İçindekiler
Dergi Arşivi

Lazer Teknolojisi Ve Uygulama Alanları

Özkan ÖZKARA / Sanayi ve Teknoloji (Sanayi Genel Müdürlüğü)

 

Lazer Işınlarının Oluşumu ve Özellikleri

Lazer, uyarılmış atomların fotonlarını yayınlama şeklini kontrol eden ve onları uyumlu bir huzme şeklinde oluşturan optik kaynaklardır. İngilizcede, “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”ın kısaltmasıdır. Yani lazerin nasıl çalıştığını da açıklayan “Uyarılmış Işıma ile Mikrodalga Yükseltici” anlamına gelmektedir.

Tarihte ilk olarak 1917 yılında Albert Einstein uyarılmış ışımayı öne sürmüştür. 1960 yılında Theodore Maiman optik frekansta lazer hareketini gerçekleştirmiş ve yakut lazeri bulmuştur.

Lazerin elde edilmesi için atomları uyarılma eşiğinin üzerine çıkarmak üzere enerji verilir. Genel olarak uyarılmış atomların seviyesi, temel seviyenin 2 ya da 3 seviye üzerindedir. Bu, popülasyon terslenmesinin (population inversion) seviyesini artıracaktır. Popülasyon terslenmesi, temel seviyedeki atomlara karşı uyarılmış atomların sayısıdır. 

Uyarılmış atomlar, bulundukları yörüngelerden daha düşük enerjili yörüngelere düştüklerinde açığa çıkardıkları enerji, salınan fotonun enerjisine eşittir. Bu enerji fotonun dalga boyunu belirler, dolayısıyla da açığa çıkan ışığın rengini belirler.

Lazer ışığının özelliklerini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:

> Tek renklidir, yani tek bir dalgaboyuna sahiptir.

> Koherenttir. Yani düzenlidir.

> Tek yönlüdür ve aynı zamanda çok güçlü, konsantre ve ince bir ışındır. 

Lazer Çeşitleri

  •  Katkılanmış Yalıtkan Lazer
  • Bu tip lazerlerin oluşumu, aktif bir ortam içerisinde katılığın içerisine gömülü olan safsızlık iyonlarıyla gerçekleşmektedir. Krom, Neodymium elementlerinin iyonları kullanılmaktadır. Bu yapıdaki lazerler genellikle sağlık ve endüstri alanında kullanılmaktadır.

  •  Yarı İletken Lazer
  • Katı maddelerden yapılan yarı iletken lazerler, bu özelliklerine rağmen hem pompalama mekanizmaları konusunda hem de enerjileri konusunda yalıtkan katkılı lazerlerden oldukça farklı yapıda olmaktadırlar. Yalıtkan yapıdaki lazerlerin atomlarının enerji düzeylerinde tek tiplilik gözlenmekle birlikte yarı iletkenlerde bulunan elektron yapıları da geniş bantlı enerji seviyelerini kaplamaktadırlar. Yarı iletken lazerler de endüstride kullanılmaktadır.

  •  Gaz Lazer
  • Günümüzde en yaygın olarak kullanılan gaz lazer modelleri He-Ne ve CO2 lazerlerdir. Bahsedilen bu lazer tipi, 10 kısım helyumdan ve 1 kısımlık neondan oluşmaktadır. Lazerin geçişleri de genelde neon yapıdaki enerji düzeyleri arasında gerçekleşmektedir. CO2 lazerler moleküler yapıda olduğundan verimleri ve enerjileri diğer lazer çeşitlerine göre yüksektir. He-Ne lazerler laboratuvar şartlarında deneyler için kullanılırken, CO2 lazerler endüstride, sağlıkta ve savunma sanayide kullanılmaktadır.

