Lazerler Modern Dünyanın ve Geleceğin Temel Teknolojisi

Lazerlerin Potansiyeli

İlk lazerin 1960’ta üretilmesinden ve onu mümkün kılan fiziğin arkasındaki bilim insanlarının 1964’te Nobel Fizik Ödülü’nü almasından bu yana teknoloji yeni kullanım alanları bulmaya devam etti. Lazerler yaygın olarak şu alanlarda kullanılır:

• kazıma ve baskı,
• fiber optik iletişim,
• optik diskler,
• yarı iletken üretimi,
• cerrahi,
• sağlık tedavisi,
• ölçümler,
• askeri hedefleme.

Bu gelişmelerin devamında lazerler yakın gelecekte üretim süreçleri (kaynak, 3B baskı), uydu iletişimi, uzay araçlarının itki sistemleri, biyoteknoloji, bilgi işlem (fotonik), nükleer füzyon ve hatta silahlar için kritik hale gelebilir.

Lazer Prensipleri

Lazer sözcüğü İngilizce Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yani uyarılmış ışınım yayımıyla ışık güçlendirme ifadesinin kısaltmasıdır. Lazer teknolojisinin temel fikri, sıradan ışık yerine uyumlu ışık üretmektir.

Uyumlu ışık demetleri, tek bir dalga boyunda çok dar bir ışın oluşturur ve uzun mesafelerde dağılmaz.

Kaynak: Britannica

Lazer üretmek için genellikle gazdan, bazen de sıvı veya katı maddeden oluşan yayıcıdaki atomlar uyarılır. Atomlar ışık yayar; bu ışığın büyük bölümü lazerin içinde tutulup yansıtılır ve sonunda uyumlu bir ışık demeti olarak dışarı çıkar.

Kaynak: University of Kwazulu-Natali

Lazerler çok çeşitli dalga boyları için üretilebilir. Her dalga boyunda ışık üretmek için farklı bir malzeme kullanılması çalışma biçimini değiştirir. Farklı dalga boyları farklı miktarda enerji taşır ve hedeflenen malzemeye göre farklı biçimde soğurulur.

Yalnızca tıp alanında bile amaca göre çok sayıda farklı lazer kullanılabilir.

Kaynak: University of Kwazulu-Natali

(Lazerin bilimsel prensipleriyle ilgilenen okuyucular, daha fazla bilgi edinmek için “Lazer Prensipleri” okuyabilir.)

Lazer Teknolojisinin Gelişimi

Lazerler yıllar içinde büyük ölçüde gelişti. Yeni malzemeler, CO₂, yakut, titanyum-safir ve temelindeki çalışmaları 2023 Nobel Fizik Ödülü’nü alan kuantum nokta lazerleri gibi seçeneklerle kullanılabilir dalga boylarını artırdı.

Bu gelişme, ultra kısa darbeli lazerlerin ve üretim ile tıptaki belirli uygulamalar için hassas biçimde ayarlanmış lazerlerin önünü açtı.

Düşük güçlü lazerler 1970’lerde barkod tarayıcılara entegre edilebilecek kadar hızlı ucuzladı. Daha sonra CD’lerde, ardından DVD ve Blu-ray disklerde depolanan verileri okumak için kullanıldı.

Kaynak: Laser Warfare

Yeni lazer türleri de ufukta olabilir. Örneğin açık hava lazerleri daha dayanıklı ve hafif olabilir.

Lazer Uygulamaları

Son Derece Kısa Zaman Aralıklarının Gözlemlenmesi

Ultra kısa lazer darbelerinin bir uygulaması, hedefi femtosaniye düzeyinde, yani saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar çok kısa süreyle aydınlatmaktır.

Bu sayede, daha önce anlık gerçekleştiği düşünülen moleküler kimyasal tepkimeler gibi olaylar gözlemlenebilir.

Kaynak: Nobel Prize

Daha fazla ilerleme, attosaniye bilimi adı verilen yepyeni bir bilim alanını da açıyor. Bir attosaniye, femtosaniyenin binde biridir. Bu yöntemle bilim insanları atom ve moleküllerdeki elektron dinamiklerini inceleyebilir ve yoğun fazdaki maddeyi araştırabilir.

Kazıma ve Üretim

Lazerler malzemeleri çok hassas biçimde kazıyabilir. Ancak lazerin fazla uzun kullanılması malzemeyi hızla ısıtır ve zarar verici şok dalgaları oluşturur. Bu durum güçlü lazerler veya kusursuz olması gereken malzemeler için eskiden sorun teşkil ediyordu.

