Fotonik Nedir? “Işık Yüzyılı” Olarak Bilinen Çağda Fotonik Biliminin Uygulama Alanları Nelerdir?

Fotonik; emisyon, transmisyon, modülasyon, sinyal işleme, anahtarlama, amplifikasyon ve algılama gibi yollarla, fotonlardan oluşan oşığın üretiminin, tespitinin ve manipülasyonunun yapıldığı, optik biliminin alt dallarından biridir.^{[1], [2]} “Fotonik” sözcüğünü ilk olarak 1967 yılında ortaya atan Fransız fizikçi Pierre Aigrain’in tanımıyla fotonik, ışıktan yararlanma bilimidir. 1974’te Denver’de düzenlenen 11. Uluslararası Yüksek Hızlı Fotoğrafçılık Kongresi ise fotoniği “fotonların temel bilgi taşıyıcı olduğu sistemleri kapsayan bilim dalı” şeklinde tanımlamıştır.^[3]

Fotonik, kuantum elektroniği ile yakından ilişkilidir: Kuantum elektroniği fotonların teorik kısmıyla ilgilenirken; fotonik, mühendislik uygulamalarıyla ilgilenir. Işığın tüm spektrumdaki tüm teknik uygulamalarını kapsamasına rağmen, çoğu fotonik uygulama görünür ve yakın kızılötesi ışık aralığındadır.

Fotonik terimi, 1960’ların başında icat edilen ilk pratik yarı iletken ışık yayıcıların ve 1970’lerde geliştirilen optik fiberlerin bir sonucu olarak geliştirilmiştir. Amerikan Ulusal Araştırma Konseyi’nin 1988’de yayınladığı “Fotonik: Bilgi Çağında Rekabet Gücünü Sürdürmek” isimli raporda fotonik şöyle açıklanmıştır:^[4]

Fotonik, geleneksel olarak elektronik tarafından gerçekleştirilen belirli iletişim, bilgisayar veya kontrol uygulamalarında fotonlarla çalışmak veya fotonları elektronların yerine koymakla ilgilenir.

Fotonik kelimesinin tarihçesiyle ilgili daha geniş bir bilgi için bu makaleyi inceleyebilirsiniz.^[5]

Fotonik ve Diğer Bilim Dalları

Bilim camiasında optik, elektro-optik, optoelektronik ve fotonik kelimeleri sıklıkla birbirinin yerine kullanılmaktadır. Bunun nedeni, bu alanların birbirine çok yakın olması ve hepsinin ışıkla bağlantılı olmasıdır. Bu kullanımda bazen toplumun da etkisi olmuştur: “Optik” kelimesi “modası geçmiş” kabul edilirken, fotonik kelimesi yeni bir şeyler sunmuş ve öğrencilerin ilgisini çekmeyi başarmıştır.^[5] Optical Spectra adlı bilimsel derginin adının 1982’de Photonics Spectra olarak değiştirilmesi de bu tezi desteklemektedir.

Bir mühendis kuruluşu olan Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (İng: “Institute of Electrical and Electronics Engineers” veya kısaca “IEEE”) fotonik alanındaki çalışmaları yayınladığı Fotonik Dergisi‘nin kapsam açıklamasında fotonik alanının hedefini tanımlarken şu sözleri kullanmıştır:

Fotonik, yeni foton kaynaklarının üretilmesindeki ilerlemeyi ve uzak kızılötesi/THz’den X-ışını bölgesine kadar uzanan elektromanyetik spektrumun mikro ve nano ölçeklerdeki yeni ortaya çıkan uygulamalarında kullanımının ilerlemesini hızlandırmak için kuantum elektroniği ve optiği bir araya getirir.

Fotoniğin tam olarak ne olduğunu insanlara açıklamak için hayatımızın içine yerleşmiş olan elektronik teknolojileriyle karşılaştırma yapmak faydalı olabilir. Fransa’daki Angers Üniversitesi’nin Fotonik Laboratuvarı’nda çalışan Michaela Girtan, Materials Today dergisinde yayınlanan yazısında elektronik ile fotoniği karşılaştırırken bu iki alanın benzerliklerden bahsetmiştir:^[6]

Elektronikte bilgi iletimi için elektronlar kullanılırken fotonikte elektronların yerini fotonlar alır. Elektrik kabloları elektronların ulaşım hatlarıyken fotonlar optik fiberlerde veya optik dalga kılavuzlarında yol alırlar. Elektronik anahtarlamada, yani 1 ve 0 bilgilerinin üretiminde transistörler yer alırken fotonikte optik transistörler bulunmaktadır. Elektriksel işaret üreticilerin fotonikteki karşılığı olarak da darbeli (zamanın bir kısmında ışık üretip bir kısmında üretmeyen ve bunu tekrarlı olarak yapan) lazerler verilebilir.

Pandaily

Daha önce belirttiğimiz gibi Fotonik, “ışıktan faydalanma bilimi” olarak tanımlanabilir. Işıktan faydalanmak için de ışıkla etkileşen malzemeleri tanımamız gereklidir. Bu bakımdan fotoniğin içerisinde bir miktar da malzeme bilimi olduğunu söyleyebiliriz.

