GENEL BİLGİ

Einstein’ın 1917 yılında ortaya attığı uyarılmış yayım ilkesini,1953’de A.B.D.’li fizikçiler C.H. Towness ve A.L. Schawlow mikrodalga frekansına uyarlamaya çalışarak MASER’ı gerçekleştirdiler. Adı geçen kişiler mikrodalga şeklinde değil de ışık şeklinde LASER kavramını teorik olarak savundular. 1960 yılında yine bir A.B.D.’li fizikçi T.H. Maiman tarafından Ruby kristalinden oluşan çubuk kullanılarak ilk katı hal Laseri yapıldı. 1963 yılında ilk gaz laser (Helyum-Neon) yapıldı. Teknolojinin optik, elektronik, fizik ve kimya alanlarındaki gelişmelerine bağlı olarak çok çeşitli laser türleri ortaya çıkmıştır.
Temel olarak LASER (LAZER değil) Elektromanyetik alandaki ışık frekanslarında; MASER ise Mikrodalga frekanslarında çalışır (Şekil 1). Maserlerin düşük ısı ve düşük basınç altında çalışan çok düşük enerji seviyelerini kullanan katı (iyon) ve gaz ( molekül) olmak üzere iki tipi vardır.

M10.jpg (17308 bytes)
Şekil-1 Dalgaboyları ve Özellikleri

Kelime olarak açınımları ise;
MASER: Microwave (Molecular) Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation şeklindedir.

Beyaz ışık birçok renkten (dalga boyundan) oluşan Polikromatik bir ışık demetidir. Monokromatik ışık ise tek bir renkten (dalga boyundan) oluşmuştur. Laser eşfazlı (coherent) yayılım yapar. Birden fazla dalga boyu ihtiva eden güneş ışığı veya bir lambadan yayılan ışık ise eşfazlı olmayan (incoherent) yayılım yapar ve yayıldığı mesafeye bağlı olarak şiddetini kaybeder. Eğer bir rengi diğerlerinden ayırıp kullanmaya kalkarsak, bu da monokromatik bir ışık olur ve polikromatik'le aynı özellikleri taşıdığından eş fazlı olmayan "incoherent" ışık kaynakları olarak adlandırılırlar. Bunlar çeşitli veya tek dalga boyundan oluşan her yöne yayılma/dağılma özelliği gösteren ve mesafeye bağlı olarak şiddetini çok çabuk kaybeden ışıklardır. Monokromatik bir ışık kaynağını oluşturan ışınların dalgalarının tümünü aynı frekansta ve aynı fazda titreşmesi özelliği gösteren ışıklara eşfazlı "coherent" ışıklar denir. Laserler kızılötesinden (IR) başlayıp morötesine (UV) kadar uzanan ışık şiddeti artırılmış eşfazlı ışınımlardan oluşan ışın demetleridir. Burada eşfazlı ışınım, Laserin aşırı yoğunluğu ve uzun mesafede çok az sapması olan saf bir renkte (frekansta) olması anlamındadır. Laser sistemleri, içerisinde depolanan ışın demetlerini eşfazlı olarak daha güçlü bir saf ışınım olarak yayma özelliğine sahiptirler.

LASERLERİN ÇALIŞMA PRENSİPLERİ

Her elementin atom yapısında yalnız o elemente özgü olan elektron yerleşim düzeni vardır; yani o elementteki atomların elektronları kararlı yörüngeleri olan belli bir enerji düzeyinde bulunurlar. Yörüngelerinde kararlı olarak bulunan elektronların, dışarıdan gelen bir enerji ile uyarılıp bir üst yörüngeye çıkarak tekrar eski kararlı konumuna dönmesi sırasında aldığı enerjiyi dışarı salma işlemi laserin ana prensibini oluşturmaktadır.