Gelişmiş femtosaniye lazerleri kazıma yapmaya devam ederken darbeleri aşırı ısınmayı önleyecek kadar kısadır ve böylece sorun ortadan kalkar.

Kaynak: Nobel Prize

Günümüzde lazerler metalin yanı sıra plastik, ahşap ve camı delmek, kesmek, işaretlemek, dokulandırmak ve kaynak yapmak için düzenli olarak kullanılıyor.

“Günümüzde üretilen birçok parça, yalnızca lazerle delme yoluyla oluşturulabilen mikroskobik özellikler gerektiriyor.

Doğrudan yazma, trepanasyon ve maske projeksiyonu gibi yöntemlerle çeşitli malzemelerde ısı etkisi veya malzeme hasarı olmadan çok küçük ve karmaşık özellikler üretilebilir.”

Laser Light Technologies mühendislik direktörü Matt Nipper. Şirket artık Spectrum Plastics bünyesindedir.

Modern lazer makineleri CNC makineleri gibi gelişmiş yazılımlarla kontrol edilir. Lazer üretim araçları, birkaç bin dolarlık küçük masaüstü cihazlardan milyonlarca dolarlık fabrika ölçekli makinelere kadar uzanır.

Lazerler, kabloların yalıtımını çıkarmak için kullanılabilecek kadar hassas olabilir.

“Yalıtım, 0,005 inçlik bir toleransla çıkarılabilir. Sıyırma işlemi, telin herhangi bir noktasındaki yalıtımı aşındıracak şekilde programlanabilir ve telin orta bölümlerinde yüksek hassasiyetle çıkarma yapılmasını sağlar.”

Laser Light Technologies mühendislik direktörü Matt Nipper. Şirket artık Spectrum Plastics bünyesindedir.

3B Baskı

Birçok 3B yazıcı, nihai ürünü oluşturan plastik veya metali eritmek için lazer kullanır. Buna halka biçimli bir lazer demetiyle daha da hassas ve güçlü hale gelebilecek lazer toz yatağı füzyonu da dahildir.

Kaynak: International Journal of Machine Tools and Manufacture

İki lazerin aynı anda kullanılması da standart bir düzene dönüşebilir ve eklemeli üretim sürecini hızlandırabilir.

“3B Baskının Üretimin Geleceğine Entegrasyonu” başlıklı yazıda ele alındığı üzere 3B baskı üretim süreçlerinin giderek daha büyük bir parçası oldukça lazer talebinin de artması beklenebilir.

Tıbbi Kullanımlar

Lazerlerin yoğun ışığı, proton ve elektron gibi parçacıkları son derece yüksek enerji düzeylerine çıkaran lazer-plazma hızlandırması oluşturmak için kullanılabilir. Bu parçacıklar radyoterapide kullanılabilir; lazerler, çok daha büyük ve hantal parçacık hızlandırıcılarının aksine hastaneye sığacak kadar küçük makineler kurulmasını sağlar.

Ultra hızlı lazerler göz cerrahisinde de kullanılır; gözlük gereksinimini ortadan kaldıran LASIK ameliyatından diyabetik retinopatiyi tedavi eden fotokoagülasyona kadar çeşitli uygulamalar vardır.

Kaynak: Nobel Prize

Lazerler cilt tedavisinde kullanılabilir. Kullanılan dalga boyuna bağlı olarak yalnızca üst tabakayı veya daha derindeki kan damarlarını etkileyebilir.

Kaynak: Laser Focus World

Lazerler ayrıca tüy ve dövme silme, cilt gençleştirme, akne izleri ile yaşlılık lekeleri ve benler gibi pigmentli oluşumların giderilmesi dahil kozmetik tedavilerde kullanılır.

Veri Depolama

Lazerler onlarca yıldır optik disklere veri kodlamak için kullanılıyor. Daha güçlü ve daha kısa dalga boylu lazerler verileri daha yoğun biçimde depolayabildiğinden, Blu-Ray için mavi LED lazerlere geçilmiştir.

Ancak optik disklerin dayanıklı bir veri depolama biçimi olmadığı artık belirginleşiyor.

Bu nedenle polimerler üzerinde düşük güçlü kazıma, diğer mekanik veri depolama biçimleri, elmas kazıma veya 5B kristal diskler gibi çok sayıda lazer yöntemi değerlendiriliyor.

Kaynak: University of Southampton

Lazerlerin ışık dalga boyunun nanometreleri ölçüsünde hassas olabilmesi, özellikle uzun süreli depolamada tercih edilen bir veri kayıt yöntemi olarak kalmalarını olası kılıyor.

Yarı İletken Kazıma

Yarı iletken üreticileri sektörün başlangıcından beri bilgisayar çiplerinde kullanılan malzemeleri hazırlamak için lazerlerden yararlanıyor.