Işığın bu malzemelerle neden etkileştiğini anlamak içinse fizik ve kimyadan faydalanılır. Fizik ve kimyayı anlayabilmemiz içinse onların dilini, yani matematiği bilmemiz gerekir. Eğer ışığı bize zarar verecek organizmaların imhası veya hastalıkların tedavisi için kullanmak istiyorsak biyolojiye başvurmamız gereklidir. Bu özellikleri bakımından fotonik bilimi interdisipliner, yani disiplinler arası bir araştırma alanıdır.

Işığı Anlamak

Işık, başlangıçta bir dalga olarak tanımlanmıştır. Young, meşhur Çift Yarık Deneyinde ışığın dalga özelliğini ispatlamıştır. Maxwell ise bize ışığın tüm davranışının kendi ismiyle andığımız 4 denkleme, yani Maxwell denklemlerine harika bir şekilde uyduğunu göstermiş ve ışığın bir dalga olduğunu kuramsal olarak ispatlamıştır.

İlerleyen zamanlarda ışığın tamamen parçacık gibi hareket edebildiği de görülmüş ve bu gözlem Einstein’a Nobel Ödülünü kazandırmıştır. Fakat ışığın oluşumunun tam olarak nasıl gerçekleştiğini anlamak için tek bir fotonun, yani ışığın kuantasının nasıl oluştuğunu bilmek gerekir.

Işık üretimini en alt seviyede incelemek için kuantum mekaniğinin temellerine inmek gerekir. Tek elektronlu bir sistemi ele aldığımızda elektronların sahip olduğu enerji değerlerinin sayılarla yazabileceğimiz her değeri alamadığını, sürekli değil kesikli bir dağılıma sahip olduğunu görürüz.

Abbe School of Photonics

Kuantum mekaniğinin en temel denklemi olan Schrödinger Denkleminden ulaşabildiğimiz çözümler nedeniyle elektronlar, sahip olabilecekleri her enerji değerine karşılık belirli bir yörüngede bulunabilirler. Aslında bu yörüngeler gezegenlerin yörüngesi gibi yörüngeler değildir, elektronların o konumda bulunabilme olasılığını veren olasılık bulutlarıdır. Yani elektronun bulutun yoğun olduğu yerde bulunması daha olasıdır.

Elektronların enerjisi değiştiğinde, yani başka bir enerji seviyesine geçtiklerinde elektronların bulunabilecekleri konumlar da değişir. Üst enerji seviyelerinden birinde bulunan elektron, alt enerji seviyelerinden birine geçerken yaşadığı enerji değişimini foton olarak yaymak zorundadır. Ayrıca enerji korunumu yasasına göre bu fotonun enerjisi de sözü geçen iki seviye arasındaki enerji miktarına eşit olmalıdır. Tabii ki bunun tersi de geçerlidir: Üst enerji seviyesine geçen bir elektron, bir foton soğurmak zorundadır. Bu fotonun enerjisi, seviye atlamak için yeterli değilse elektron ve foton arasında bir etkileşim oluşması beklenemez.

Eğer bu sistem tek bir elektron değil de çok daha fazla elektrondan ve atom çekirdeğinden oluşan bir sistem ise işler çok daha karmaşık ilerler ve malzemelerin optik özelliklerini belirleyen enerji bant diyagramları oluşur. Elektronun özelliklerinin daha iyi anlaşılması, zamanla ışığı da anlayabilmemizi sağlamış ve lazer, biyofotonik, nanofotonik ve fotonik entegre devreler gibi alanların oluşmasına yol açmıştır.

Wikimedia

Özetle ışığı anlamak için dalga özelliğini de parçacık özelliğini de iyi öğrenmek gerekir. Ancak bu şekilde daha verimli fotonik sistemler üretebilir ve geliştirebiliriz.

Fotoniğin İlgi Alanları

Fotonik bilimi, birçok farklı bilim alanıyla etkileştiği gibi farklı aygıt ve teknolojilerle de ilgilenir. Bunların başlıcalarını inceleyelim.

Mercekler

Mercek, görüntü oluşumunu sağlayan en temel optik elemandır. Bir noktadan etrafa yayılan ışığı başka bir noktada toplamak için mercekleri kullanırız. Bir cisimden yayılan ışığın başka bir noktada toplanması, odaklanılan yerde o cismin görüntüsünün oluşmasını sağlar.

Mikroskop, teleskop, fotoğraf makinesi, video kamera, projeksiyon cihazı ve daha birçok cihaz mercekler sayesinde görüntüyü oluşturmamıza ve taşımamıza olanak tanır. Fotoğraf makinesi ve video kameralarda merceği odakladığımız nesnenin görüntüsü o cihazın sensörünün üzerine düşer. Bu görüntü, sensörde oluşan elektriksel sinyaller sayesinde hafızaya kaydedilir. Mikroskop ve teleskop gibi yapılarda gözleme işini direkt olarak biz yapıyorsak bu sefer sensör gözlerimizdir. Gözlerimize gelen ışık göz merceğimizde bir kez daha kırılır. Gözümüzün arkasında bulunan koni ve çubuk hücreleri uyarıldığında yine bir elektriksel sinyal oluşur ve beynimize giden bu sinyali biz görüntü olarak algılarız.

