Ana sayfa 161. Sayı Dünyayı değiştiren ışık: Lazerler

Dünyayı değiştiren ışık: Lazerler

240
PAYLAŞ
Charles Hard Townes (solda), Lazerler üzerine çalışan bir elektrik mühendisi olan James Gordon ile birlikte 1955’de ticari amaçlarla kullanılan ilk lazer ile görülüyor. Cihazın üst kısmındaki güç ünitesinde mikrodalga ışının üretimini görebilirsiniz. Dikdörtgen şeklindeki boşluk kısımda ise amonyak bulunmaktadır.

Bir önceki yazımızda tarihin tozlu sayfalarından çıkıp sizleri aşina olduğunuz modern dünyaya götürmüştük. 20. yüzyıl bilim ve teknolojide ilerlemenin olağanüstü derecede hızlandığı bir yüzyıl oldu. Bu o kadar geniş çapta bir değişim yarattı ki, artık önceki yüzyıllara kıyasla çok daha küresel, çok daha güçlü, çok daha tehlikeli bir insanlık vardı karşımızda. Bu ayki yazımızda, bahsettiğimiz bu sosyal dönüşüm dönemine belirli alanlarda damgasını vuran bir icattan bahsedeceğiz: Lazerler.

Kimi zaman alışveriş yaptığınız marketteki kasiyerin aldığınız ürünün barkodunu okuttuğu cihazında dikkatinizi çeker. Ya da bir yakınınız gözünden ameliyat olmuştur ve beş dakika gibi kısa bir sürede gözü eski haline dönmüştür. Yaptığınız bir sunumda, perdeyi işaret etmek veya kedileri kendinden geçirmek için de kullanmış olabilirsiniz. Kısacası lazerler her yerdedir. Fakat ortaya çıkıp kullanılabilir hale gelmesi için çok zaman geçmesi, onlarca deney yapılması gerekti.

Lazerin kuramsal arka planı Einstein’dan

Öykümüz 20. yüzyılın ilk çeyreğinde, 1917’de başlıyor. Albert Einstein, 1915 yılında genel görelilik kuramını yayımlamasının ardından yaşadığı dönemde oldukça popüler bir konu olan ışığın ışınımı (radyasyonu) üzerine çalışmaya başlar. Özellikle Max Planck’ın ışınım yasası (o dönemde bir makale ile ortaya atılmış, teorik olarak mümkün olan bir hipotezdi, dolayısıyla da tartışmaya açıktı) üzerine hesaplar yapar. Einstein, atomun kuantum teorisinden ve kuantum fiziğinin insanlığa tanıttığı rastlantısal ve istatistiksel temeller üzerine inşa edilen dünya görüşünden hazzetmez. Fakat bilir ki, sahip olduğu önyargı, dönemin fizik camiasında olağanüstü ilgi gören bu kuramı yanlışlamaya yetmez.

Max Planck, ışığın saçılımı üzerine çalışmaya başladıktan sonra, bunun bir dağılım eğrisi izlediğini fark eder ve kara yüzey (blackbody) adını verdiği hipotetik bir ortam hayal eder. Planck’a göre ışığın çarptığı her yüzey, ideal ortam olarak hayal ettiği kara yüzeyin deforme olmuş bir halidir. Bu varsayımı bir adım daha ilerleten Planck, 1900 yılında ışığın belirli frekanslardaki enerjisini hesaplamayı başarır. Kuantum kuramı savunucuları için bu olay çok önemlidir; çünkü yapılan varsayım, tüm kuantum nesnelerinin dalgasal yapıda olduğu ve dalga özellikleri gösterdiğidir. Dolayısıyla Einstein, eğer bu furyaya karşı gelecekse, işin en temeli üzerine çalışması gerekmektedir.