Lazerle kesme ve kazımanın önemli bir avantajı temas gerektirmemesi ve alternatiflerden daha az toz üretmesidir. Bu, en yüksek temizlik düzeyini gerektiren malzemeler için önemlidir. Lazerle kesme ayrıca daha az malzeme harcar ve çatlak oluşturmaz.

Lazerler yarı iletken malzeme ve ekipmanlarında kaynak, kaplama sökme ve işaretleme işlemleri için kullanılır.

Bilişim

Klasik silikon çipler mümkün olan en küçük boyuta yaklaşırken bilgisayarların ve veri merkezlerinin gücünü artırmayı sürdürmek için yeni bilgi işlem yöntemleri araştırılıyor.

Bunlardan biri, hesaplama verilerini taşımak için elektronlar yerine ışık kullanan fotoniktir. Bu yöntem, silikon transistörlerin yerini almak üzere çok sayıda ultra hızlı lazerin yanı sıra ışık sensörleri ve optik fiberler kullanır ve Moore Yasası’nı geçerli tutmanın bir yolu olabilir.

Bir başka seçenek, normal bilgisayarların yapamadığı hesaplamaları kuantum etkileriyle gerçekleştiren kuantum bilgisayarlardır. Lazerler burada da yardımcı olabilir: hidrojen atomlarını yönlendiren kızılötesi lazerlerden manyetik olmayan maddeleri mıknatıslayan lazerlere kadar çeşitli yöntemler vardır.

Telekomünikasyon

Lazerler, yarı iletkenler ve bilgi işlemin yanı sıra onlarca yıldır bilgi iletmek için kullanılıyor.

Lazer diyotlar dar frekanslı uyumlu ışık üretebilir ve tek bir fiber optik kablodan birden fazla bilgi kanalı gönderilmesini sağlar. Çoğunlukla uzun mesafeli telekomünikasyonda kullanılır ve kuantum noktalarıyla üretilir.

Lazerler, uydular arasında veya uydularla yer istasyonları arasında uzay iletişimi için de kullanılabilir.

Lazer iletişiminin radyo dalgalarına göre temel üstünlüğü daha yüksek bant genişliğidir; böylece daha kısa sürede daha çok veri aktarılır. Ayrıca lazer iletişimini dinlemek neredeyse imkânsızdır, çünkü dinleyenin fiziksel olarak alıcının yanında bulunması gerekir.

Örneğin her Starlink uydusunda uydular arası üç lazer bağlantısı (ISL) bulunur. Bu bağlantılar 200 Gbit/sn hızla uydular arasında veri aktarır ve ardından veriyi Starlink yer istasyonlarına iletir.

Gelecekte Ay veya Mars’taki olası üslerle kurulacak uzay iletişimi de hem en hızlı veri aktarımını hem de en yüksek bant genişliğini sağladığı için büyük olasılıkla lazer kullanacaktır.

Biyoteknoloji

Fluoresans

Lazerlerin çoğu zaman gözden kaçan kullanım alanlarından biri biyoteknolojidir. İlk yöntemlerden biri lazerle indüklenen floresans (LIF) idi. Bu yöntemde lazer, biyolojik dokuların veya moleküllerin yeşil ya da kırmızı ışık yaymasını sağlayarak floresans mikroskobuyla gözlemlenmelerine olanak verir.

Kaynak: MicroscopyU

Lazerler ayrıca bir örnekteki hücreleri ayırmak için akış sitometrelerinde kullanılır.

Tekniğin önemli bir alt dalı, kromatografi ve kılcal elektroforezde kullanılan LIF spektroskopisidir. Bunların ikisi de biyolojik molekülleri analiz etmek için biyokimyada büyük önem taşır.

Gen Sekanslama ve Tıp

Kaynak: Memorial University

Lazer teknolojisindeki gelişmeler ve azalan maliyetler, gen dizilemenin yaygınlaşmasında ve hem araştırmacıların hem de tıp uzmanlarının erişimine açılmasında önemli rol oynadı.

Lazerler kanserin saptanması ve kanser hücrelerinin analizi için kullanılır ve ileri analiz amacıyla ince doku kesitleri de oluşturabilir.

Sensörler ve Otonom Araçlar

Lazerler çevrelerini ölçmek için kullanılabilir. Fabrikalarda konumlandırma, mesafe ölçümü veya bir engelin varlığını saptama gibi işlevler görebilir.

Bu tür lazerlerden oluşan karmaşık sistemler, çevredeki nesnelerin uzaklığını lazer darbeleriyle ölçen lidar (Light Detection and Ranging) teknolojisinde kullanılır. Lidar sistemleri haritalamada yaygındır.