Reddit

Güneş Enerjisi

Güneş enerjisi sistemleri, güneşten dünyamıza ulaşan fotonların hayatımızı kolaylaştıracak şekilde kullanımı üzerine kuruludur. Bildiğimiz üzere güneş ışınlarının içerisinde birçok farklı dalga boyuna sahip foton bulunur. Bu fotonları işimize yarayacak şekilde kullanabilmemiz için ışığı soğuracak özellikteki malzemelerin bant diyagramları hakkında bilgi sahibi olmamız gerekir. Güneş ışığından ısı veya elektrik enerjisi olarak faydalanılabilir.

Güneş ışığından ısı elde etmek için kullandığımız sistemler, soğrulan fotonların enerjisinin fononlara aktarılmasına dayanır. Sıcaklık aslında malzemenin atomlarının titreşiminin bir ölçüsü olarak tanımlanabilir. Bu nedenle fononların atom titreşimlerinin kuantası, yani en küçük enerjiye sahip parçası olduğunu söyleyebiliriz. Çünkü tek bir foton, tek bir parçacıkla etkileşebilir. Vücudumuzun ısınması da bu şekilde gerçekleşir. Foton-fonon etkileşimi sayesinde evlerimizde veya havuzlarımızdaki suyu güneş ışığıyla ısıtabiliriz.

Utilities Middle East

Güneş ışığından elektrik üretimi için güneş hücresi üretimi hassas mühendislik gerektiren bir iştir. Güneş hücreleri, gerekli elektronik bant yapısına sahip malzemeleri kullanarak üretilir. Her ne kadar güneş hücresinin üzerine düşen ışığın tamamını soğurmasını hedeflesek de bu mümkün değildir. Çünkü ışık, ortam değiştirirken yansır. Buna karşın, yansımayı tamamen engelleyemesek de azaltabiliriz. Bunun için de yansıma önleyici kaplama (İng: “Anti-reflective coating”) ile güneş hücrelerinin üzerleri kaplanır ve elektrik enerjisinin hücre üzerine düşen güneş enerjisine oranı, yani verim yükseltilebilir. Verim artırmanın farklı bir yöntemi de hücrenin üzerinde desenler oluşturmaktır.

Güneş hücrelerinde foton-fonon etkileşimi istenmeyen bir olaydır, çünkü verimi düşürür. Soğurulan fotonların ısıya dönüşmesini istenmez; soğrulan fotonların elektronları bağlarından koparıp malzeme içerisinde serbest hareket edebilir hale getirmesini hedeflenir. Böylece bu elektronlar elektrik enerjisiyle çalışacak bir devreye dahil edebilir.

Bu olguları kullanan sistemlerin üretilmesi, geliştirilmesi veya bakımı üzerine çalışılması ışık-madde etkileşimi hakkında bilgi sahibi olmayı gerektirir.

LED ve OLED Ekran Sistemleri

Işık üretebilen en temel devre elemanı, ışık yayan diyotlardır. Diyotlar, yönü olan devre elemanlarıdır. Pozitif uç yüksek voltaj ile, negatif uç düşük voltaj ile beslendiğinde bu bağlama şekline ileri kutuplama ismi verilir. Bu iki uç arasındaki voltaj farkı yeterli bir seviyede olursa diyottan ışık alınabilir. İleri kutuplama yapılması, diyota giriş yapan uyarılmış elektron sayısının çok daha fazla olmasını sağlar. Kırmızı ışık yayan diyotların daha düşük bir voltaj değerine ihtiyacı varken mavi ışık yayan diyotlar daha yüksek voltaja ihtiyaç duyar. Çünkü kırmızı ışığın enerjisi mavi ışığa göre daha azdır.

Diyotlar, yarıiletken malzemelerle üretilirler. Yapı içerisinde uyarılmış elektron veya iletim bandındaki elektron adı verilen hareket edebilir özellikteki bir elektron alt enerji bandındaki boş bir enerji seviyesine geçerken bir foton yayabilir.

Mutlak sıfırdan (0 Kelvin’den) yukarıdaki sıcaklığa sahip bir yarıiletken malzemede daima uyarılmış elektron bulunur, fakat bu elektronların miktarı o kadar azdır ki alt banda geçtikleri zaman yayacakları fotonların malzeme içerisinde soğrulma olasılığı, malzemeden ayrılıp gözümüze ulaşabilme olasılığından çok daha büyüktür. Bu nedenle ileri kutuplama yapılmamış bir diyottan ışık almak mümkün değildir.

Magento

Işık yayılımının bir elektrik akımı neticesinde gerçekleşmesine veya başka bir deyişle iletim bandı elektronlarının iletim bandında bulunmasına neden olan etki elektrik ise bu ışık yayma olayına “elektrolüminesans” adı verilir. İletim bandına geçen elektronlar fotonlar aracılığıyla o enerji seviyelerine ulaşmış ve tekrar geri düşüp foton yaymışsa bu olaya “fotolüminesans” denir.

