Yaşamımızda çoktan önemli bir yere sahip oldu bile. Hassas ışınlar, süper marketlerde ürün fiyatlarını, CD’lerden müziği, DVD’lerden de filmleri okuyor. Araştırmacılar, bugüne kadar ulaşılamayan hassaslık, hız ve güçte yeni lazer türleri geliştiriyorlar.
Başka hiçbir buluş, bu harika ışın kadar çok yönlü değil. Lazer ışınları yazabiliyor, okuyabiliyor, ölçebiliyor, kesebiliyor, hatta tedavi edebiliyor. Harika ışın, hem otomobil sacına hem de hassas insan damarlarına aynı mükemmellikte kaynak yapabiliyor. En sert elmaslara hassas delikler açabiliyor; kimliklere, kredi kartlarına üç boyutlu (hologramlar) görüntüler, gökyüzüne de renkli resimler çizebiliyor.
O kadar büyük bir güç üretiyor ki, ışığı Ay’a kadar ulaşabiliyor. O kadar hassas ki, göz ameliyatlarında kullanılıyor. Lazer ışınları, artık dijital verileri havada ışık hızıyla (yaklaşık 178.000 daktilo sayfası veriyi 1 saniyede) bir yerden bir yere aktarıyor. Bu optik serbest alan aktarımında, ışınlar, veriyi gönderen ve alan kişilerin evlerinin çatısında bulunan özel aynalarla yönlendiriliyor.
Gerçi yöntem en çok 4 kilometrelik bir alanda uygulanabiliyor. Ama bu uzaklık, şubeleri birbirine yakın üniversiteler ya da şirketlerin iç bünyelerinde iletişim kurabilmeleri için yeterli.
Lazer harikasının marifetlerini anlatan liste bitmek bilmiyor. Bilim adamları bu hassas ışınlarla, atomları her yönüyle araştırabilmek için, şimdiye kadar mümkün olmayanı başarıp, en küçük parçaların dünyasına girmeyi hedefliyorlar.
Kalın lazer ışınlarıyla da uzun süredir beklenen nükleer füzyon enerjisini kazanabilmek amacıyla, Güneş’i yeryüzünde taklit etmek istiyorlar. Amerikalı Theodore Maiman, 1960’ta dünyanın ilk lazerini yaparken, buluşunun bütün dünyada böyle bir başarıya ulaşacağını herhalde tahmin etmemişti. O günden bu yana, dünyanın her yerinden uzmanlar, lazerin sürekli yeni kullanım alanlarını keşfettiler. Ancak ister süper marketlerin kasalarındaki küçük lazer tarayıcılar, ister nükleer füzyon amacıyla kullanılan dev lazer silahlarında, hep aynı ilke işliyor: Lazer ışını, atomların ışık yaymaya başlayıncaya kadar enerjiyle pompalanması sonucu ortaya çıkıyor. Bu ışık, daha sonra ayna hileleriyle iyice güçlendiriliyor.
Enerjinin atoma hangi şekilde pompalanacağı, lazerde kullanılan malzemeye bağlı. Yakut lazer, ksenon (xenon) lambası; neodiyum YAG lazer ise flaş lambası ya da diod lazerle pompalanıyor. Gaz lazerler de daha çok hızlandırılmış elektronlarla bombardıman yoluyla pompalanıyor. Lazer malzemesi, ayrıca lazer ışının dalga boyunu da belirliyor. Örneğin, kırmızı yakut lazeri kırmızı lazer ışını üretiyor. Değerli bir gaz olan argon ile çalışan lazerler, insan gözünün göremeyeceği morötesi ya da kızılötesi ışınlar üretiyorlar.