Eğer atom dalga boyu (rengi) kendisine uygun düşmeyen bir ışık demeti (dalga boyu) ile uyarılmış ise enerjisini spontane ışını şeklinde yayar; eğer kendisine tam olarak uygun düşen bir ışık demeti ile uyarılmış ise çok kısa bir sürede yerleştirildiği ışık demeti ile aynı doğrultuda ve daha parlak bir ışık demeti şeklinde ışınır, bu "bindirilmiş (yükseltilmiş) ışınım" olayıdır (Şekil 2).


Şekil-2. Enerji seviyesi diyagramı

Laser kaynağı olarak kullanılan malzemenin (kristal, gaz, sıvı) yapısını oluşturan atomların en son yörüngelerindeki elektronları dışarıdan enerjilendirilerek (pumped) bir üst yörüngeye çıkması sağlanır. Verilen enerji kesildiği zaman elektron tekrar kararlı konumuna geçer (bir alt yörüngeye düşer). Bu sırada kazanmış olduğu enerjiyi foton şeklinde yayar. Yayılan bu enerji laser kaynağının iki tarafında bulunan yansıtmalı aynalar vasıtası ile kendi ortamında döndürülür. Bu işlem elektronların tekrar tekrar uyarılması ile devam eder. Böylece eşfazda şiddeti çok artarak uyarılmış ve o atomun frekans (renk) karakteristiklerini taşıyan güçlü bir ışınım (foton demeti) elde edilir. Tek dalga boyunda yoğunlaştırılarak yönlendirilmiş Laser ışığı ~ %25 geçirgen olan aynadan bir Q anahtarı yardımı ile açığa çıkar (Şekil 3).

 

Şekil-3. Q Anahtarlı Yakut (Cr+3 Ruby) Laser


Laser ışığı üretilen ortamdan birim anahtarlama zamanında açığa çıkan enerjiye Q değeri ve bu işleme Q anahtarlaması denir. Q anahtarlama metotları Döner aynalar (1000 dönme/sn.), Elektro-optik ve Akustik-optik şekillerinde olabilir. Elektro-optik ve Akustik-optikde çalışma prensibi, polarizasyon kuramlarının çeşitli uygulamalarına dayanır.

LASER KAYNAKLARI

  • Katı Laserler
  • Sıvı Laserler
  • Gaz Laserler olmak üzere üç grupta toplanabilir.

Katı laserler:

Zenginleştirilmiş (Doped) katı malzemeden yapılanlar: (Ruby; Nd:YAG; Er-Glass)

Katı laserlerin en çok kullanılan malzemeleri Ruby (yapay yakut) kristali veya Neodymium’la zenginleştirilmiş camsı (Silisyum oksit bazlı) kristallerdir. Bu tip laserlerde çakma zamanı olarak 12*10E-15 sn. ye kadar ulaşılmıştır.

Yarıiletken laserler: (Ga:As)

Yarıiletken malzemenin arakesit yüzeyinde negatif ve pozitif olarak zenginleştirilmiş bölgenin yüksek elektrik akımı ile uyarılması sonucunda, yarıiletken malzemenin özelliğini taşıyan fotonlar yayılmaya başlar. Fotonların laserlerin çalışma prensipleri başlığı altında anlatılan benzer bir teknikle toplanarak açığa çıkartılması işlemi yarıiletken laserleri oluşturmaktadır. Bu tip laserler bir tuz kristali büyüklüğünde kaynağa sahip olabilirler. Bu alanda Gallium Arsenide en çok kullanılan yarıiletken laserdir. Yarıiletken laserler %50’den fazla bir verimlilikle çalışabilmektedir (Şekil 4).