Akıllarda “Elimizde zaten foton varsa niye bunu direkt kullanmıyoruz da önce elektronun soğurmasını istiyoruz ve fotolüminesans yapıyoruz?” sorusu oluşabilir. Çoğu zaman malzemeye gönderilen ışık ile geri toplanan ışık aynı değildir. Çünkü soğrulan ışık enerjisinin bir kısmı malzemenin fononları tarafından soğrulur ve geriye kalan enerji foton olarak yayılır. Yani belli malzemelere mavi ışık tutulduğunda yeşil görünürler, başka malzemeler ise mavi ışık altında turuncu algılanabilir. Bu şekilde geri toplanan ışık, malzemenin belirli özelliklerini ortaya çıkarabilir ve buna “fotolüminesans spektrumu” denir. Benzer şekilde bir maddenin “elektrolüminesans spektrumu” da elde edilebilir.

Elektro veya fotolüminesans prensibi ile çalışan, ışık yayan diyot (İng: “Light Emitting Diode” veya kısaca “LED”) yapıları verimli aydınlatma ve ekran teknolojilerinde kullanılan cihazlardır.

LED’ler aydınlatmada eski tip ampullere göre daha verimlidir. Eski tip ampuller termal ışık üretirken ısıdan kaynaklı çok fazla güç kaybı olur. Buna karşın LED’ler, kullandıkları elektriğin çok daha fazlasını ışığa çevirirken çok daha az güç harcarlar.

Wikimedia

Önceden kullanılan tüplü televizyonlarda, kaynak olarak bir katot ışın tüpü (İng: “Cathode Ray Tube” veya kısaca “CRT”) kullanılırdı. Vakum altına alınmış cam bir kabın bir tarafında fosfor ile kaplanmış cam ekran bulunurken diğer tarafında katot ışın tüpü bulunurdu. Bu tüp, manyetik merceklerin hareketiyle yönlendirilen elektronlarıyla bir elektron tabancası gibi çalışır ve saniyede defalarca tüm ekranı tarardı. Tüp içerisinde kırmızı, yeşil ve mavi renkler için farklı elektron tabancaları bulunurdu. Ekranın her pikseli, üç renge ait fosfor ile boyalıydı ve her renk için belirli fosforlar elektron ışınlarınca uyarılırdı. Ayrıca elektronların tüpten ekrana ateşlenebilmesi için katot ucunun belirli bir sıcaklığa ulaşması gerekirdi.

Oysa bugün kullanılan LED ekranların verimi çok daha fazladır. LED’ler ısınmaya ihtiyaç duymaz, çünkü çalışma prensiplerinde elektron ateşleme mekanizması yoktur ve anında ışık yaymaya başlayabilirler. Boyut ve ağırlık olarak aynı ekran büyüklüğüne sahip bir CRT televizyondan çok daha az yer kaplarlar ve daha hafiftirler, bu da taşıma ve ulaştırma işlemini kolaylaştırmaktadır. Hızlandırılan elektronlardan ışık elde işlemine katodolüminesans (İng: “Cathodoluminescence”) adı verilmektedir – ki CRT ekranlarda bu etkiyle elde edilen ışık üretim verimi, LED ekranlarda elde edilen ışık üretim verimine göre çok düşük kalmaktadır. Son olarak da çözünürlük ve görüntü kalitesi (parlaklık, zıtlık, renk çeşitliliği) bakımından bir CRT ekran, bir LED ekranın yanına bile yaklaşamamaktadır.

LED ekranlarda gördüğümüz görüntü diyotlardan değil sıvı kristal katmanından gelmektedir. Aslında bu ekranlar birer LCD (İng: “Liquid Crystal Display”) ekrandır. Peki LED nerede? Arka aydınlatma dediğimiz kısımda LED’ler kullanılmaktadır; en arka bölümde de beyaz LED’ler vardır. LED’ler elektrolüminesans yaparak beyaz ışık yayarlar ve sıvı kristal katmanın içerisinden geçerler. Her sıvı kristal piksel de üzerine gelen elektriksel bilgiye göre şeklini değiştirir ve beyaz ışığın belli dalga boyları kristal içinden geçebilir. Başka bir deyişle kristaller, aldıkları elektrik bilgisine göre iletim spektrumu değişen filtreler olarak davranmaktadırlar. Sonuç olarak sıvı kristallerden geçen ışık, her piksel için uygun rengi vererek görüntünün oluşmasını sağlamaktadır.

YouTube

Farklı bir LED yapısı da organik moleküllerden oluşan Organik LED’dir (kısaca “OLED”). “Organik” denmesinin nedeni, sistem içerisinde organik moleküllerin bulunmasıdır. OLED ekranlarda arka aydınlatma bulunmaz ve gördüğümüz görüntü direkt OLED’lerden gelir. LCD ekranlardaki gibi devamlı üretilen bir beyaz ışık bulunmaması OLED ekranları daha verimli kılar ve gerçek siyah piksellerin oluşmasını sağlar. Ayrıca OLED’ler arka aydınlatmaya ihtiyaç duymadığından esnek yapıdadır. Her piksel arka aydınlatmaya ihtiyaç duymayan 3 OLED’ten (kırmızı, yeşil, mavi) oluştuğundan daha canlı görüntüler elde edilir. Bu kalite üstünlükleri nedeniyle OLED televizyonlar LED-LCD’lerden daha pahalıdır.

Ekran teknolojilerinin geliştirilmesi için optik konusuna hâkim olunması ve ışık üreten yapılarla sıvı kristal gibi ışığı modüle edebilecek malzemelerin, elektronik devre bilgisinin ve işaret işleme bilgisinin edinilmesi gerekir.