Einstein yaptığı hesaplamalar sonucunda “Zur Quantentheorie der Strahlung (Kuantum Teorisi Üzerine)” adında bir makale yazar. Planck’ın yaptığı matematiksel hesaplamaları, onun gittiği yönün tersinden ilerleyerek ve “Einstein katsayısı” adını verdiği bir katsayı ile çarpıp bölerek, yeni bir model yaratır. Ortaya koyduğu hesaplamalar fotonun, kristal ya da bu gibi bir yüzey ile etkileşimi sonrasında, malzeme içindeki atomların kuantum durumlarını değiştirerek aktif hale gelmelerini sağladığını ortaya koymuştur. Bu etkileşim sonrasında, tek renkte ve oldukça dar bir dalgaboyu aralığında (tek dalga boyu – monokromatik- olarak düşünülebilir) bir ışın elde edilmesine sebep olacaktır. Yani Einstein amacına ulaşamamış, aksine kuantum fiziğinin elektronik alanı ile daha da yakınlaşmasına sebep olmuştur. Üstüne üstlük yazdığı bu makale ile, farkında olmadan lazerlerin de kuramsal arka planını oluşturmuştur. Artık iş, ilk lazeri üretecek deneysel fizikçilere düşmekteydi.

Bir Lazerin prensipteki şeması. Işık gönderilen atomun içindeki elektron, bir üst enerji seviyesine çıkar. Eski haline geri dönerken de, malzemenin atomik özelliklerinden ötürü belirli bir dalgaboyunda ışık saçar, ışıma yapar. Teoride, sürekli ışık gönderildiğinde ve bu olay kapalı bir alanda gerçekleştirilerek, ışık için tek bir çıkış noktası bırakıldığında, aynı daygaboyunda çok güçlü bir ışık yoğunluğunun elde edilebiliyor olması gerekir.

O dönemde savaşı kaybetmekte olan Alman İmparatorluğu, Alman Bilim Akademisi’nin başına Einstein’ı getirir, fakat imparatorluğun tüm gelirleri savaş için ayrıldığından maaşlar doğru düzgün ödenememekte, ülkeler arası işbirliği sekteye uğramaktadır. Böyle bir ortamda Einstein’ın yazdıkları savaş sonuna kadar tam anlamıyla tartışılamaz. Savaş bittiğinde ise Einstein çoktan yeni bir şey yumurtlamıştır bile. Bilim dünyası evren modellerini tartışmakla meşguldür. Zaman içinde çekirdek fiziği araştırmaları ve kozmoloji alanındaki gelişmeler, lazer teknolojisi üzerine yapılacak çalışmaları bir süre sekteye uğratmıştır. Hemen sonrasında yaşanan ekonomik kriz, ardından gelen Dünya Savaşı, deneysel fizikçilerin silah araştırmalarına ya da sanayiye yoğunlaşmasına sebep olmuş, tek dalgaboylu ışın yaratma hayalleri için 1950’lere kadar beklenilmesi gerekmiştir.

Kızıl Ordu’dan iki fizikçi

Fiziğin çeşitli alanlarında yaşanılan bu gelişmelerden ışığın farklı dalga boylarını inceleyen bilim alanları da etkilenmiştir. Özellikle radyo ve kızılötesi araştırmaları yapan biliminsanları, Einstein’ın yaklaşımlarını bu dalgaboylarında denemeye koyuldular. Dünya’daki ilk kuantum elektronikçilerden biri olan Sovyet biliminsanı Nikolay Basov, bu çalışmalara hayatını adar. 1941 yılında savaşa katılmış, Kızıl Ordu ile Berlin’e girmiş askerler arasında yer alan tam bir kahramandır Nikolay Basov. Savaş sonrası akademiye geri döner ve özellikle askeriyede radyo iletişimini daha ileri götürebilecek cihazlar üzerine çalışmaya başlar. Eğer tek dalga boyunda radyo iletişim sinyali gönderebilen bir cihaz yapabilirse, Kızıl Ordu için oldukça kullanışlı yeni bir iletişim aleti üretebileceğini düşünmektedir.

