elektrik alan : Manyetik alan 3. 4. B E t B E J t J : Akım yoğunluğu : Dielektrik sabiti : Manyetik geçirgenlik
Soğurma ve Dağıtkanlık yay ) ( 2 0 2 2 t E m Q x dt dx dt x d Sönümlü harmonik salınıcı t i e E t E 0 ) ( t i e x t x 0 ) ( ) ( 1 ) ( 2 2 0 t E m Q i t x ) ( ) ( ) ( ) ( t E t x Q t p Atomik polarizasyon Düşük yoğunluklar için geçerli ) ( ) ( ) ( t x Q N t r Q N t P E P 0 : karmaşık Polarizasyon tepkisi modeli Hareket denklemi
Soğurma ve Dağıtkanlık I exp( ik z) exp( z) I I 0 exp( z) Lambert- Beer - Kanunu Gelen ışık I ortam Geçen ışık I 0 I Optik yoğunluk I0 OD log I 0 z 0 0 Güçlendirici ortam Soğurucu ortam
Soğurma I exp( ik z) exp( z) I I 0 exp( z) Gelen ışık I ortam Geçen ışık Optik yoğunluk I0 OD log I I 0 I 0 z Örnek: Bir optik fiber kablosunun absopsiyon katsayısı 0,001 m -1 dir. 1 km uzunluğunda böyle bir kabloya gelen I 0 yeğinliğindeki ışığın çıkış yeğinliği ne olur? Örnek: Laboratuarlarda kullanılan bir Gri filtre (Örn. HC-3) yaklaşık olarak 1 mm -1 soğurma katsayısına sahiptir. Kalınlığı 2 mm olan böyle bir filtre üzerine düşen ışığın ne kadarını geçirir? Optik yoğunluğu ne olur?
Soğurma Bazı kavramlar Absorptans (a): Gelen ışığın ne kadarının azaldığını veren birimsiz büyüklüktür. Genelde % olarak verilir. Transmitans (T): Gelen ışığın ne kadarının ölçülen ortamdan çıktığını veren birimsiz büyüklüktür. Genelde % olarak verilir. Absorbans (A): Optik yoğunluk: Lambert-Beer yasasında verilen z büyüklüğünü veren niceliktir. Absorpsiyon katsayısı (): bririm uzunluk başına absorbans büyüklüğüdür ve cm -1 veya m -1 boyutunda verilir. Absorpsiyon etki kesiti (): Molekülllerin yada atomların soğurma özelliklerini belirlemeye yarayan büyüklüktür. Birimi cm 2 veya m 2 olarak verilir. Molar absorpsiyon katsayısı (): bir çözeltide mol başına soğurma katsayısını veren büyüklüktür. cm -1 /Mol olarak verilir.
Soğurma I I 0 e z Soğurma yapan kuantum mekaniksel sistem: Atom/iyon, Molekül Bir madde ortamında bir soğurma frekansı için ölçülen soğurma o ortamda bulunan soğurma yapabilecek atomların yada moleküllerin soğurmalarının toplamıdır. E u N ( ) ( ) ( N N) () Geçiş tesir kesiti: ) f ( ) ( s H i E t N E u h E t
Soğurma İki seviyeye sahip bir atomsal dizge için ideal soğurma E u h E t Bir atomsal sistemin doğal genişlemesi: Lorentz fonksiyonu biçimi (homojen) g( ) ( / 2 2 2 0 ) ( / 2) Bir atomsal sistemin doğal genişlemesi: Gauss fonksiyonu biçimi 2 ln 2 0 g( ) exp ln / 2 2 An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, J. Garc ıa Sol e, L.E. Baus a and D. Jaque, Wiley, 2005
Geçiş Çizgilerinin Genişlemesi Frekansta belirsizlik, enerjide belirsizlik doğurur. Bir frekansa bağlı (spektral) çizgi genel olarak g( ) ile verilir 0 g( ) d 1 g( g 0 ) max 0 : Rezonans frekansı Çizgi genişlemesine neden olan pek çok etken vardır: A) Homojen genişleme Doğal genişleme Basınçtan dolayı genişleme Enerji yutan (elastik olmayan) çarpışmalar Doppler olayından dolayı genişleme Elastik çarpışmalar B) Homojen olmayan genişleme
Soğurma Spektrumu alma düzeneği An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, J. Garc ıa Sol e, L.E. Baus a and D. Jaque, Wiley, 2005
Lazer: Madde ve ışık etkileşiminin bir sonucu Işık Madde Işık Zorlamalı salınım Lazer Lazer türleri Lazer ışığının özellikleri Lazerlerin uygulamaları Lazer ışığının tehlikeleri ve korunma
Işık Madde Işık Zorlamalı ışık salması, h =E yada h >E E h + ters dolum (örn. Bir rezonatörde) E h 1,2,..