  •  Darbeli Boya lazer
  • Darbeli boya lazer türü, organik bir çözücü içindeki organik boyanın seyreltik bir çözeltisidir. Bunlara mor ötesine yakın ve kızılötesine yakın arasında lazer türleri elde edilebilir. Birkaç lazer paralel olarak çalıştırılabilir. Böylece saniyenin birkaç trilyonda biri devam eden lazer darbeleri elde edilebilir. Boya lazerlerinin en önemli özelliği dalga boyunun geniş bir alanda hassas bir şekilde ayarlanabilmesidir. Darbeli boya lazerler sağlık alanında kullanılmaktadır 

Lazerin Kullanım Alanları

  1.  Üretim Teknolojileri
  2. Lazer sistemleri imalat sanayide sıklıkla kullanılmaktadır. Özellikle üretimde mikron ve nano seviyelere inilmesi, malzeme teknolojilerinin gelişmesiyle üretilen özel alaşımların talaşlı imalata karşı hassasiyetinin artması lazer teknolojilerinin geliştirilmesinin önünü açmaktadır. Yeni nesil akıllı üretim sistemleri, takım tezgâhları, katmanlı üretim, 3 boyutlu yazıcılar lazerlerin üretim hattında kullanımını yaygınlaştırmaktadır.

Tablo 1. Lazer Tipleri ve Kullanılan Gazlara Göre İmalat Sanayide İşlevleri

Gazlar

Karbondioksit Lazeri

Nd:YAG Lazeri

Oksijen

Kesme

Kesme

Azot

Kesme

Kesme

Helyum

Kesme

Kaynak

Argon

Kesme

-

 İmalat sanayi kullanımındaki avantajları

  •  Birkaç mikron mertebesindeki bölgelere odaklanabilme kabiliyeti 10W/cm'nin üzerindeki yüksek güç yoğunluğu sebebiyle tungsten gibi yüksek ergime sıcaklığı olan metaller kendiliğinden ergirler ve ısıya duyarlı civar bölgeler üzerindeki etki minimuma iner.
  •  

  •  Lazer ışını temassız olarak çalışır, yani takım ile iş parçası arasında hiçbir mekanik temas oluşmaz ve iş parçasının istenmeyen alaşımlanması veya bozunumu önlenmiş olur.
  •  

  •  Kaynak süresi, iri taneli olma, tekrar kristalleşme ve segregasyon gibi uygun olmayan içyapı değişimlerine engel olacak ve hızlı üretimi sağlayacak kadar kısadır.
  •  

  •  Lazer ışının üretimi mikro plazma kaynağındaki gibi koruyucu gazların kullanılmasını, elektron ışını ile kaynaktaki gibi vakumun sağlanmasını gerektirmez.
  •  

  •  Bu sebepten bilhassa seri imalat için, üretim hızı, otomatize edilebilmesi imkânı gibi üstünlükleri vardır.
  •  

  •  Isı girdisi düşük olduğundan ısıdan dolayı gerçekleşecek metalürjik etkiler ve çarpılma düşük olacaktır.
  •  

  •  Elektroda ihtiyaç yoktur. Bu nedenle elektrottan kaynaklanacak kirlenmelerin önüne geçilmiş olmaktadır.
  •  

  •  Lazer ışını optik elemanlar kullanılarak kolaylıkla odaklanıp, doğrultulup yönlendirilebildiği için diğer kaynak yöntemleri ile ulaşılması zor olan yerlerde kaynak yapılabilmesini sağlar.
  •  

  •  Geniş bir malzeme aralığı ve bunların kombinasyonunu kaynaklamak mümkündür.
  •  

  •  Lazer ışını, elektron ışın kaynağında olduğu gibi manyetik alandan etkilenmez.
  •  

  •  Vakum veya X-ışını koruması gerektirmez.
  •  

  1.  Bilişim Teknolojileri 

Verilerin boyutları büyüdükçe daha hızlı ve daha güvenli veri aktarım yöntemleri üzerindeki çalışmalar artmaktadır. Bu alandaki en önde gelen alternatiflerden biri olan lazerle veri aktarımı konusunda çalışmalar aralıksız devam etmektedir.

İlk olarak 1990’larda çalışmalarına başlanan lazerle veri aktarımı, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneylerle geliştirilmektedir. Kısa mesafelerde saniyede 2.5 terabit veri transferi sağlayabilen sistemler geliştirilmiştir. Böylece süper hızlı veri transferi gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmeye başlanmıştır. Bu sistemlerle birlikte ikili sayı sistemiyle verileri 16 farklı ışık çeşidiyle yansıtmakta, resimlerinde her bir pikselini kodlayarak gönderilebilmekte ve karşı tarafta kodlar çalıştırılarak resimler açılabilmektedir.