Lidar, Google’ın Waymo’su (GOOGL ) dahil çoğu otonom sürüş sisteminin temel bileşenidir. Yalnızca kameralara dayanan Tesla bunun dışındadır.

Yönlendirilmiş Enerji Silahları

Dronlar modern savaş alanlarında büyüyen bir tehdit haline gelirken dünya genelindeki ordular onları düşürmek için düşük maliyetli çözümler arıyor.

Bu özellikle önemlidir; çünkü çoğu kamikaze dron en fazla birkaç bin dolar tutar ve bu yüzden bir füze, hatta ateşli silaha dayalı çözüm bile çoğu zaman hedeften daha pahalıdır.

Çözümlerden biri, mikrodalga demetlerini de içeren yönlendirilmiş enerji silahlarının bir alt türü olan lazer silahları olabilir. Amaç, dron tehdit oluşturmadan önce güçlü bir lazer demetiyle onu yakmaktır.

Kaynak: Laser Focus World

Mühimmatın maliyeti yalnızca kullanılan enerjiden oluşacağından bu, uzun vadede uygulanabilir az sayıdaki seçenekten biri olabilir. Ancak teknoloji henüz olgunlaşmış değildir ve aktif savaş alanlarında kullanılmadan önce birkaç sorunun çözülmesi gerekir:

• Lazer silahları sisli havalarda etkisiz kalabilir.
• Enerji tüketimi çok yüksek, bu da hızlı ateşleme için üretim ve depolamayı sorunlu kılar.
• Lazerler nispeten kırılgan cihazlardır, bu da ön hat rolünde güvenilir olmalarını zorlaştırır.

Lazer tabanlı silahların ilk büyük ölçekli kullanım alanı büyük olasılıkla askerî üsler ve gemiler gibi sabit tesisler olacaktır.

Nükleer Füzyon

Günümüzde nükleer füzyona ulaşmak için başlıca strateji, plazmayı hapsetmek üzere manyetik alan kullanan halka biçimli yapılar olan tokamaklardan yararlanmaktır.

“Nükleer Füzyon – Ufukta Nihai Temiz Enerji Çözümü”da açıkladığımız gibi, bu, nükleer füzyona ulaşmanın tek yöntemi değildir. Başka bir seçenek, hidrojen atomlarını o kadar ısıtmak için lazer kullanmak; bu atomlar birbirine çarpıp anında şok dalgaları oluşturur ve hidrojen atomlarını bir araya iterek füzyonu tetikler.

İyi bir örnek, 192 güçlü lazer demetini kalem silgisi büyüklüğündeki bir hedefe yönlendiren, güçlendiren, yansıtan ve odaklayan ABD Ulusal Ateşleme Tesisi’dir (NIF). Böylece tek bir noktada 500 trilyon watt tepe gücü sağlanır.

Kaynak: Britannica

Bu sistemler olası ticari nükleer füzyon için güçlü adaylardır ve derin uzay araçlarında darbeli füzyon itkisi için de yararlı olabilir.

Uzay Uygulamaları

Astrofizik

Astrofizik, Dünya’da yeniden oluşturulması güç olan aşırı basınç ve sıcaklık koşullarıyla sıkça ilgilenir. Yıldızların veya gaz devi gezegenlerin içi buna örnektir.

X-ışını serbest elektron lazerleri (XFEL), sıcak yoğun maddenin (WDM) incelenmesine yardımcı olabilir; bu da daha iyi uzay araçları ve füzyon motorları geliştirilmesini sağlayabilir.

Orbital Güneş Enerjisi

Yörüngesel güneş enerjisi, temiz enerji üretimi için giderek daha olası bir seçenektir. Bir güç sistemini yörüngeye fırlatma maliyeti hızla düştüğünden binlerce ton yükü yörüngeye taşıma veya uzayda üretim fikri uygulanabilir hale geliyor.

“Sınırsız Temiz Enerji İçin Uzay Tabanlı Enerji Çözümleri” yazısında incelediğimiz gibi, üretilen enerji mikrodalga demetleri veya güçlü lazerlerle Dünya’ya aktarılabilir.

Güneş Yelkeni

Lazerlerin gelecekteki bir başka uzay uygulaması güneş yelkenleridir. Temel fikir, fotonların kütlesiz olmasına rağmen çok küçük bir momentum taşımasıdır.

Derin uzayın ağırlıksız ortamında bu küçük itki bir uzay aracını hızlandırmaya yetebilir.