Lazerler

Mümkün olabileceği ilk olarak Einstein tarafından söylenen ve ondan yıllar sonra ilk defa 1960 yılında hayatımıza bir yakut kristalinde can bularak giren lazerler, şu an sahip olduğumuz birçok teknolojinin temelini atmış, birçok bilimsel araştırmanın ışık kaynağı olmuş ve sayesinde hastalıklarını atlatmış sayısız insanın bulunduğu bir teknolojidir.

Lazer ışığı elde edebilmemiz için üç temel ihtiyaç vardır: Kazanç ortamı, bir rezonatör (veya “çınlaç”) ve nüfus tersine çevrilmesi (İng: “Population inversion”). Buradaki kazanç ortamı, ışığın üretildiği ortamdır. Rezonatörse karşılıklı iki ayna gibi düşünülebilir. Rezonatör içerisinde fotonlar bir aynadan diğer aynaya defalarca çarparak yansır. Nüfus evrilmesi ise lazerin en temel ihtiyacıdır.

Uyarılmış elektron sayısının uyarılmamış elektron sayısından yüksek olması durumuna tersine çevrik nüfus durumu denir. Lazerin oluşacağı kazanç ortamı, öncelikle kendiliğinden yayılma (İng: “spontaneous emission”) ile ışık vermeye başlar. Fakat bu yayılım ile üretilen fotonların miktarı ilk aşamada lazer için yeterli değildir; daha fazla uyarılmış elektrona ihtiyaç duyulur, yani nüfusun çevrilmesi gerekir.

Bu noktada imdadımıza pompa mekanizmaları yetişir. İleri kutuplama voltajının malzemenin yapısal özellikleriyle belirlenen eşik değerini aşmasıyla nüfus çevrimi gerçekleştirilir. Bu çevrim 1960’ta gerçekleştirilen ilk lazerde olduğu gibi bir flaş ışığıyla veya günümüzde kullanılan bazı lazerlerde olduğu gibi başka bir lazer ile gerçekleştirilebilir.

Ancak eşik değerinin aşılması ile artık uyarılmış olan elektrona karşılık bir foton elde edince işlem sonlanmaz. Oluşan her foton uyarılmış diğer elektronlarla etkileşerek kendileriyle aynı dalga boyu ve faza sahip yeni fotonların oluşmasına öncülük eder. Kazanç ortamının rezonatör içerisinde olmasından dolayı fotonlar aynı yerden defalarca geçer. Bu sırada pompalama işlemi de devam ettiği için fotonlar, rezonatör içerisindeki bir turu uyarılmış bir elektronla karşılaşmadan tamamlayamaz ve foton sayısı doğrusal olmayan bir şekilde artmaya devam eder.

İki uçtaki yansıtıcı aynalardan biri %100, diğeriyse %100’den küçük bir yansıtma oranına sahip olacak şekilde inşa edilir. İkinci aynanın tam yansıtmaya sahip olmamasının nedeni, bizim bu ışığı dışarda kullanmak istememizdir. Bu nedenle düşük yansıtma oranına sahip olan ayna tarafından alınan lazer ışınlarının mercekler yardımıyla birbirine paralel bir şekilde hareket etmesi sağlanır ve böylece çağımızı değiştiren lazer elde edilir.

Wikipedia

Lazerler farklı renklere sahip olabilir. Hatta bir renge sahip olmayabilirler de. Zaten lazerin öncesinde hayatımızda MASER (İng: “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) vardı. Kızılötesi bölgede çalışan lazerler de gözle göremediğimiz lazerlere diğer bir örnektir.

Lazer çözümleri son yıllarda savunma sanayi içerisinde de ilgi görmeye başlamıştır. Yüksek yoğunlukta lazer ile İHA düşürülmesi veya kameralarının köreltilmesi savunma çözümlerine örnek olarak verilebilir.

Lazerlerin tıp alanındaki uygulamaları ise çok daha fazla sayıdadır. Örneğin böbrek taşı kırılması, böbreğe ulaştırılan bir fiber yardımıyla gerçekleştirilebilir. Lazerle göz tedavisi de örneklerden bir diğeridir. Başka bir uygulama da ipliklerle dikiş atmak yerine bu işlevin lazer kullanımıyla sağlanmasıdır.

Bazı gözlemevlerindeki astronomlar da atmosferdeki değişimleri lazer ile takip etmekte ve atmosferin etkisini adaptif optik elemanlar yardımıyla yıldızdan alınan görüntüden çıkardıklarında yıldızın ışığını gürültüsüz olacak şekilde toplayabilmektedir.

Verebileceğimiz bir diğer uygulama örneği de lazer epilasyondur. Endüstriyel uygulamalarda ise lazer kullanımı çok daha yaygındır. Barkod okuma, yazı yazma, metal kesme, kaynak yapma, uzaktan algılama gibi birçok işlemde lazerler kullanılır.

Lazer sistemleri üretmek için malzemelerin fiziğini ve optiğini bilmenin yanında üretiminde faydalanılan cihazların ve tekniklerin, ayrıca rezonatör yapılarının iyi bilinmesi gerekir.