Son zamanlarda özellikle sosyal medyada yüksek çözünürlükte veri paylaşımı kullanıcılar arasında yaygınlaşmaktadır. Bu sebeple özellikle sosyal medya şirketleri lazer tabanlı internet teknolojisi kullanarak hızı ve kaliteyi artırmayı hedeflenmektedir.

 

Ayrıca uydu haberleşmesinde kullanılan elektromanyetik dalgaların ve sinyallerin girişimlere duyarlı olması, mesafeye bağlı olarak enerjilerinde kayıpların yaşanması lazerle iletişimi önemli hale getirmiştir. Buna bağlı olarak, 18 Ekim 2013 tarihinde Ay ve Dünya arasında lazer ile veri iletimi gerçekleştirilmiştir. Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve NASA’dan bir grubun yaptığı çalışma sonucunda Dünya yüzeyinden Ay yüzeyine 622 Mbit/s veri gönderilmiştir.

  1.  Sağlık Teknolojileri

1960’lı yıllarda cerrahi amaçlı ilk kullanılan lazer yüksek güçlü ve dokuda kolayca buharlaşma yapabilen CO2’li lazer olmuştur.

Lazerin Tedavi Amaçlı Kullanıldığı Alanlar

  •  Böbreklerde taş kırma,
  •  Kalp ve damar cerrahisi,
  •  Beyin cerrahisi,
  •  Sindirim sistemi rahatsızlıkları,
  •  Deri hastalıkları,
  •  Kulak burun boğaz hatalıkları,
  •  Ortopedik problemler,
  •  Estetik ameliyatlar.
  1.  Savunma ve Uzay Teknolojileri

Lazer sistemleri savunma sanayide kullanımı yaygınlaşmaktadır. Özellikle yüksek enerjili lazerin imhası “soft death” yani “yumuşak ölüm” olarak adlandırmaktadır.

  •  Lazer takviyeli konvansiyonel kimyasal patlayıcı ateşli silahların geliştirilmesinde (lazer cihazları),
  •  Askeri kontrol, gözetleme, ölçme, analizlerin uygulanmasında (lazer cihazları),
  •  Dolaylı olarak askeri silahların, araç, gereçlerin üretim süreçlerinde (lazer üretim yöntemleri),
  •  Doğrudan kalıcı ya da geçici imha edici lazer silahların yapımlarında (lazer silahı). 

Yüksek enerjili lazerlerin tespit edilmemesi sebebiyle gelişmiş ordularda lazer silahları lazer güdümlü füzeler kullanılmakta ve yüksek isabet oranıyla istenilen çözüm elde edilmektedir.

Lazer ile birlikte, tahribatsız olarak numunelerden kümülatif olarak bilgi alınabilmekte ve numunelerin atomik boyutta yapıları ortaya çıkarılmaktadır. Diğer taraftan atmosfer ve bileşenlerinin üç boyutta tespit ve teşhisi yapılabilmekte ve gerekli ölçüm hesaplamalar ortaya konmaktadır. Böylece havacılıkta kullanılan malzemelerin uygunluğu uçak, helikopter gibi araçların seyrüsefer kontrolleri lazer sistemleri aracılığıyla gerçekleştirilmektedir.

Savunma sanayide lazer füzelere veya bombalara üzerlerinde olan lazer algılayıcı sensörler ile yol göstermek, rota belirlemek amacıyla kullanılmaktadır. Ancak bugün özellikle uçaksavarlarda, deniz kuvvetlerinde, insansız hava cihazlarında, uçak ve helikopterlerde bir karşı savunma cihazı olarak kullanılmaktadır. Gücü 20 Kw ve üstü değerine ulaşabilen lazer silahlar bazı ordularda kullanılmaya başlamıştır.

  1.  Hologram

Hologramlar, fazlasıyla ilgi çekicidir ve göze hitap etmektedir. Holografi, üç boyutlu dünyamızı iki boyutlu ortam üzerine kaydederek hiçbir yardımcı araç kullanılmasına gerek kalmadan çıplak gözle iki boyutlu ortam üzerinde her üç boyutu da görebilmemizi sağlayan kayıt ve görüntü teknolojisidir.

