Klonlanmış Işık: Lazer
Genellikle aydınlatma amacıyla yararlanılan ışığın teknolojide kullanılması ise lazerlerin keşfi ile mümkün oldu. Lazer uyumluluk, tek renklilik, yön ve kutupluluk gibi ışığa özgü özellikleri bir arada barındıran özel bir ışıktır ve sıradan ışıktan farklıdır. Bu özelliklere sahip ışık doğada kendiliğinden bulunmaz, sadece lazerlerle üretilebilir.
Lazer ışığı üretmenin yolu fotonları (ışığın içindeki en küçük enerji paketleri) klonlamaktan geçer. Bu yöntemin kuramsal temellerini 1917 yılında Albert Einstein atmış olsa da ilk lazer ışığı 1960 yılında üretilebildi. Günümüzde ise güçlü, ucuz ve verimli lazerler üretilebiliyor.
Peki, lazer ışığının normal ışıktan farkı ve bu ışığı özel yapan şey nedir? Neden doğada lazer ışığı kendiliğinden bulunmaz?
Lazer ışığının özelliklerini ve nasıl elde edildiğini anlamak için öncelikle sıradan ışığın nasıl oluştuğuna bakalım. Etrafımızda gördüğümüz ışığın (ateş, ampul, floresan lamba ve LED ışığı) neredeyse tamamı, yüksek enerji seviyesindeki (E2) elektronların düşük enerji (E1) seviyesine geçerken fazla enerjilerini (E2-E1) ışık olarak yayması sonucu oluşur. Elektronların yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçişi “kendiliğinden” ve “gelişigüzel” olduğu için aynı geçişi yapan her bir elektronun yaydığı ışık, diğer elektronların yaydığı ışıkla uyumlu olmadığı gibi yönleri de farklı ve gelişigüzeldir.
Elektronlardan oluşan böyle bir sisteme dışarıdan ışık gönderilirse, fotonlar enerjilerini düşük enerji seviyesindeki elektronlara aktararak elektronları yüksek enerji seviyesine çıkarır. Bunun sonucunda da ışık “soğurulur” ve fotonlar yok olur. Bu süreç ancak fotonların enerjisi, elektronların bulunduğu enerji seviyeleri arasındaki farka (E2-E1) eşitse gerçekleşebilir.
Peki, bir elektron yüksek enerji seviyesindeyse (E2) ve E2-E1 enerjisine sahip bir fotonla etkileşirse ne olur? Lazerler ile ilgili anahtar soru budur. Bu sorunun cevabı ise Einstein’e kadar bilinmiyordu. Einstein, 1917 yılında kuantum fiziğini kullanarak bu durumla ilgili hesaplar yaptı ve elde ettiği sonuçlarla lazer ışığının nasıl elde edilebileceğinin kuramsal temellerini attı.
Einstein, elektronların yüksek enerji seviyesinde bulunduğu bir sisteme dışarıdan ışık gönderilirse ışığın elektronları düşük enerji seviyesine inmeye zorlayacağını, bu geçişin sonucunda da yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine inen elektronların yayacağı ışığın elektronları aşağı inmeye zorlayan ışık ile aynı özelliklere sahip olacağını ispatladı. Bu mekanizma, soğurma sürecinin tersi olup “uyarılmış geçiş” olarak adlandırılır. Yani uyarılmış geçişte ışık soğurulmadığı gibi tam tersine kendini klonlayarak güçlenmiş olarak dışarı çıkar.
Bir sistemde bu üç mekanizmanın hepsinin gerçekleşme olasılığı vardır. Yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine dışarıdan bir etki olmadan kendiliğinden geçiş yapan elektronlar normal ışık yayarken, yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine uyarılarak geçiş yapan elektronların yaydığı ışık gelen ışıkla uyumludur. Yani frekansı, yönü ve doğrultusu aynıdır. Dolayısıyla klonlanmış ışık olarak tanımlanabilir.
Burada küçük bir sorun var! Normal koşullarda elektronlar genellikle yüksek enerji seviyelerinde değil düşük enerji seviyelerinde olmayı tercih eder. Elektronları üst seviyeye çıkarmak için sisteme dışarıdan enerji vermek gerekir. Lazer ışığı üretmek içinse yüksek enerji seviyesindeki elektronların sayısını düşük seviyedeki elektronların sayısının üzerine çıkarmak gerekir. Bu işleme yani dışarıdan enerji vererek yüksek enerji seviyesindeki elektron sayısını artırmaya pompalama denir. Bu, lazer ışığı oluşturmak için gerekli iki koşuldan biridir. Diğeri ise şimdi anlatacağımız optik oyuk yöntemidir.
Lazerler, yüksek enerji seviyedeki elektronların kendiliğinden geçişle normal ışık üretmesini ve düşük enerji seviyesindeki elektronların ışığı soğurarak daha yüksek enerji seviyelerine çıkmasını zorlaştırarak, uyarılmış geçişteki elektron sayısının fazla olmasını sağlayan düzeneklerdir. Elektronların yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine normal ışık yayarak kendiliğinden geçmesi ve ışığı soğurarak düşük enerji seviyesinden yüksek enerji seviyesine uyarılması lazerler için istenmeyen durumlardır. Uyarılmış geçişin tek başına olması da lazer elde etmek için yeterli değildir. Çünkü bu mekanizma ile uyumlu ışık oluşturulabilir ama oluşan ışık yeterince güçlü olmayacaktır. Uyarılmış geçişte ışığın kendini daha çok klonlayarak güçlendirmesini sağlamak amacıyla optik oyuk olarak adlandırılan düzenekler kullanılır.
İki ayna arasına yerleştirilmiş oyuk şeklindeki bu sistemde elektronlar dışarıdan verilen enerji ile yüksek enerji seviyesinde tutularak lazer ışığı elde edilir. Elektronları yüksek enerji seviyesine çıkarmak için dışarıdan sisteme sürekli enerji vermek yani pompalama yapmak gerekir. Yüksek enerji seviyesindeki elektronlar, aynalar arasında yansıyan ışıkla her etkileştiğinde uyarılmış geçiş gerçekleşir ve ışık daha da güçlenir. İki ayna arasında sürekli gidip gelerek belirli bir eşik şiddete ulaşan ışık arka aynaya göre yansıtıcılığı biraz daha az olan ön aynadan dışarıya sızar. Sızan bu ışık lazer ışığıdır. Lazerden lazere ufak farklılıklar gösterse de neredeyse bütün lazerlerin çalışma ilkesi bu şekildedir.
Günümüzde, boyutları gözle görülmeyecek kadar küçük olanlardan bir masayı kaplayacak boyutlarda olanlara kadar çeşitli türde lazerler var. Lazerler, ışığın üretildiği ortama (katı, gaz, yarı iletken lazerler), ışığın lazerden nasıl çıktığına (kenar veya yüzey ışımalı), çıkan ışığın sürekli veya kesikli oluşuna (sürekli veya atımlı lazerler) göre farklı şekillerde adlandırılırlar.
Veri iletiminden eğlence sektörüne, ameliyat neşterinden nükleer başlıklı füzeleri yok edebilecek güçte lazer silahlara kadar lazerlerden çeşitli amaçlar için faydalanılıyor.
Lazerler, kullanışlı aletlere bürünerek her geçen gün hayatımızda daha fazla yer ediniyor ve bilimsel araştırmalarda daha fazla kullanılıyor. Lazerlerin gelecekte özellikle kuantum bilgisayarlarının önemli bir parçası olacağı öngörülüyor.