Zorlamalı ışık salması (emisyon) Atomlar kendiliğinde soğurma yapamazlar. Uyarılmış bir durumda bulunan atomlar kendiliğinden ışık salabilirler. Işık alanı + Temel durum (temel enerji seviyesi) Soğurma: uyarılmış durum (uyarılmış enerji seviyesi). I2 Uyarılmış durum Temel durum (: Emission) uyarılmış durum + ışık alanı temel durum (:Emission) h h h 2h I1 Soğurma (Absorpsiyon) kendiliğinden zorlamalı Işık salması (Emisyon) Einstein-Katsayıları: B 12 A 21 B 21 http://www.physics.otago.ac.nz/physics100/simulations/gamelan/java/laser/index.html
Lazer Lazer Işığı S1 S2 E L Rezonator uzunluğu x L c L=10 cm, R=95% için 0,1m 10 3,344 10 s 0,33ns 8 2,99 10 m / s L 0,33ns t 6, 6ns 0 c (1 R) (1 0,95)
Lazer E 2 E E 1 W N 2 N 1 Lazer içindeki foton sayısı hesap eşitlikleri İlk başta lazer eylemini gerçekleştiren fotonlar (rezonatör ekseni boyunca) dikkate alınırsa dn dt N Wn 1 zorlamalı Emisyon N 2 Wn W N 2 Kayıplar n t 0 Soğurma kendiliğinden Emisyon E 2 E E 1 N W : kendiliğinden 2 W : zorlamalı N 1 n : Dikkate alınan foton sayısı W: Geçiş olasılığı N 1 : Temel durumda bulunan atomların sayısı N 2 : Uyarılmış durumda bulunan atomların sayısı t 0 : Lazer içerisinde bulunan bir fotonun yaşam süresi
Lazer W V 1 D( ) D()d : +d frekans aralığının birim hacminde bulunan olası duran dalgalar V: Lazer ortamının hacmi : Uyarılmış seviyenin yaşam süresi 2 D( ) 8 3 c Örnek Hesaplama: yakut lazeri için verilen şu verilere göre W yi hesaplayınız V= 62,8 cm 3, = 4,32 10 14 Hz, =2,49 10 11 Hz W = 1,224 10-12 s -1 c= 2,9979 10 10 cm/s, = 3,0 ms Haken Kendiliğinden salınımın lazer olayına katkısı yok. Lazer şartı için n den bağımsız olan W N 2 terimi ihmal edilebilir. Bir sistemin lazer etkinliği gösterebilmesi için fotonların üretilme debisi 0 dan büyük olmalıdır: dn dt W n ( N 2 N 1) n t 0 0 n 0 şartı ise şunu verir:
Lazer şartı N 2 N 1 8 V 2 3 c t 0 t 0 L (1 R) c Lazer içerisindeki fotonların yaşam süresi t 0 mümkün olduğunca uzun olmalı Lazer ortamının hacminin mümkün olduğunca küçük olması gerekir. Emisyonun yaşam süresi mümkün olduğunca kısa olmalı Mümkün olduğunca yüksek enerji seviyelerin büyük dolum imkanı N 2 -N 1 Frekans de mümkün olduğunca küçük olmalı. Yapı ile ilgili kriterler Lazer malzemesi ile ilgili kriterler Bunlara ek olarak daha başka faktörler de bir lazerin yapılmasında rol oynarlar. örneğin.: pompa kaynağı, güç kaynağı, boyutlar Hesaplama örneği: Farklı rezonatör uzunlukları ve yansıma yeğinlikleri için t 0 ın hesaplanması L = 1cm L = 10 cm L = 100 cm R = 99%, 3,336 10-9 s, 3,336 10-8 s, 3,336 10-7 s, R = 90%, 3,336 10-10 s, 3,336 10-9 s, 3,336 10-8 s, R = 10%. 3,706 10-11 s, 3,706 6 10-10 s, 3,706 10-9 s, Haken / Wolf
Lazer tarihinden bazı önemli gelişmeler 1917 Einstein in zorlamalı emisyonu teorik olarak açıklaması. 1928 R Ladenberg et al. Gas deşarjında zorlamalı salınımın deneysel gözlemlenmesi 1951 Maserin C.H. Townes tarafından geliştirilmesi Maser lazer ile aynı temel düşünceye dayanıyor; ancak sadece mikrodalga bölgesinde çalışıyor. 1958 C.H. Townesand A.L. Schawlow tarafından maser prensibinin optik frekanslarada uygulanabilirliğinin önerilmesi. 1960 T.H. Maimanat Hughes Laboratuvarda atmalı yakut lazeri gerçekleştirdiklerini bildirdiler. 