Hologram, orijinal objenin üç boyutlu gerçek kaydı, kısaca üç boyutlu lazer fotoğrafıdır. Başka bir deyişle; 3 boyutlu görsel bilginin lazer teknolojisiyle kaydedilmesi, depolanması ve hareket efektinin kazandırılarak çok boyutlu ortama aktarılması sonucu elde edilir.

Holografide uyumlu lazer ışınının pozitif teması ile dalga sınırlarını eşleştirerek kayıt yapılır. Bu üç boyutlu kayıt kırılmış bir şablon şeklinde oluşur; bir dizi çok ince çizgi veya tek merkezli daireler halindedir. Bu kırılma, ışığı bükerek lazer ışığının orijinal kaydın dalga sınırına geri gönderir. Objenin üç boyutlu görüntüsü hologram ışık olarak yapılanır. Hologram, fizik, kimya, basım, mühendislik gibi pek çok kavramın hepsini birden içinde barındırdığı için gelişmiş ve karmaşık bir üründür.

Hologramlar derinlik ve paraleks içerdiğinden, objeyi ve çevresindekileri daha da derinlik içinde görülmesini sağlar. Hologramların taranması, fotokopi yoluyla çoğaltılması veya aynısının basılması mümkün değildir. Hologramlar, aynı zamanda uygulandıkları yüzeyden ayrıldıklarında bozunuma uğramaktadır. Böylece hologramların amaç dışı kullanılması mümkün olmamaktadır.

Gelecekte, özellikle günümüzde kullanılan LED televizyonların yerini hologram teknolojisiyle çalışan televizyonların alması beklenmektedir. Ayrıca, lazerin görüntü teknolojilerinde kullanılmasının geliştirilmesiyle artırılmış/sanal gerçeklik uygulamalarında, bilgisayar oyunlarında hologram teknolojisinin kullanılması ve yaygınlaşması beklenmektedir.

1970’lerde “holografik veri depolama” yöntemini geliştirilmesiyle normal hologramlarda olduğu gibi bir nesnenin görsel kopyasını kaydetmek yerine bir veri dizisi kaydedilmektedir. 1 ve 0’dan oluşan ikili veri dizisi, aydınlık ve karanlıktan oluşan bir ışık dizisi olarak yansıtılmasıyla verinin depolama ve iletim işlemi gerçekleştirilmektedir. Gelecekte özellikle büyük verinin iletimi ve depolanması daha da önem kazanacağından holografik belleklerin kullanımı yaygınlaşacaktır.

Genel Değerlendirme ve Sonuç

Lazer teknolojisinin dünyada önemli bir çalışma alanı olarak her geçen gün önemini artırmaktadır. Ülkemizde üniversitelerimizde lazer çalışmaları ile ilgili kurulmuş olan araştırma merkezleri faaliyet göstermektedir. Bu araştırma merkezlerinde malzeme, sağlık ve imalat teknolojilerinde ileri düzeyde çalışmalar yapılmaktadır.

Diğer taraftan özellikle savunma sanayinde, takım tezgâhı üretimi yapan firmalarda lazer sistemleri konusunda çalışma yapan Bakanlığımız destekli Ar-Ge merkezleri de faaliyet göstermektedir.

Bu sebeple özellikle makine ve tıbbi cihaz ithalatı fazla olan ülkemizde lazerli sistemlerin geliştirilmesi yüksek katma değerli ürün üretimi ve ihracatını artıracaktır. Ayrıca savunma sanayinde lazer sistemlerine yönelik ürünlerin üretilmesi bu alandaki ihracat potansiyelimizi artıracaktır.

Kaynaklar

  1.  “Lazer Nasıl Çalışır?”, www.elektrikport.com.tr
  2.  Kaçar, Elif “Sanayide Lazer Uygulamaları ve Güvenliği” İş Sağlığı ve Güvenliği Sempozyumu, Ankara, 2015.
  3.  “Lazer Kaynağı”, Sakarya Üniversitesi.
  4.  Körpınar, M. Ali. “Lazerin Biyofiziksel Özellikleri ve Medikal Uygulamaları”.
  5.  TÜBİTAK MAM, Lazer Teknolojileri Laboratuvarı.
  6.  TÜBİTAK BİLGEM, Elektro-Optik Lazer Sistemleri.