2018 Nobel Fizik Ödülüne layık görülen araştırmaların gerçekleşmesinde hangi bilimsel gelişmelerin etkili olduğunu görebilmek için dilerseniz evvela 58 yıl öncesine gidelim. 1960 yılında ilk lazer Theodore Maiman tarafından ABD’deki Hughes Araştırma Laboratuvarları’nda yakut kristali kullanılarak başarılı bir şekilde çalıştırılmıştı. Lazer ışığını, o güne dek bilinen diğer ışık kaynaklarından ayırt eden en önemli özelliği, eş evreli oluşudur. Bir başka deyişle, lazerin ürettiği ışık dalgaları arasında sabit bir faz ilişki vardır. Bu özelliği sayesinde, bir lazer ışın demetini ikiye ayırıp uzun bir mesafeden sonra birleştirirseniz, düzgün bir girişim deseni elde edebilirsiniz. Ayrıca, lazer ile üretilen ışın hüzmesinin belli bir renkte ve yönlü olduğunu, uzun mesafelerden sonra bile göreli olarak toplu kalabildiğini ve odaklandığında çok yüksek güç yeğinliği (şiddeti) elde edilebildiğini görüyoruz.
Geçtiğimiz 58 yıl içerisinde lazerler birçok farklı rejimlerde çalıştırılabilmiştir. Örneğin sürekli dalga rejiminde çalıştırılan bir lazerin çıkış gücü zamana göre sabit kalır. Darbeli lazerlerde ise, lazerin çıkışı kısa süreli ve tekrarlayan darbeler biçimindedir. Bu grupta yer alan femtosaniye lazerleri, uzunluğu femtosaniye (1 femtosaniye=10-15 saniye, bir başka deyişle saniyenin katrilyonda veya 1000 trilyonda birine karşı gelen zaman aralığı) mertebesinde olan optik darbeler üretir. Bu tür lazerlerin kullanım alanları arasında, sert malzemelerin hassas işlenmesi, biyomedikal görüntüleme, çok hızlı fotokimyasal olayların ölçümü, x-ışını üretimi ve benzeri uygulamalar yer alıyor.
2018 Nobel Fizik Ödülü, lazer konusunda öncü icatları ile gerek bilimsel gerekse teknoloji alanlarında yaygın etki yaratmış üç bilim insanına verildi. Ödülün yarısını, optik cımbız tekniğini ve uygulamalarını geliştiren Arthur Ashkin alırken, diğer yarısı genişletilmiş darbe amplifikasyonu (CPA, chirped pulse amplification) tekniğini icat eden Donna Strickland ve Gerard Mourou arasında paylaştırıldı.
Arthur Ashkin, neredeyse bilim kurgu filmlerini anımsatan öncü çalışmalarında, ışığın oluşturduğu basınç (radiation pressure) ile cisimlerin ötelenebileceğini veya yer çekimi kuvvetini dengeleyerek tutulabileceğini, bir başka deyişle, tuzaklanabileceğini ilk kez deneysel olarak gösterdi.
Bu yöntemin etkin bir şekilde kullanılabilmesi için odaklanmış ve dolayısıyla yüksek şiddete sahip bir lazer hüzmesi gereklidir. Ayrıca, yanlış anlaşılmaya neden olmamak için hemen vurgulamakta fayda var. Tuzaklanabilen cisimler oldukça küçük boyutlardadır. Günümüze dek yapılan deneylerde, atomların, virüslerin, bakterilerin ve mikroskopik taneciklerin tuzaklanabileceği deneysel olarak gösterildi. Bu yönteme dayalı oluşturulan ve odaklı lazer ışığı ile cisimlerin dengede tutulabilmelerini sağlayan cihaza optik cımbız (optical tweezer) adı veriliyor.
Bu alandaki en çarpıcı gelişmelerden bir tanesi 1987 yılında gerçekleşir. Ashkin, geliştirmiş olduğu optik cımbız ile canlı bakterilerin tuzaklanabileceğini ve bunlara zarar vermeden birçok biyolojik özelliğin incelenebileceğini gösterir. Bu öncü çalışmanın ardından, optik cımbızlama, özellikle yaşam bilimleri alanında ve hücrelerin incelenmesinde yaygın kullanılan bir teknik olarak ortaya çıktı.
Strickland ve Mourou’nun icat ettiği chirped pulse amplification (CPA, gerilmiş darbe amplifikasyonu) tekniği sayesinde, bilinen en şiddetli optik darbelerin üretimi mümkün olmuştur. 1985 yılında geliştirilen CPA tekniği, lazer darbelerinin optik kazanç ortamına zarar vermeden amplifikasyonunu sağlayan öncü bir tekniktir.
Kısaca açıklayacak olursak, uzunluğu genellikle 100 femtosaniye mertebesinde olan lazer darbeleri önce bir kırınım ağından (diffraction grating) geçirilerek zamanda 1000 kat kadar genişletilir ve optik yükselticiye gönderilir. Bu sayede, darbelerin yükseltici ortamında oluşturabilecekleri zarar riski azaltılmış olur. Darbe enerjisinin yükseltilmesi uyarılı ışıma (stimulated emission) mekanizması ile gerçekleşir. Darbe enerjilerinin yükseltilebilmesi için farklı kazanç ortamları kullanılabilir. En yüksek güçlere çıkılabilen amplifikasyon sistemlerinde aktif iyon katkılanmış kristal veya cam ortamlar (örneğin titanyum katkılı safir kristali veya neodymium katkılı cam gibi) kullanılır. Yükseltici ortamdan her geçişte darbe enerjisi artırılır. Yükseltme miktarı doyuma varana kadar bu süreç devam eder.
CPA tekniği ile lazer darbe enerjisinin bir milyon kat veya üzerinde yükseltilmesi mümkündür. Yükseltilmiş darbeler daha sonra ikinci bir kırınım ağı çiftinden geçirilerek zamanda sıkıştırılır ve bu sayede çok yüksek tepe güçlerine erişilebilir. Tepe güçleri petawatt mertebesinde (1015 W) olan lazer darbeleri üretilebilmiştir. Ticari olarak darbe tepe güçleri 10-100 GW (109 W) mertebesinde olan CPA sistemleri mevcuttur. Örneğin Koç Üniversitesi Yüzey Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezimizde bulunan ve tepe gücü 40 GW olan bir CPA sistemi ile birçok farklı spektroskopi ve malzeme işleme çalışması sürdürülüyor. CPA yöntemi ile enerjisi artırılan lazer darbeleri faz uyumlu x ışınımı üretimi, göz ameliyatları, hassas malzeme işleme ve daha birçok alanda kullanılıyor.
Özetle söyleyecek olursak, 2018 Nobel Fizik Ödülü, buluşlarıyla lazerlerin tıp, yaşam bilimleri ve malzeme bilimlerindeki bazı önemli uygulamalarını mümkün kılan üç bilim insanına verildi.
Alphan Sennaroğlu
Bilim Akademisi üyesi
Koç Üniversitesi, Fizik ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümleri öğretim üyesi
Kaynaklar
- https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/press-physics2018.pdf
- Ashkin et al., “Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams,” Nature 330, 769-771 (1987).
- Ashkin, “Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers,” Optics and Photonics News 10, 41 (1999).
- Strickland and G. Mourou, “Compression of Amplified Chirped Optical Pulses,” Optics Communications, 56, 219-221 (1985).
