Lazerlerin Çalışma Prensipleri

Optik bakımından saydam, bir ucunda tam yansıtıcı ayna, diğer ucunda yarı yansıtıcı iki ayna bulunan bir tüp alınır. Şekilde buna gaz, sıvı veya katı maddelerden birisi konur. Dışarıdan ışık vermek, elektrik akımı geçirmek veya kimyasal yolla elde edilen enerji ortamdaki atomlara ulaşır. Bunların bazıları bu enerjiyi emerler. Fazla enerji atomları kararsız hale getirir. Kendisine bir foton çarpan uyarılmış ve kararsız atom, fazla enerjiyi foton olarak açığa çıkartır. Fotonlar, benzer şekilde diğer fotonların nesrini sağlar. Uçlara ulasan fotonlar, aynalardan yansıyarak geriye dönerler ve olay devam eder. Kuvvetlenen ışık yarı yansıtıcı aynadan dışarı çıkar. Bu lazer ışınıdır.

Lazer ışınını; uygun adım ile giden aynı üniforma ve şekle sahip askerlere, normal ışığı ise rastgele karakteri bozuk bir orduya benzetmişlerdir.

Normal ışıkta dalgalar, birbirini zayıflatıcı karakterde olmasına rağmen, lazerde

birbirini kuvvetlendirici karakterdedirler. Lazer ısınları yüksek frekansa sahip olduklarından, güneş ısını özelliklerine sahiptir. Ancak lazer tek frekansa sahip olduğundan kayıpları azdır.

Lazer ışınları aynı fazda ışık dalgaları olduğu için şiddeti büyük olur. Bu yüzden lazer ışınlarının şiddeti, güneş ışınlarının şiddetinin bir milyon katıdır.

Elektromanyetik dalga paketçiği de denilen foton, güneş ışığı füzyon reaksiyonu sonucu meydana gelir. Bu şekilde yayılan enerji foton enerjisidir. Lazer ışını foton yayılmasından ibarettir. Lazerde foton üretimini anlayabilmek için atomların değişik seviyelerinde ne gibi olaylar olduğunu bilmek gerekir. Bir atomun uyarılmış durumda bulunduğu kısa zaman aralığında, üzerine belli bir dalga boyunda foton düşürülürse, atom aynı fazda foton yayar. Bu işlem pes pese tekrarlanırsa, tamamen aynı fazda bir ışın demeti elde edilir. En düşük enerji seviyesinde bulunan bir atoma dışarıdan bir foton verilirse, atom enerjisi kazanarak E1 enerji seviyesinden E2 enerji seviyesine uyarılmış olur. Bu atom kendi halinde bırakılırsa, uyarılmış bulunduğu E2 enerjisinden bir foton vererek tekrar E1 enerji seviyesine döner. 

Uyarılarak enerji seviyesi E1’den E2’ye yükseltilen atom enerjisini geriye foton olarak yaymaya başlarken bir foton daha çarptırılırsa, atomu birbiri ile aynı özellikte iki foton terk eder. Bu şekilde atom kat kat enerji seviyelerine çıkarılırsa, bu seviyelerden düşerken de katlar halinde foton ürer. Bu işlem iki paralel ayna arasında aynı fazda olan fotonların toplanması seklinde devam eder.

Lazer ışını dalgasının dalga boyu, aynalar arasındaki mesafe ile uyumludur. Aynı frekansta yani aynı dalga boyunda yapılan foton üretimine, uyarılmış yayılma işlemi denir. Milyonlarca atom için bu işlem yapılırsa aynı yöne doğru milyonlarca foton paralel ışınlar halinde bir noktadan yayılır. Bu ışınlar aynı fazda, aynı frekansta, aynı yönde olduklarından adeta birbirine yapışıktırlar. Paralel aynalar arasında şiddeti bu şekilde çığ gibi artan ısınlar, ışık frekansına eş bir frekansta, darbeler halinde oldukça parlak ışık huzmesi olarak yayılır. Lazer ışınındaki enerjisinin büyümesi esası iste bu milyonlarca küçük enerji kaynaklarının çok dar bir huzme halinde aynı yönde hem yan yana hem de art arda birleşmesi neticesidir. Lazerin çalışması için enerji seviyesi düşen atomlarda, daha fazla sayıdaki atomların uyarılacak enerji seviyelerine yükseltilmesi gerekir. Bu durum ise normal olarak atomların enerji seviyesi dağılımının tersidir. Bu sebepten lazerin çalışması için gerekli durum, tersine çevrilmiş dağılım olarak isimlendirilir. Tersine çevrilmiş dağılımı ortaya çıkarmak için pompalama işlemi kullanılır. Optik pompalama ise yüksek frekanslı yoğun ışınların nesriyle yapılabilir.

Yarı iletkenli lazerlerde pompalama elektrik akımı ile gerçekleştirilir ve işlem, elektriksel pompalama olarak isimlendirilir. Gaz lazerlerinde ise pompalama işlemi elektron - atom veya atom - atom çarpıştırılmasıyla ortaya çıkarılır ve çarpışma pompalaması olarak bilinir. Kimyasal pompalama işleminde ise kimyasal lazerlerde kimyasal reaksiyonlarla atom ve moleküller uyarılır. Gaz - Dinamik lazerlerde de pompalama ses hızı üstü gaz genişlemesi yoluyla gerçekleştirilir ve gaz genişleme pompalaması olarak isimlendirilir.