Optik Fiberler

Optik fiberler ince, cam veya şeffaf plastik malzemelerden oluşan yapılardır. Işığa yüklenen bilginin bir noktadan başka bir noktaya ulaştırılması için kullanılırlar. Fiberler kullanılmadığı takdirde ışığı yönlendirmek için aynalara ihtiyaç duyulur, çünkü havada hareket eden ışık bir engelle karşılaşmadığı sürece düz gidecektir. Fiber içerisine hapsedilen ışığa ise fiberler kılavuzluk eder.

Fiberlerin yapısı şu şekildedir: En içte çekirdek (İng: “core”) denen yapı bulunur. Çekirdek etrafına çekirdeğin oluşturulduğu malzemeden daha düşük bir kırılma indeksine sahip olan kaplama (İng: “cladding”) katmanı eklenir. Sonuç olarak bu iki katman arasında bir kritik açı değeri oluşmuş olur. Kritik açı değerinden daha büyük bir açıyla çekirdek-kaplama arayüzüne gelen ışınlar fiber içerisinde yol alamaz ve dışarı çıkar, yani kaybolur. Kritik açıdan küçük bir geliş açısına sahip olan ışınlar ise içerde alınan yol boyunca yaptıkları yansımalarda bu şart sağlandığı sürece fiberin diğer ucuna kadar ulaşabilirler.

The Network Installers

Fiberler, lazer ihtiyacı olan laboratuvar deneylerinde kullanıldıkları gibi tıp veya haberleşmede de büyük öneme sahiptir. Lazer alt başlığında da verdiğimiz örneklerden biri lazer ışığının iç organlara fiberlerle ulaştırılmasıdır. Ayrıca fiberleri belirli malzemelerle katkılayarak lazer için kazanç ortamına dönüştürebiliriz. Haberleşmemiz ise fiberler sayesinde ışık hızında gerçekleştirilebilmektedir.

Optik fiberlerin kullanılacağı çözümlerin geliştirilmesi ışığın dalga yapısı ve fiberin kullanılacağı alan (haberleşme, biyoloji, vb.) hakkında bilgi sahibi olunmasını gerektirir.

Biyofotonik (Biyomedikal Fotonik)

Her elementin bir ışık yayma ve soğurma spektrumu olduğu gibi canlı yapılar da bu özelliklere sahiptir. Örneğin bir kanser hücresinin teşhisi, sahip olduğu spektrumun sağlıklı hücrelerin spektrumundan farkı bilindiği zaman yapılabilir. Veya bir ilacın hedef üzerinde bir değişim yapıp yapmadığını o hedeften yayılan fotonların değişiminin incelenmesiyle anlaşılabilir.

Böbrek taşı kırmada kullanılan ışığın taşla etkileşimi için gerekli dalga boyunun bilinmesi ve kullanılmasıyla taş kırılabilir. Görme sıkıntısı yaşayan gözün lazerle tedavisi ancak gözü kötü yönde etkilemeyecek dalga boyunun bilinmesi ve o dalga boyuna sahip lazerin üretilip kullanılmasıyla gerçekleşebilir. Bu nedenle spektroskopinin teşhis ve tedavide önemi büyüktür. Floresans spektroskopisi, soğurma spektroskopisi, Raman spektroskopisi, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi biyolojik örneklerin incelenmesinde kullanılan onlarca spektroskopi tekniklerine örnek olarak gösterilebilir.

Biyofotonik alanındaki en etkileyici uygulamalardan biri de yeşil floresan protein (GFP: “Green Fluorescent Protein“) kullanımıdır. Bir deniz anasından elde edilen GFP, kaşifine 2008’de Nobel ödülü kazandırmıştır. GFP, yeşilden daha büyük enerjiye sahip ışıklarla uyarıldığında etrafına yeşil ışık yayar. Bu olayı daha önce fotolüminesans olarak tanımlamıştık.

University of Toronto

Canlı yapıdaki bazı proteinler takip edilmek istendiğinde, araştırmacılar o proteini kaybetmemek için GFP ile bağ yapmasını sağlar ve uyaran ışıklar aracılığıyla proteinin izini sürebilirler. Hücre içerisindeki belirli organeller veya proteinlerin hareketleri bu şekilde gözlemlenebilir. GFP kullanımı, denenen ilacın protein üzerindeki etkisinin veya gen aktivitelerinin izlenebildiği uygulamalarda da yer almıştır.

Biyolojik sensör uygulamaları da biyofotoniğe dahil edilebilecek uygulamalardır. Bakteri ve virüs tespiti için özel geliştirilen sensörler, yapılarında oluşan renk, şekil, optik karakteristik gibi değişiklikler sayesinde kullanıcıyı haberdar ederler. Ancak her sensör, her sorun teşkil eden yapıyı algılayamaz. Bu nedenle her bakteri veya her virüs için farklı yapıda bir sensör geliştirilmesi gereklidir. Bu teşhis, optik özellikler kullanılarak yapılacağı zaman da teşhis edilecek yapıya ait optik özelliklerin ve onu algılayacak malzemeye ait optik özelliklerin uyum içerisinde kullanılması gerekir. Benzer çalışmaların geliştirilmesi, ışığın ve canlıların doğasının anlaşılmasıyla mümkün olabilmiştir.