Sovyet Kuantum Elektroniği Enstitüsü’ndeki Araştırma Laborotuvarı’nda Nikolay Basov.

Biliminsanı adaylığı (o dönemde Sovyetlerde doktora ile denk olan unvan) tezini, bu tür bir alet geliştirmek üzerine yapan Basov, görünür ışıktan daha yüksek dalga boylarındaki ışınları, çeşitli malzemelere gönderip, etkilerini ölçmeye başlar. Dört yıl boyunca yaptığı bu denemelerin ardından askerlik zamanlarından arkadaşı Alexander Prokhorov ile sohbet ederler. Zaman ikisini de pek değiştirmemiştir, iki eski asker fizikçinin çalışma alanları bile oldukça benzerdir. Savaş sonrası ikisi de atom teorisi gibi uzun vadede sonuç ortaya çıkarabilecek çalışmalar yerine mühendislik alanlarına kaymayı tercih etmişlerdir. Basov radyo dalgaları ile çalışırken Prokhorov mikrodalga üzerine çalışmıştır. Sonrasında yaptıkları buluşmalarda verilerini kıyasladıklarında Basov’un radyo dalgaları ile bir tür iletişim cihazı üretme fikrini mikrodalga üzerine denemeye karar verirler. Radyo yerine mikrodalga üzerine yaptıkları çalışmalarda, daha yüksek verim aldıklarını fark ederler.

ABD fikri kullanıyor

Fakat çeşitli istihbaratlar ile bu çalışmadan haberdar olmayı başaran ABD’li biliminsanları, Basov’un dört yıl boyunca geliştirdiği teoriyi kullanarak bu tür bir cihazı inşa etmek için çalışmaya başlar. Bu çalışmalar sonrasında Maryland  Üniversitesi’nden Charles H. Townes, 1954 yılında amonyak sıvısı dolu bir cam tüpe mikrodalga ışınları göndererek parlak bir ışın üretmeyi başarır. İnsanlığın o ana kadar ürettiği en hassas optik cihazı üretmişlerdir. Townes, açıklama yaparken bir biliminsanı olarak Basov’un ve Prokhorov’un isimlerini anmayı ihmal etmez. Sonrasında Townes, Bosov ve Prokhorov’un Sovyet Bilimler Akademisi’nde düzenlediği bir optik konferansına davet edilir. Orada buluşup tanışan üçlü, güçlerini birleştirip, bu sefer MASER adını verdikleri (Microwave Amplification by Stimulated Emition of Radiation, yani Mikrodalga Büyültmeli Uyarılmış Işıma Işınımı gibi çok kabaca Türkçe’ye çevrilebilir) cihazı, 24 GigaHertz kadar yüksek frekanslarda yayın yapacak hale getirirler. Sonrasında Basov, Prokhorov ve Townes, geliştirdikleri bu maser için 1964 yılında Nobel Fizik Ödülüne layık görülmüştür. Üç arkadaş, Nobel Komitesine bu son teknoloji cihazlar hakkında ufak bir ders vermiş, sonrasında da seyircilere gösteri yapmışlardır.

Sovyet Bilimler Akademisi’nde sağdan sola, Nikolay Basov, Charles H. Townes ve Alexander Prokhorov, 1954.

Üçlünün başarısı tüm dünyada duyulmuşken elektrofizikçiler için yeni bir sorun ortaya çıkmıştı: Görünür ışıkta çalışan bir maser yapılabilir miydi?  Bunun önündeki en önemli engel, görünür ışığın yeterince elektronu “heyecanlandıramıyor” olmasıdır. Parlak bir ışık elde edebilmek için doğru malzeme ile beraber bu sefer, ışık dışında malzemedeki atomların durumlarını değiştirebilecek yeni bir yöntem geliştirmek gerekmektedir.