Bir atom, alabileceği enerjiyle tamamen pompalanınca bünyesine daha fazla enerji alamaz. Böyle bir atom kendi uyarılmış enerjisine eşit enerjide bir ışık dalgasıyla çarpışınca, zorunlu olarak enerjisini ışık dalgası olarak verir ve çarpıştığı dalga ile aynı frekans ve fazda iki ışık dalgası yayınlanır. Çarpışmaların sayısını yükseltebilmek için, yani daha çok ışık kazanabilmek için, lazerin karşılıklı iki kenarına paralel iki ayna yerleştiriliyor: Bu aynalardan birine rastlantısal olarak dik bir açıyla çarpan ışık dalgası, karşıdaki aynaya yansıtılıyor ve ardından sürekli iki ayna arasında gidip geliyor, dışarıya çıkamıyor. Işık parçacıkları, lazerin yapımında kullanılan malzemenin içinden geçerken, yolunun üzerinde enerji pompalanmış diğer atomlarla karşılaşıyorlar ve onları da, depolamış oldukları enerjiyi ışık olarak açığa çıkarmaları için zorluyorlar.
Böylece “parlayan” (ışıldayan) atomların sayısı ve bununla birlikte ışığın miktarı sürekli artıyor. Lazere ismini de bu süreç vermiş: Çünkü “lazer”, İngilizce “light amplication by stimulated emission of radiation” tanımlamasının, yani “uyartılmış salma ile ışığın güçlendirilmesi” tanımlamasının kısaltılmış halidir.
Ancak, iki ayna arasında tutsak olduğu sürece giderek yoğunlaşan ışınla bir şey yapmak mümkün değil. O nedenle, bu iki yansıtıcılardan biri yarı geçirgen özelliğe sahip: Işığın bir bölümü onun aracılığıyla dışarıya çıkıyor (lazer ışığı). Bu ışına “bağdaşık” (eş evreli) adı veriliyor: Işık dalgalarının tamamı, aynı renkte ve bütün ışık parçacıkları aynı ritim ile (aynı fazda) salınıyorlar.
Ayrıca, ışını oluşturan dalgalar tamamen birbirine paralel ilerliyor. Bir el feneri ve bir “laserpointer” ile bir duvar aydınlatılıp sonra yavaş yavaş arkaya doğru gidildiğinde, lazer ışınının normal ışıktan farkı kolayca seçilebiliyor. El fenerinin duvarda bıraktığı ışık lekesi, duvardan uzaklaştıkça büyüyor, lazerin aydınlattığı nokta ise hep aynı büyüklükte kalıyor. Lazer ışığı dağılmadığı için çok hassas işlemlerde rahatlıkla kullanılabiliyor. Cerrahlar, onunla beyin ameliyatlarında küçücük hücreleri dokulardan ayırabiliyor.
Geleceğin lazerli çim biçme makinesi “Zero”, çimleri milimetrik olarak eşit boylarda kesebiliyor.
Lazer ışınları istenilen dalga boyunda üretilebiliyor. Bunun için, doğru lazer malzemesini seçmek yeterli. Lazerin bu özelliği, kimya alanında bir devrime neden oldu. Birçok kimyasal tepkime, ortama, ancak enerji dahil edildiğinde harekete geçiyor. Tepkimenin gerçekleşmesi için, genellikle biraz ısıtmak yeterli oluyor. Ama, özellikle organik kimya alanında görülen bazı hassas tepkimeler için bu yeterli değil. Çünkü bazı moleküller, enerji sadece belirli dozlarda uygulandığında diğer moleküllerle özel bağlar oluşturuyorlar ve böyle bir enerji dozunu sadece lazer mümkün kılıyor.
Araştırmacılar, bu yöntemle lazer yardımıyla vinilklorit (günlük hayatta sıkça kullanılan polivinilkloridin -PVC- ana maddesi) üretmeye başladılar. Bunun için bilim adamları, içi dikloretilen gazıyla dolu bir tepkime hücresine morötesi lazer ışınları gönderiyorlar. Vinilkloridin oluşabilmesi için, tepkimeye belirli aralarla, belirli dozlarda enerji uygulamak gerekiyor. Bu da sadece lazerle yapılabiliyor. Şimdiye kadar bu maddenin endüstriyel olarak üretimi oldukça karmaşıktı: Gaz, 500 santigrat dereceye kadar ısıtılmak zorundaydı, tepkimenin gerçekleşebilmesi için, ayrıca bir de yardımcı maddeye (katalizatör) ihtiyaç duyuluyordu. Lazer yöntemi, daha 300 santigrat derecede işlemeye başlıyor ve bir katalizatöre de gerek kalmıyor. Bu yöntemin sunduğu en büyük avantaj, üretimde sağlanan yüzde 20 oranında artış.