Nanofotonik ve Fotonik Kristaller

Işığın nanometre boyutlarındaki malzemelerle etkileşimi çok farklıdır. Yukarıda bahsedilen tüm çalışma alanlarında nanometre boyutunda üretilen malzemeler yardımıyla da geliştirme yapılabilir.

Örneğin ışığın üretimini en verimli gerçekleştiren yapılar, nano boyutlardaki kuantum noktalardır (İng: “quantum dots”). Kuantum noktalar, aynı atomlardaki gibi enerji seviyeleri arasındaki farkların belirginleştiği yapılardır. Literatürde atom benzeri yapılar olarak da geçerler.

American Chemical Society

Fotolüminesans verimleri %100’e yakın olan kuantum noktalar üretilmiştir. Bunlar güneş hücresi olarak tasarlandıklarında yüksek soğurma oranları sağlanır. Biyolojik sensör uygulamaları için üretilen nano anten tabanlı sensörler kanser veya enfeksiyonları çok hassas bir şekilde teşhis etmemize olanak sağlar. Nano yapılar, cihazlara kazandırdıkları hassaslık sayesinde su kirliliği ve gıda kontaminasyonu gibi çevresel incelemelerde rol alabilirler.

Kuantum noktaların üretimi bazı kimyasal metotlarla veya moleküler ışın epitaksisi (İng: “molecular beam epitaxy”) cihazlarıyla yapılabilir. İkisi de farklı konularda uzmanlık gerektiren yöntemlerdir. Nano anten yapılarının oluşturulması ise genelde litografi denen yöntem ile gerçekleştirilmektedir. Nano seviyede ışık-madde etkileşimini iyi kavramak bu çalışmalar için önemlidir.

Fotonik Entegre Devreler

Fotonik entegre devreler birçok fotonik cihazı (lazer, sensör, modülatör, dalga kılavuzu, rezonatör) tek bir çip veya devre üzerinde birleştiren yapılardır. Elektronik devrelerin fotonikteki tam karşılığıdır. Bilgi aktarımı için elektronları değil fotonları kullanır. Fotonların kullanılması, yapının ısınma sorunuyla daha az karşılaşırken daha hızlı haberleşmesine olanak sağlar. Bu alan zaman zaman silikon fotoniği olarak da adlandırılır. Çoğu zaman devre elemanlarının oluşturulması için nano baskı ve litografi teknikleri kullanılır.

Krrass

Yukarıdaki görselde çeşitli optik devre elemanlarını gösteren bir fotonik entegre devre yapısı verilmiştir. Bu yapılarda kullanılan dalga boyu, yapılar arasındaki uzaklık, halka rezonatörlerin çapları ve üretilen optik yolların kalınlığı gibi önemli mimarî detaylar bulunur. Bu devrelerin gerçeklenmesinden önce yapılan simülasyonların önemi büyüktür.

Diğer Alanlar

• Bitkilerin ihtiyaçları olan ışığın seralara yerleştirilen LED’ler ile sağlanması güneş ışığı ulaşımının az olduğu veya mağaralar, madenler gibi hiç olmadığı yerlerde tarıma imkân verir. Uygun spektruma sahip LED’lerin yerleştirilmesiyle buralarda da verimli tarım gerçekleştirilebilir.
• Gece görüş kameraları, askeri operasyonlarda önem arz eden ekipmanlardan biridir. Sensörler yardımıyla gözle göremediğimiz miktardaki düşük ışığı kuvvetlendirerek veya direkt olarak yayılan kızılötesi ışığı algılayarak gece görüşünü mümkün kılar.
• Arkeolojik araştırmalarda kullanılan LiDAR (İng: “Light Detection And Ranging”) cihazları ile kayıp şehirler keşfedilebilir. Ağaçların altında kalmış bir şehrin tespiti, uçurulan bir uçağa yerleştirilen LiDAR ile kolaylıkla yapılabilir.
• Eğlence sektöründe lazerlerin kullanımı çok yaygındır. Yapılan ışık şovlarıyla ortamın çekiciliği artırılabilir.

Dünya’da Fotonik Biliminin Tanınması

UNESCO, 2015 yılını Uluslararası Işık ve Işık Temelli Teknolojiler Yılı ilan ederken şunları söylemiştir:

20. yüzyıl elektronik yüzyılı olduğu gibi 21. yüzyıl da fotonik yüzyılı olacak.

Daha sonrasında da Theodore Maiman tarafından bir yakut kristali kullanılarak yapılan lazerin çalıştığı ilk gün olan 16 Mayıs 1960 tarihine atıfta bulunmak üzere 16 Mayıs günleri, Dünya Işık Günü ilan edilmiştir.^[7]

21 Ekim 1983’te gerçekleşen Ağırlık ve Ölçüler Genel Konferansı’nda ışık hızının 299,792.458 km/s olarak kabul edilmesinin yıldönümü olan 21 Ekim günleri Fotonik Günü olarak anılmaktadır. Bu günde 30’dan fazla ülkede fotoniğin günlük yaşantımıza etkisi üzerine çeşitli gösteri ve tartışma etkinlikleri düzenlenmektedir.