Rezonatör fikri geliştiriliyor

ABD’li fizikçi Gordon Gould’un aklına, 1957 yılında bu araştırmaların kaderini değiştirecek bir şey gelir: 1950’de Bordeaux Üniversitesi’nden Fransız fizikçi Alfred Kastler, manyetik alan ve ışığın aynı anda gönderildiği bir gaz yoğunluğunda, bu gaz yoğunluğunun elektronlarının, yüksek enerjili ışın gönderilmeden bir üst enerji seviyelerine çıkabileceğini kuramsal olarak öngördü.

İki yıl sonra da öngördüğü bu durumu deneyecek fizikçi bulamadığı, daha doğrusu deneysel fizikçileri ikna edemediği için kendisi deneysel fiziğe “bulaşmış”, kendi öngörüsünün bir deneyini yapmıştı. Bu deney sonucunda Kastler, bir manyetik alan altında ribidyum gazına görünür ışık göndererek gazın enerji seviyesinin artmasıyla ışıma sağlanabileceğini kanıtlamıştı. O dönem maserler üzerine çalışan fizikçiler bu çalışmayı, gazlar üzerine çalışıldığı için görmezden gelmişlerdir! Gordon Gould, 10 yıl öncenin bu araştırmasını arşivlerden çıkarıp katılar ve sıvılar üzerinde denemeye karar verir. Sonuç zaferdir.

Fakat ortada tek bir sorun vardır. Katı bir maddeyi yüksek manyetik alanın etkisinde bırakıp tüm maddeye ışık gönderip parlak bir ışın olarak geri dönüş almak için kocaman bir oda dolusu pahalı ekipmanı saatlerce çalıştırmak gerekmekte, bu yüzden de cihaz yarım saatten daha uzun sure çalışamamakta, bütün fakültenin sigortalarını attırmaktadır. Eğer bu cihazın günlük hayatta kullanılması isteniyorsa, hem görünür ışık gönderecek, hem de aynı zamanda manyetik alan yaratacak bir teknoloji geliştirilmesi gerekmektedir. Rezanatör adı verilecek bu cihazı inşa etme fikri de böylece ortaya çıkar.

1955’den itibaren optik-elektronik fizikçileri belirli aralıklarla toplanıp, yaptıkları çalışmaları paylaşmaya başladılar (Günümüzde optoelektronik fiziğin bir altdalıdır ve bu insanlara optoelektronikçiler, hatta zaman zaman optocular denir. Fakat o dönemde opto, bir alt bilim dalı olarak değil, mühendislik olarak görülüyordu). İlk defa bu gibi bilgi transferi toplantılarına Sovyetlerden de biliminsanları katılıyordu. Basov ve Prokhorov’un girişimleriyle bu konferanslardan biri de Moskova’da düzenlendi. Tüm dünya adeta tek yürek olmuş, böyle bir cihazı hep beraber üretmek için çaba sarf etmekteydi yani.

Rezonatör araştırmaları ve rock müzik

Rezonatör, yalnızca lazer araştırmalarında işe yaramadı. Sabit alternatif akım üretmeyi sağladığı için elektrik mühendisliğinin sayısız alanında kullanılmaya başlanırken, elektro gitarların içinde de bulunmaya başladı. Özellikle yarattığı yankı benzeri ses efekleri 60’lı yıllarda birbirinden “tuhaf” sesler çıkaran elektro gitar pedallarında kullanıldı. Bu pedalları yoğun bir biçimde kullanan The Beatles, Velvet Underground, Pink Floyd ve Jefferson Airplane gibi müzik grupları Psychedelic Rock adı verilen yeni bir müzik türünün de temellerini atmış oldular. Bunların hepsi de konferansta bir araya gelmiş bir grup fizikçinin yaptığı tartışma sayesinde oldu denilebilir.