Araştırmacılar lazer ışınını sadece istenilen dalga boyunda üretmekle kalmıyorlar, lazer ışınlarını ultra kısa atımlara (puls) da dönüştürebiliyorlar. Bu yolla çok büyük enerji açığa çıkarılıyor. Hedefe ulaşabilmek için, kesintisiz lazer ışını üreten yakuttan başka bir malzeme kullanmak gerekiyor. Atımlı (pulslu) lazer ışınları, kromkolkuirit (Chrom-Colquiriit) kristali, neodmiyum-YAG (neodiyum içine yitrium alüminyum garnet yani YAG katkılanmıştır) ya da bir titan-safir kristali içinde oluşuyor. Bu malzemelerin inanılmaz bir özelliği var: İçlerinde bulunan küçücük boşluklarda ışık o kadar hızlı yansıyor ki, bütün farklı frekanslar kısacık bir an için senkronize oluyorlar.
Bağdaşık ışıktan yıldırım hızıyla bir atım ortaya çıkıyor. Bu atımlar, birkaç femtosaniye aralarla birbirlerini izliyorlar. Bir femtosaniyenin ne kadar sürdüğü rakamlarla ifade edilebiliyor (10 üzeri 15 saniye), ancak hayal edilmesi mümkün değil. Bir femtosaniyenin bir saniyeye oranı, saniyenin 32 milyon yıla oranıyla kıyaslanabilir.
Kısa ışık flaşlarında çok büyük enerji gizli. Atımların verimi tek başına sınırlı olsa da, tek tek enerjilerin toplanmasıyla bir güç paketi ortaya çıkıyor. Her bir atım 3 mikrojul enerjiye (bu, bir su damlasını bir santigrat derecenin milyonda biri kadar ısıtmaya bile yeterli değil) sahip olmasına karşın, lazer ışık atımları, atım boyunca (örneğin 100 femtosaniye) 30 megavat enerji sunuyor.
1960’lı yıllardan bu yana, ultra kısa atımlı lazerler hızlı bir gelişim gösterdi. Günümüzde, atımlar iyice kısaldı ve yeni kuşak çok yönlü kompakt ultra kısa atımlı lazerler ortaya çıktı. Oda büyüklüğünde, güvenli olmayan ve enerjiye doymak bilmeyen orijinalleriyle karşılaştırıldığı zaman, gerçek bir devrim…
Günümüzün atımlı lazerleri çok farklı kullanım amaçlarına hizmet ediyor ve çok hassas işliyor. Işınlar, kısa dalgalı röntgen ışınından, uzun dalgalı kızılötesi ışınlara kadar elektromanyetik tayfın bütün alanına dağılmış durumda. Üstelik, birkaç petavat’lık (milyarlarca megavat ya da rakamlarla ifade edilirse 10 üzeri 15 vat) inanılmaz bir güce ulaşıyor.
Ortaya çıkan güç, çok hassas bir şekilde bir noktaya odaklandığı zaman, atımlı lazerler mikro hassaslıktaki kaynak, kesim ve delme işlemleri için ideal bir verim sunuyor. Bir dakikadan daha kısa bir süre içinde otomobil kasasına 100 noktada kaynak yapabiliyor. Bu, şimdiye kadar kullanılan elektro kaynak yöntemine oranla on kat daha hızlı ve hassas. Özellikle uçak yapımında yüksek oranda hassaslık gerektiği için, giderek perçinlerin yerini alıyor. Bu yolla, Airbus A318 ya da süper Airbus A380’de ortalama olarak yüzde 10 oranında ağırlıktan ve yüzde 20 oranında işçilik ücretinden tasarruf edilebiliyor.