Şekil-4. Yarıiletken diyot laser (GaAs)

Gaz laserler:

Gaz laserleri aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz.

a. Atom laserler:
    . Asal gaz (He,Kr,Ne,Ar,Xe)
    . Metal buharı (Pb,Sn,Zn,Cd)
b. İyon laserler:
    . Asal elementli (He, Kr, Ne, Ar, Xe)
    . Metal buharlı (Pb, Sn, Zn, Cd)
c. Molekül laserler: (CO, CO2, N2, CH3F, …)

Silindirik cam veya kuartz tüp içerisine yerleştirilen asal gazlar, gaz karışımları ve metal buharları gaz laserlerini üretmek için kullanılırlar. Gaz laserler ultraviyole ışık, elektron tabancası, elektrik akımı ve kimyasal reaksiyonlar kullanılarak pompalanmaktadır. Helyum-Neon gaz laseri yüksek frekans sabitliği (saf rengi ) ve en az dağılma olan ışın demetine sahiptir. Karbondioksit laseri (dalga boyu 10,6µm.) tesirli ve sürekli güç alınabilen laserdir.

Sıvı Laserler: (Rhodamine 6G, 4-methylum belliferone, vb, … )

Sıvı Laserler organik boyaların solventler içerisinde seyreltilerek yapılan solüsyonlardan oluşmuştur. Sıvı Laserler her hangi bir laser kaynağı ile enerjilendirilerek meydana getirilebilir. Diğerlerine göre en önemli fark ise tek bir dalga boyu yerine kullanılan maddeye bağlı olarak belirli bir spektrumda istenen dalga boyuna ayarlanarak çalışmasıdır. Örnek olarak en önemli bilinen solüsyon Rhodamine 6G dır. Az asidik bir solüsyon olan 4-methylum belliferone 0,391µm’den 0,567µm’ye kadar olan spektrumda dalga yaymaktadır. Bir monokromatör üzerinden geçirilerek çeşitli maddelerin analizlerini yapmakta kullanılır.

LASER UYGULAMALARI

Laserler; endüstride, bilimsel araştırmalarda, haberleşmede, tıp ve askeri alanlarda gün geçtikçe daha da önemli olmaktadır. Bu konulardaki uygulamalara birkaç örnek vermek gerekirse;

Endüstride:

  • Her türlü malzemeyi çok hassas bir şekilde kesme, delme, eritme, lehimleme ve şekil verme işlemleri ,
  • Mikroelektronikte dirençlerin aktif veya pasif olarak 0,01% hassasiyetinde üretilmeleri,
  • Chip üretiminde hat kalınlıklarının 0,25 µm’den az olarak desenlendirilmesi ,
  • Yeni maddelerin analiz işlemlerinin yapılması,
  • Yüksek ve uzun yapıların düzgünlüğünün ölçümü,
  • Yüzey sertleştirmelerinde

Bilimsel araştırmalarda:

  • Çok hassas bilimsel ölçümlerde (ışık hızı ölçümü),
  • Yerküre üzerindeki hareketlerin hassas ölçümü,
  • Malzemelerin kimyasal analizlerinde

Haberleşmede:

  • Yeryüzü ile uydular arası haberleşme sistemlerinde,
  • Dünya üzerindeki haberleşme ağında fiber-optik sistemlerle birlikte kullanılması,
  • Yüksek yoğunlukta ses ve görüntü bilgileri depolanması (compact disc, video disc),

Tıp alanında:

  • Zarar görmüş dokuları keserek almak,
  • Yaraları iyileştirmek,
  • Kanamayı durdurmak,
  • Göz retinasında oluşan zedelenmeleri gidermek,

Askeri alanlarda:

  • Askeri uygulamalarda laserleri vazgeçilmez yapan özellikleri kısaca tanımlarsak:

  • Açısal hassasiyet (ışınımlarının doğrusal şekilde olması),
  • Uzun mesafelere ulaşma (Laser gücünün yüksek olması)
  • Mesafe ölçümünde hassasiyet (darbe genişliğinin çok dar olması)
  • Selektif tespit (spektral band aralığının çok dar olması sebebi ile)
  • Kullanım kolaylığı (küçük boyutta ve hafif olmaları)

Askeri uygulamalarda kullanılan laserler ve özellikleri:

1. Ruby Laser:

  • Dalga boyu : 0.6943µm., kırmızı renkte, görünür bölgede
  • Laser malzemesi: %5 Kromla zenginleştirilmiş pembe sentetik yakut
  • Darbe sıklığı: Dakikada 1-10 atış, orta güçte
  • Eski teknoloji /düşük verim
  • Isıya ve titreşime karşı aşırı hassas

2.Nd-Glass Laser:

  • Dalga boyu : 1.064 µm.,kızılötesi bölgede
  • Laser malzemesi: Neodymium’la zenginleştirilmiş cam çubuk
  • Darbe sıklığı: Saniyede 1-5 atış, Orta güçte
  • Eski teknoloji
  • İnsan gözünde retinaya etkili
  • Nd-YAG laserlere göre verimi düşük

3. Nd- YAG Laser:

  • Dalga boyu :1.064 µm.,kızılötesi bölgede
  • Laser malzemesi: Neodymium’la zenginleştirilmiş Yitrium Aluminium Syntetic Garnet
  • Darbe sıklığı: 20 Hz/ns Max, orta güçte
  • Çok fazla kullanılan sorunsuz bir teknoloji
  • İnsan gözünde retinaya etkili
  • Optical Parametric Oscillator (OPO) ile dalga boyu 1,58µm. ye yükseltilerek insan gözünde retinaya etkisiz hale getirilmektedir.

4. Er- Glass Laser:

  • Dalga boyu : 1,54 µm.,kızılötesi bölgede
  • Laser malzemesi: Erbium’la zenginleştirilmiş cam çubuk
  • Darbe sıklığı: Dakikada 10 atış, Orta güçte
  • Geliştirilmekte olan bir teknolojidir.
  • İnsan gözünde retinaya etkisiz

5. CO2 Gaz Laser:

  1. Dalga boyu :10,6 µm., kızılötesi bölgede
  2. Laser malzemesi: Karbondioksit
  3. Darbe sıklığı: Sürekli, yüksek güçte
  4. Atmosferik geçirgenlik bu dalga boyundan çok yüksektir..
  5. Boyutları büyüktür
  6. Bakım onarım zorluğu vardır.
  7. Şok ve darbelere dayanıksızdır.

LASER’LERİN ASKERİ UYGULAMALARI

Yüksek güçlü laserler:

Mega watt mertebesinde çıkış güçleri olan bu tür laserlerin yakıcı etkisi ABD, Fransa ve İngiltere gibi bazı ülkelerce hedeflerin direkt tahriplerinde kullanılmaktadır.

Orta Güçlü Laserler:

Mevcut uygulama alanları:

  • Mesafe bulma
  • Hedef takibi
  • Füze ve bomba güdümü
  • Hedef işaretleme

Laserle Mesafe Bulma

Gönderilen laser ışığı hedeften yansıyarak cihaz üzerinde bulunan bir almaç tarafından algılanır. Geçen zaman periyodu (T) basit olarak formülize edildiğinde istenilen mesafe hassas olarak bulunur (Şekil 5).


Şekil-5. Laserle mesafe bulmaMesafe D=C*T/2 C=300m/µsn. (ışık hızı)    

 

Hedef Takibi

Laser, önceden tanımlanmış bir patern üzerinden tarama yapar. Patern içinde yansıma tespit edilirse, tarayıcının mevcut konumuna göre açı (yan-yükseliş) ve mesafe bilgileri elde edilir. Bu prensip yerden-havaya atış kontrollerinde ve Laser güdümlü füzelerde uygulanır (Şekil 6).

M15.jpg (4603 bytes)
Şekil-6. Laserle hedef takibi

  

Füze ve Bomba Güdümü

Hedef, Laser ışını ile ileri gözetleyici/helikopter/uçak tarafından aydınlatılır. Laser güdümlü bomba veya füze hedeften yansıyan ışına kilitlenerek hedefe gönderilir (Şekil 7).


Şekil-7. Laserle güdümlü mühimmat yönlendirme


ASELSAN’DA MEVCUT İMKANLAR

Büyük bir teknolojik bilgi birikimi olan ASELSAN;

  • optik tasarım ve ölçüm kabiliyeti,
  • elektronik devreler tasarım ve üretimi,
  • hassas mekanik parçalar tasarım ve üretimi konularında her türlü ihtiyaca cevap verebilecek kapasitededir.