Veee lazer

1959’da bu konferanslardan birinde Gould, LASER adını ilk defa kullandı. Görünür dalgaboyu için Optical-MASER, radyo için Radio-Maser, Ultraviyole için UV-MASER demek yerine MASER’in “mikrodalga” ile kısıtlı tanımlamasını genişletmeye ihtiyaç vardır. Bu yüzden “Light Amplification Stimulated Emition of Radiation” tanımı, bu cihazların tümü ve tüm dalgaboyları için kullanılmaya başlandı. Aynı yıl akademik kariyerinin zirve noktasını yakalayan Gordon Gould, laboratuvar ortamında yaptığı ilkel lazeri geliştirecek bir “taşınabilir” manyetik alan yaratıcı cihaz yaratmak için konferansa katılan fizikçilere çağrıda bulundu. Çözüm önerisi ise Prokhorov’dan geldi. Bir metal çubuğa iletken teller sarıldığında ve bu tele enerji verildiğinde, manyetik alan oluşmakta. Aynı mantık enerji üreten herhangi bir şey için yapılamaz mı? Mesela malzeme dolu tüpün etrafını saracak şekilde bir ampül tasarlansa ve ışık yakılsa, manyetik alan yaratmak mümkün olur mu? Gould, konferanstan döner dönmez florasan bir lambayı benzer şekillerde tasarlattı ve merkezine bir pusula koydu. Manyetik bir madde bulunmadığı halde manyetik alan, ampulün içinde hareket eden yükler tarafından oluşturulmuştu. Artık taşınabilir bir lazer yapmak için önlerinde hiçbir engel kalmamıştı.

Gould (oturan), patentini aldığı lazerlerden biri ile.

Gould, bu tasarımın, patentini 1960’da satın alarak, bu tasarımın kullanılıp lazerlerin üretilmesi için ortaya belirli şartlar koydu. Bu şartlara göre lazerler, bilimsel araştırmalar ve devlet işletmeleri tarafından ücretsiz olarak çoğaltılıp kullanılabilecek, fakat özel şirketler tarafından kullanılacak ise Gordon Gould’un lazer araştırmaları için kurduğu vakfa lisans satınalma ücreti ödenmesi gerekecekti.

Kırmızı ışık veren yakut lazerinin şeması.

Bu şartlara uyarak tarihteki ilk optik lazeri Theodore H. Mainman 16 Mayıs 1960 yılında üretmeyi başardı. Yakut kristali etrafını florasan lamba ile sararak, bir insan avucu boyutundaki lazeri, elektrikli olarak çalıştırdı ve düzgün, sabit, kırmızı renkli bir ışık elde etti. Günümüzde bulunan ucuz kırmızı lazerlerin çalışma prensibi hâlâ aynıdır. Fakat öykü burada sona ermedi.

Patent savaşları

Alexander Graham Bell’in kurmuş olduğu Bell Şirketi’ndeki fizikçiler, kendi laborotuvarlarında lazer üretmeyi başardılar ve patent lisansı almadan tarihteki ilk lazer fabrikasını kurarak seri üretime geçtiler. ABD Patent Enstitüsü’ne lazer gibi genel bir icadın insanlığın malı olduğunu iddia ederek dava açtılar ve kazandılar. Gould, patent haklarını kaybetti ve ABD’deki özel şirketler birer birer lazer fabrikaları açmaya başladı. Böylece ABD tarihindeki en uzun yasal süreç de başlamış oldu. Orijinal lazer tasarımının kendi emekleri ile üretildiğini ve tüm bu özel şirketlerin emek hırsızlığı yaptığını iddia eden Gould 28 yıl boyunca süren itiraz davasını sürdürdü. Nihayet 1987 yılında Gordon Gould’un hayatını adadığı dava sonuçlandı. Buna göre yakut ile çalışan tüm kırmızı lazerlerin Gordon Gould’a bağlı olduğuna, bu yüzden lazer teknolojisi şirketlerinin, Gould’un “Technical Research Group” Vakfı’na tazminat ödemesine karar verildi ve yapılan tüm itirazlar reddedildi. 30 yıllık bu süreç hâlâ tartışmalı olmakla beraber, hukuk tarihinde üniversitelerde öğretilen bir fenomen haline gelmiştir. Gelecekte buna benzer bir dava sürecini Apple ile Samsung  yaşayacak, Gould’un yaşadığı durum emsal gösterilerek Samsung’un Galaxy telefon tasarımı için Apple patentini satın alması ve tazminat ödemesi istenecekti.