Atımlı lazerin, sahip olduğu yüksek enerjiyle üzerinde çalışılan malzemeyi yakabileceği düşünülse de, kesinlikle böyle değil. Atımlar enerjiyi yanma noktasına o kadar çabuk ulaştırıyorlar ki, sıcaklık, ışının gönderilmediği alanlara yayılma fırsatı bile bulamıyor. Bu nedenle, patlayıcı özelliği yüksek maddeler de atımlı lazerler ile kesiliyor. Kesme noktasındaki malzeme, geri kalan bölümde patlama meydana gelmeden buharlaşıyor.
Enerji bu kadar yüksek düzeyde demetlenebildiği için, ultra kısa atımlı lazerler cerrahlar için de büyük nimet. Onunla tıkanmış damarları açabiliyor, en ince damarları hiç bozmadan kesebiliyorlar. Bütün bu işlemleri gerçekleştirirken, çevredeki doku kesinlikle zedelenmiyor. Bu özelliği lazeri, göz alanında “bir numaralı” tedavi yöntemi haline getirdi. Retina yırtıklarının onarımında kullanılıyor. Miyopluğun tedavisinde atımlı ışınlar, kornea tabakasının belirli bir katmanına odaklanıyor. Işın, kornea tabakasının bu katmanında yan yana çok sayıda küçük delikler oluşturuyor. Sonunda kornea tabakasının en üst katmanı açılarak kenara katlanıyor. Altında duran ve biraz önce buharlaştırılan tabakada, geriye kalan artıklar lazerle iyice temizleniyor. Sonra, tamamen sağlıklı olan en üst kat yeniden yerine yerleştiriliyor. Bu düzleştirme işlemiyle miyopluk tedavi edilmiş oluyor.
Avrupa’daki en etkili lazer İngiltere’nin Manchester kentinde
Atımlı lazer, özellikle fizik bilimi için mucize bir silah niteliğinde. Lazer aracılığıyla, birkaç yüz femtosaniye süren atomlar arası elektron alışverişi bile araştırılabiliyor. Bunun için atomlar tek tek izole ediliyor ve bir iyon tuzağına hapsediliyor. Bu tuzak, tek iyonları, yani yüklü atomları uzun süre içinde tutuyor. İyonlar daha sonra lazer ışığıyla ışıtılıyor.
Varsayalım ki, lazer ışını salınan iyonlara sol taraftan yansıtıldı; sola doğru salınan iyonlar, atımlı lazer ışınına yöneleceklerdir. Bu sırada, akustikten de tanıdığımız rezonans oluşuyor. Araştırmacılar, bu rezonans enerjisini hassas ölçme cihazlarıyla, aynı bir kamerayla izliyormuş gibi kaydediyorlar. Ne kadar çok rezonans oluşturulursa, kaydedilen görüntü de o kadar netleşiyor. Bu arada elde edilen bilgiler, bilgisayar ve telekomünikasyon alanında süper hızlı sinyal aktarımı sağlayan hassas optoelektronik cihazların yapımı için kullanılıyor.
Bütün araştırmalar sırasında bilim adamları, attosaniyelik (femtosaniyenin binde biri) atımlara sahip lazerleri geliştirmeye başladılar. Bu lazerlerle çok hızlı işleyen kimyasal tepkimeler, hücresel boyutta ve adım adım incelenebiliyor. Araştırmanın amacı, hastalığa neden olan moleküllerin yapısını çözümleyebilmek ve bu bilgi ışığında hedefe yönelik özel ilaçlar geliştirmek…
Bir gün, lazer atımlarıyla küçük DNA’lar kesilebilecek ve parçalar, molekül tasarımcılığının yardımıyla bir araya getirilip yepyeni bir başka gene dönüştürülebilecek. Noktasal çalışabilen lazerle hücre çekirdeğine girip, orada cerrahi bir operasyon yapmak da mümkün.