1961 İlk sürekli dalga lazeri rapor edildi (Helium Neon lazeri). 1962 İlk yarı iletken lazeri (R Hall) 1964 Nicolay Basov, Charlie Townesand A leksandrprokhorovget Lazer ve maser prensibini açıkladıkları için Nobel Ödülü aldılar. 1976 J M J Madey et al. Serbest Elektron lazeri 1981 Art Schalowand Nicolaas Bloembergenget lazer spektroskopisini gelişimine katkılarından dolayı Nobel ödülü aldılar 1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ve William D. Phillips atomları lazer ile soğutup tuzaklama yöntemini geliştirdikleri için Nobel Ödülü aldılar.
Lazer türleri, enerji şemasına göre İki seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi 2 Pompa Lazer geçişi 1
Lazer türleri, enerji şemasına göre İki seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi 3 2 Işımasız geçiş Pompe Lazer geçişi 1
Lazer türleri, enerji şemasına göre İki seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi 2 1 Lazer geçişi Pompa Işımasız geçiş 0
Lazer türleri, enerji şemasına göre İki seviyeli lazer sistemi Üç seviyeli lazer sistemi 3 Işımasız geçiş Üç seviyeli lazer sistemi 2 1 0 Pompa Lazer geçişi Işımasız geçiş
Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam) Atomlardaki elektronik geçişleri Katıhal lazerleri (z.b. Rubin,Nd-YAG, ) Gaz lazerleri (z.b.argon-ion, Krypton, He-Ne,...) 4 F 1 4 F 2 2 E 4 A 2
Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam) Moleküllerdeki elektronik geçişler Excimer Lazer (HeN, XeBr, XeCl, ) Kimyasal Lazer (F+H 2 HF * +H, etc.) Renk malzemesi lazerleri (z.b. Rodamin 6G, Stilbene, Pyridin,...)
Lazer türleri, lazer malzemesine göre (aktif ortam) Auf molekularen Schwingungen beruhende Laser ( Örneğin CO 2 ) Yarı iletkenlerdeki elektronik geçişler Serbest elektron lazerleri Röntgen lazeri
Lazer ışığı özellikleri Tek renklilik (monokromatiklik) (zamansal Koherentlil), l =c t =c/ Işın özelliği (uzaysal Koherentlik) yüksek yeğinlik çok kısa salmalar (pulslar) üretebilme imkanı
Lazer uygulamaları (Malzeme işleme) Kesme Yüzey işleme Kaynak yapma yazma / işaretleme
Lazer uygulamaları (Malzeme işleme / otomasyon) Robotların konumlarının kontrolü Paslanmış bir metal milin kontrolü Bir aralıktan açılma alanının ölçülmesi Parlak yüzeylerde bile kararlı ölçüm Bir iş makinasındaki titreşimleri ölçme Hareketli ölçüm cisimlerinde kısa ölçüm süresi
Lazer uygulamaları (Günlük hayatta)
Lazer uygulamaları (Tıpta)
1) Deri ve plastik cerrahi 2) Göz 3) Sindirim sistemi 4) Kadın hastalıkları 5) Üroloji 6) Kardiyoloji 7) Diş hekimliği 8) Beyin cerrahisi 9) K.B.B. 10)Ortopedi. Lazer uygulamaları (Tıpta)
Lazer uygulamaları (çekirdek birleşimi girişimleri)
Lazer ışığının tehlikeleri ve korunma
İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması Sınıf 1 Sözkonusu lazer ışığı yeğinliği öngörülebilen şartların altında. Zararsızdır. Sınıf 1M Sözkonusu lazer ışığı 302,5 nm - 4 000 nm spektral aralığındadır. Lazer ışığı eğer başka optik araçlar (mercek, teleskop, büyüteç) aracılığı ile sahip olduğuğu genişlikten daha fazla daraltılmazsa göz için zararsızdır. Sınıf 2 Sözkonusu lazer ışığı 400 nm ile 700 nm spektral bölgesindedir. Kısa süreli etki için ( 0,25s) göze zararlı değil. Bu dalgaboyu dışındaki ek ışık kısımları 1. sınıf şartlarındadır.