ASELSAN T.S.K. ihtiyacı olan ve en son teknolojileri kullanarak, diğer ülkelere bağımlı olmayacak şekilde, cihazlar tasarımlayan ve üreten tek kuruluştur. Bu amaçla ASELSAN-Akyurt tesislerinde en son teknolojileri içeren bir araştırma geliştirme ağırlıklı Elektro-optik merkezi kurulmuştur.
ASELSAN’ın laser alanındaki çalışmaları sonucunda ürettiği cihazların isimleri ve kısa özellikleri aşağıda verilmiştir.

EFES Laser Hedef İşaretleme/Mesafe Ölçme Cihazı:

  • 7° görüş açısı olan, x7 büyütme özelliğine sahip optik sistemli,
  • 1,064µm dalga boyunda Nd-YAG laser kaynaklı,
  • 150 - 9995m. mesafede ±5m. hassasiyetle ölçüm yapabilen,
  • Seri çıkışı ile bilgi aktarım özelliğine sahip,
  • 80 mJ gücünde,10 darbe/sn. çıkışlı işaretleme özelliğinde portatif bir cihazdır.

LH-7800 Laser Mesafe Ölçme Cihazı:

  • 7x50 büyütme özelliğine sahip optik sistemli,
  • 1,064µm dalga boyunda Nd-YAG laser kaynaklı,
  • 150-9995m. mesafede ±5m. hassasiyetle ölçüm yapabilen,
  • Ağırlık ve ölçüleri piyade ve topçu birliklerinin kullanımına uygun cihazdır.

IRHN-9395 Hedef Noktalama Cihazı:

  • Göze zarar vermeyen ancak gece görüş cihazları ile görülebilen,
  • 810-840µm dalga boyunda (IR) yarıiletken laser kaynaklı,
  • 2500m.ye kadar hedef tayinlerinde kullanılabilen, dar ışın açılmalı (0,3mRad.) cihazdır.

GLHTC Geliştirilmiş Laser Hedef Tespit Cihazı:

  • 1.58µm dalga boyunda, göze zarar vermeyen OPO çeviricili Nd-YAG laser kaynaklı,
  • 50 - 19995m. mesafede ±3m. hassasiyetle ölçüm yapabilen,
  • RS-232 çıkışı ile GPS’e doğrudan bağlanma özellikli,
  • Gündüz (7.3x18) /gece(4) büyütmede görüş kabiliyetine sahip ayarlanabilen artıkıllı,
  • İstikamet açısını 5 mil ve yükseklik açısını 1 mil hassasiyetle ölçebilen hafif ve küçük bir cihazdır.

ASELSAN’ın laser alanındaki araştırmaları ise:

  • Göze zararsız Laser Mesafe Ölçme Cihazı tasarımı
  • Her türlü Laser güdümlü mühimmatın hedefe yöneltilmesi için kodlanabilir hedef işaretleme cihazları
  • Termal cihazlar ile birlikte çalışan ve atış kontrol bilgisayarına bağlanabilen tank tipi laser mesafe ölçme cihazı
  • Hareketli hedefler için çok darbeli Laser Mesafe Ölçme Cihazı
  • Bilkent Üniversitesi ile ortak yürütülen Optical Parametric Oscillator (OPO) projesidir.

KAYNAKÇA

  1. Laser Teorisine Giriş, MSB ARGE D.Bşk./No.84, A.Dikici
  2. Laser Principles and Applications, J.Wilson&J.F.B. Hawkes
  3. The Laser experimenter's Handbook, Frank G.Mc. Aleese
  4. Laser Electronics, Joseph T.Erdeyen
  5. Laser Radar System and Tech. C.G.Bachman
  6. Lasers, P.W.Milonni&J.H.Eberly
  
 
1