Atımlı lazerler, sadece hayat kurtarmak amacıyla kullanılmıyor; sahip olduğu enerji, onu tehlikeli bir silaha da dönüştürebiliyor. Amerikan ordusu 2001 yılının başında bir lazer silahını uydulara karşı başarıyla kullandı. Uydunun elektronik sistemi tamamen tahrip edildi. Ancak, bu deneyim sırasında askeri strateji uzmanları, kendi silahlarına karşı dikkatli olmak zorunda olduklarını öğrendiler. Işık atımı, hedefini ya da başka bir cismi vurduğu zaman, nereye gideceği belli olmayan yansımalara neden oluyordu. Işınlar, hâlâ diğer uyduların -ki bu kendi uyduları da olabilir- optik alıcılarına zarar verecek kadar yeterli enerji içeriyorlardı. Bu tehlikenin önüne nasıl geçilebileceği henüz bilinmiyor, ama düşman uyduları ya da roketleri vurmayı hedefleyen lazer silahlarının 2007 yılında kullanıma hazır olması amaçlanıyor.
Bir yıl sonra da, daha barışçıl ve aynı zamanda da bütün zamanların en heyecan verici lazer projesi gerçekleştirilecek: Güneş’in simülasyonu… Güneş’in içinde hidrojen çekirdekleri birbiriyle kaynaşarak helyuma dönüşüyor. Bu çekirdek kaynaşması sonucu inanılmaz miktarlarda enerji açığa çıkıyor (milyarlarca yıl boyunca 100 milyon santigrat derecede yanan bir fırına benzetilebilir). Bilim adamları, lazer tekniği aracılığıyla bu işlevi yeryüzünde simüle etmek istiyorlar. Bu kozmik fırın taklit edilebildiği takdirde, yeryüzündeki enerji sorunu sonsuza kadar çözülecek. Çünkü, yanıcı madde olarak kullanılan hidrojen, yeryüzünde hem çok miktarda bulunuyor hem de ucuz.
Füzyon yöntemi, ilk olarak 1980’li yıllarda, zamanın en güçlü lazerleriyle denendi. Deney, başarıyla sonuçlanmıştı, ancak bütün bir bina kompleksini kapsayacak büyüklükteki düzenek, ürettiğinden daha çok enerji tüketiyordu. Şimdi, çekirdek kaynaşması (füzyonu) sonucu ekonomik enerji üretme fikri yeniden gündemde:
California’daki National Ignition Facility (NIF), futbol stadyumu büyüklüğünde bir düzenek hazırlıyor. 2008 yılında burada, 192 lazer silahından çıkan ışınlarla hidrojen çekirdekleri kaynaştırılacak. Füzyon sonucunda 5.000 milyar vat enerji açığa çıkması bekleniyor. Bu çalışma başarılı olursa, insanoğlunun en büyük hayallerinden biri gerçek olacak: Bütün dünyaya yetecek kadar ucuz enerjiye sahip olmak…
Hologramlar Lazere Öncülük Etti
Pek çok kredi kartında, taklit edilmesi zor olduğu için, gelişmiş 3 boyutlu fotoğraf şeklinde açıklanabilecek hologramlar kullanılıyor. Bir hologram elde etmek için, bir lazer demeti yarı saydam bir ayna ile ikiye bölünüyor. Aynadan yansıyan ışınlar, merceklerden geçmeden, bir fotoğraf klişesini aydınlatıyor. Aynanın içinden geçen ışınlar ise, fotoğrafı çekilecek cismin üzerine düşüyor. Cisim, bu ışıkların bir kısmını kırıyor ve kırılan ışınlar da aynı şekilde fotoğraf klişesini aydınlatıyor. Dolayısıyla fotoğrafı çekilen cismin kabartmalı görüntüsü doğuyor. Bu iki farklı ışığın birleşmesinden kaynaklanan yeni ışık demetine “girişim saçağı” deniliyor. Girişim saçağının keşfi, 3 boyutlu görüntülerin elde edilmesi konusunda bir çığır açtı. 1948 yılında, lazer henüz geliştirilmemişken, hologramın doğmasına yol açan fikirleri ileri süren fizikçi Dennis Gabor, buluşundan ötürü 1971 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.