İnsan vücuduna etkkileri açısından lazerlerin sınıflandırılması Sınıf 3A Sözkonusu lazer ışını optik araçlarla (büyüteç mercek, teleskop) daraltıldığında göz için tehlikelidir. Eğer optik araçlarla ışın genişliği daraltılmazsa göz için tehlikeli değildir! Herhangi bir optik araç ile ışın daraltılması yoksa görünür bölge için ( 400 nm - 700 nm) kısa süreli etkilerde ( 0,25s), ve diğer spektral bölgeler için daha uzun etkiler için de tehlikeli değildir. Sınıf 3B Sözkonusu lazer ışını göz için ve genellikle deri için de tehlikelidir. Doğrudan 3B sınıfı lazer ışığına bakmak tehlikelidir. Ancak bir dağıtıcı bir yansıtıcıdan en az 13 cm uzakta ve 10s den daha kısa bir süre bakılması ve eğer aynı zamanda hiç bir doğrultulmuş ışın kısmı olmaması durumundan ışına bakılabilinir Sınıf 4 Sözkonusu lazer ışını göz için çok tehlikeli ve deri için tehlikelidir. Dağıtkan olarak saçılan ışık da tehlikelidir. Bu tür lazerlerin ışıkları yangın ve patlama nedeni olabilirler.
Lazeler ve Işın yolları için kurallar Lazer bölgelerinin genellik sözkonusu tüm odanın (Laboratuarın) lazer ışınları için işaretlenmeli, lazerlelrin çalışması durumunda laboratuara girişler sınırlandırılmalıdır. Laboratuarda hemen ulaşılabilir yerlerde acil durum anahtarları olmalıdır. Işın yolları genellikle göz hizasında olmamalıdır! (oturma durumu da dikkate alınmalı) Mümkün olduğunca ışın yollar saydam olmayan borularla çevrelenmelidir. Optik araçların yerleştirilmesinde olası yansımalar dikkate alınmalı düşük yeğinlikli lazer ışını ile test ilgili düzenek (deney düzeneği ) test edilmelidir. Dağınık yansımalar dahi bazen yüksek doğrultulu ışınlara sahip olabilir ve 4. sınıf lazerleri durumunda zaralı olabilirler. Optik araçların kullanılmayan kısımları siyahlaştırılmalıdır. Optik araçlar serbest şekilde (tutucusuz ve kapaksız) hiç bir zaman ışın yollarında bırakılmamalıdır. Işın yakalayıcı ve perdelemeler kullanılmalıdır. Ustaca seçimlerle ışın yolu takip edilebilir durumda ve güvenli olacaktır. Yeni çalışmaya başlayanlar tecrübeli çalışanlar tarafından bilgilendirilmelidir. Aynı şekilde misafirler tehlikeler hakkında bilgilendirilmelidir.
Araştırma laboratuarlarında dikkat edilmesi gerekenler Herkes kendi bölgesindeki güvenlikten sorumludur. Her eylem öncesinden etkileri hakkında iyice düşünülmelidir! Lazerlerden korunma ve ayar gözlükleri kullanılmalıdır. Ortamın aydınlatılması yapılmalıdır. Laboratuar içinde Yollar serbest bırakılmalı ve çalışma yerleri her zaman toplanmış bırakılmalıdır. Optik araçlar yerleştirilir veya düzeneklerden kaldırılırken önceseinde lazer ışığı boloke edilmelidir. Eğer birden fazla kişi aynı deney düzeneğinde çalışıyorsa lazer ışını uyarıdan sonra serbest bırakılmalıdır! Eğilme durumunda gözler kapatılmalıdır ve ışık kaynağına bakılmayacak şekilde yüz çevrilmelidir.. Saatler, takılar ve kemer başlıkları yansımlara yansımalara neden olurlar Bakım ve onarım araçları kullanılırken dikkat edilmelidir. Onlardan da yansımalar olabilir.