Lazere katkısı olan biliminsanları başka neler yaptı?

Peki lazerlerin üretimi için çaba harcamış insanlara ne oldu?

– Bu yasal sürecin yaşandığı yıllarda Nikolay Basov, füze hedefleme ve savunma sistemlerinde lazerli bilgisayarların kullanılması, keskin nişancı tüfeklerde lazer kullanılması gibi askeri araştırmalarda bulundu. Özellikle lazer etkileşimli bilgisayarlar ve savunma sistemleri hakkında yaptıklarından ötürü Sovyetler Birliği’nden 20’den fazla ödül aldı. Komünist Parti’nin imtiyazlı üyesi olmaya hak kazandı.

– Aleksander Prokhorov, parçacık fiziği ile ilgilenmeye başladı. Synchtoron adı verilen, lazerlerle çalışan ve devir daimli bir parçacık hızlandırıcısı tasarımı yaptı. Sovyetler Birliği’nde inşa edilen hızlandırıcılarda bu tasarım kullanılmaya uzunca süre devam etti. CERN, kendisinin ürettiği lazer etkileşimli hızlandırıcı teknolojisini kullanmak istedi. Prokhorov kabul etmesine rağmen Sovyetler Bilim Akademisi buna uzunca bir süre izin vermedi. Ancak 80’lerde Avrupa ile Sovyet ilişkilerinin yumuşamasıyla bu tür “teknoloji ticaretine” izin verilmeye başlandı.

– Charles Townes, ilk lazer araştırmalarından sonra ABD Savunma Bakanlığı’na danışmanlık yaptı, Basov’un Sovyetler için geliştirdiği bu teknolojilerin kopyalarını ABD ordusu için üretti. 1970’lerde Apollo Uzay Aracı Ay’a giderken hedefleme çalışmalarında lazerlerin kullanılmasını sağladı. Bu çalışmalardan sonra astronomiye ilgi duymaya başlayan Townes, teleskopların hedefleme sistemleri için de gözlemevlerinde güçlü lazerlerin kullanılabileceğini önerdi. Hatta çok güçlü kimyasal lazerler ile noktasal olarak atmosfer etkilerini yok edip teleskoba berrak bir görüntü verilmesini sağlayan sistem geliştiren ekibin içinde yer aldı. Sonrasında lazerlerin uzaydaki molekülleri yakalayabilmek ya da bunların izlerini bulabilmek için kullanılabileceğini önerdi ve gerekli sistemlerin inşasının yapılmasında rol oynadı. Ardından lazerlerle yıldızların tam şekillerinin ölçümü için küresel şekilde lazerler üreterek Dünya yüzeyinden gözüken yıldızların daha hassas büyüklük ölçümlerinin yapılmasında önemli rol oynadı.

Lazerler, 80li yıllardan itibaren tıp alanında aktif bir şekilde kullanılmaya başladı. Elmas gibi nesneleri kesebilmek için madencilik alanlarında da kullanılırken, sayısız yan ürüne gebe oldu. Günümüz biliminde lazersiz bir dünyayı düşünmek mümkün bile değil. Bu gelişmeler için kolektif çabalar harcamış bu önemli insanlara teşekkür etmemiz gerekiyor.

Kaynaklar

– https://physics.aps.org/story/v15/st4

– 1959 Yılında ABD’nın Ann Arbor Kentinde yapılan Optik-Elektronik Konferansı Günlükleri.

– https://www.worldcat.org/title/ann-arbor-conference-on-optical-pumping-the-university-of-michigan-june-15-through-june-18-1959/oclc/02460155

– http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html