Güneş yelkeni, ışığı yakalayıp itkiye dönüştürebilen folyodan yapılmış büyük bir yelkendir. Yörüngedeki veya Ay’daki lazer sistemleri böyle bir yelkene daha fazla ışık yönelterek onu kimyasal roketlerle ulaşılamayan hızlara çıkarabilir.

Kaynak: For All Mankind TV

Bu yöntem yıldızlar arası yolculukta bile kullanılabilir; bilinen fizik kurallarıyla bir uzay aracını teorik olarak ışık hızının yüzde 20’sine çıkarabilir.

Lazer Teknolojisine Yatırım

Lazerler optik disklerden cerrahi aletlere, 3B baskıdan yarı iletkenlere, üretime ve genom dizileme cihazlarına kadar modern teknolojinin sayısız alanında bulunuyor. 17,8 milyar dolarlık pazarın 2030’a kadar yıllık bileşik %7,8 oranında büyümesi bekleniyor.

Lazerle ilişkili şirketlere birçok aracı kurum üzerinden yatırım yapılabilir. Securities.io üzerinde ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık ve diğer birçok ülke için en iyi aracı kurum önerilerimizi bulabilirsiniz.

Belirli şirketleri seçmek istemiyorsanız iShares U.S. Technology ETF (IYW) veya ProShares Nanotechnology ETF (TINY) gibi teknoloji ETF’lerini de değerlendirebilirsiniz. Yalnızca lazerlere ayrılmış bir ETF bulunmasa da bunlar nanoteknoloji ve teknoloji hisselerine daha çeşitlendirilmiş erişim sağlar.

Lazer üretiminde önemli bir unsur olan ve şu anda ABD-Çin ticaret savaşının merkezinde bulunan galyuma nasıl yatırım yapılacağını özel raporumuzdan öğrenebilirsiniz.

Lazer Şirketleri

II-VI Marlow / Coherent

Coherent, 26.000’den fazla çalışanı bulunan büyük bir sanayi grubu ve lazer teknolojisi lideridir. Şirket, ileri malzeme üreticisi II-VI (COHR ) Marlow ile lazer üreticisi Coherent’ın birleşmesi sonucunda oluştu.

Şirket, lazer, optik ve fotonikte kullanılan indiyum fosfit, epitaksiyel wafer ve galyum arsenit gibi ileri malzemelerde uzmandır. Son on yıldaki birçok satın alma sayesinde önemli ölçüde büyüdü.

Kaynak: Coherent

Şirket gelirlerinin yüzde 29’unu doğrudan lazerlerden elde eder; geri kalanı optik fiber ve elektronik gibi ilgili ekipmanlara bağlıdır. Cihaz kategorisi çoğunlukla yaşam bilimleri ve tıbbi uygulamaları kapsar.

Kaynak: Coherent

Şirketin termofotovoltaik, silisyum karbür, lazer ve elektronik gibi ileri malzemelerdeki varlığı; hassas üretim, eklemeli üretim ve 3B baskı, elektrifikasyon ve yenilenebilir enerjinin büyümesi gibi yapısal eğilimlerden yararlanmasını sağlar. Termofotovoltaikleri önceki bir yazımızda ele almıştık.

Şirket yakın zamanda silisyum karbür faaliyetlerini yüzde 75’i Coherent’a ait yeni bir kuruluşa ayırdı. Kalan paylar, silisyum karbür güç teknolojisi fikrî mülkiyetini getiren Mitsubishi Electric ile elektrifikasyon ve güç yarı iletkenlerindeki otomotiv tedarikçisi faaliyetini getiren Denso arasında eşit bölündü.

Bunun nedeni, silisyum karbürün giderek elektrikli araçlar, bataryalar ve yenilenebilir enerji gibi yüksek güçlü uygulamalarda kullanılan bağımsız bir teknolojiye dönüşmesidir.

Coherent, otonom sürüş uygulamaları dahil lidar ve dijital 3B algılama, biyoteknolojide yeni nesil dizileme (NGS) akış hücreleri ve yarı iletken üretim lazerleri alanlarında liderdir. Şirket ana pazarlarının yüzde 8–20 büyümesini bekliyor.

Kaynak: Coherent

Yönlendirilmiş enerji silahları, fotonik bilgi işlem, nükleer füzyon ve uzay teknolojisi gibi diğer olası yeni lazer uygulamaları da şirketin uzun vadeli büyümesini destekleyebilir.

Genel olarak Coherent, sektöre ilgi duyan yatırımcılar için borsada işlem gören saf bir lazer şirketine olabildiğince yakındır. Güçlü dikey entegrasyona ve yeniliklerini koruyan 3.100’den fazla patente sahiptir.