Her sene fotonik üzerine yapılan konferanslarda araştırmacılar ve sektör arasında bilgi alışverişi sağlanmaktadır. IEEE, EPS, SPIE (“Society of Photographic Instrumentation Engineers”) ve Optica (Eski ismiyle OSA: “Optical Society of America”) bu konferansların birçoğuna öncülük eden kuruluşlardır. Lazerler ve Elektro-Optik Konferansı, Photonics West, İleri Fotonik Kongresi (“Advanced Photonics Congress”) örnek verebileceğimiz her yıl düzenlenen büyük fotonik buluşmalarıdır.

Fotonik alanındaki çalışmaların yayınlandığı dergilere Optics Express, Journal of Lightwave Technology, Nature Photonics, ACS Photonics örnek verilebilir.

Nobel Bilim Ödüllerinde fizik ve kimya alanında birçok fotonikle ilişkili çalışmaya ödül verilmiştir. 2014’te fizik alanında mavi LED’lerin mucitlerine, kimya alanında ışığın dalga boyundan daha küçük nesneleri ışıkla gözlemlememize olanak sağlayan süper mikroskop icadının sahiplerine, 2018’de ise fizik alanında ışığın mikro boyutlardaki cisimler için cımbız gibi kullanıldığı optik cımbız uygulamasına ve çok güçlü darbeli lazerlerin elde edilmesini mümkün kılan yönteme ödüller verilmiştir.

Türkiye’de Fotonik

Fotonik bilimi ülkemizde fizik, kimya ve malzeme mühendisliği kadar yaygın olarak bilinmeyen bir alandır. Sınavlarda sayısal netlerinin çok düşük olduğu bir toplumda temel fizik bilgisinin oturması tabii ki kolay olmayacaktır. Ülkemizde bir fotonik öğrencisi, bölümünü söylediğinde alacağı yanıt genellikle “O ne oluyor?” olacaktır. Çoğu insansa “Botanik mi?” diye soracaktır. Fakat gençlerimizin bilime olan ilgisinin ve bilim anlatıcılarının sayısının günden güne artmasından kaynaklı olarak insanlarımızın fotoniğe yönelik daha bilgi sahibi olduğu da söylenebilir.

Fotonik, önceleri ülkemizde yalnızca yüksek lisans bölümleri olarak bulunmaktaydı. Bugün de İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü (İYTE) ve Gazi Üniversitesi’nde Fotonik Bilimi ve Mühendisliği, Atatürk Üniversitesi’nde Optik ve Fotonik, Koç Üniversitesi’nde Optoelektronik ve Fotonik Mühendisliği isimleriyle lisansüstü eğitimleri verilmektedir. Lisans bölümü olarak fotonik ile en ilişkili bölüm Gaziantep Üniversitesi’nin Optik ve Akustik Mühendisliği bölümüyken 2019’da YÖK kararıyla önce İYTE’de eğitim dili İngilizce olarak, daha sonra 2021’de Gazi Üniversitesi’nde eğitim dili Türkçe olarak Fotonik adı altında lisans bölümleri açılmıştır.

Fotonik eğitimi yüksek lisans seviyesinde daha çok Saleh ve Teich tarafından yazılan Fundamentals of Photonics adlı kitap üzerinden verilmektedir.^[8] Lisans seviyesinde ise Pedrotti’nin Introduction to Optics veya Hecht’in Optics kitapları üzerinden temel optik eğitimi veriliyor.^{[9], [10]} Bu kitaplar anlaşılacağı üzere İngilizce bilgisinin bu alandaki önemi büyüktür.

Türk Meslekler Sözlüğü’ne bu sene eklenen Fotonikçi (Işık Bilimci ve Mühendisi) meslek tanımı şu şekilde yapılmıştır:

Fotonikçi (Işık Bilimci ve Mühendisi); işletmenin genel çalışma prensipleri doğrultusunda araç, gereç ve ekipmanları etkin bir şekilde kullanarak işçi sağlığı, iş güvenliği ve çevre koruma düzenlemelerine ve mesleğin verimlilik ve kalite gereklerine uygun olarak

a) Işığın üretilmesi ve farklı ortamlarda yayılmasını incelemek, ışığın şiddetini ölçmek, ışığın rengi gibi özelliklerinin değiştirilmesi, işlenmesi ve ölçülmesi konularında inceleme ve araştırmalar yapmak,

b) Uzmanlaşma alanlarına göre sağlık, savunma, enerji, aydınlatma ve iletişim gibi sektörlerde Ar-Ge faaliyetleri yürütmek,

c) Üretim yapan, hizmet veren, kamu/özel, ulusal veya uluslararası kuruluşlarda, doğası gereği fizik, kimya, malzeme bilimi, elektrik ve elektronik mühendisliği ile ilişki içerisinde iş ve işlemleri yapmak,

d) Araştırma ve eğitim veren akademik kurumlar ve üniversitelerde bilimsel öncü çalışmalar yapmak ve var olan teknolojilerin iyileştirilmesi /geliştirilmesi ile ilgili işleri yürütmek

vb. görev ve işlemleri yerine getirir.

Gazi Üniversitesi’nde bulunan Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi, fotonik teknolojileri üzerine yoğunlaşan araştırmacıların malzeme sentezi ve cihaz (güneş hücresi, lazer, dedektör) üretimi yapabildiği bir komplekstir.

Ülkemizde de endüstride kullanılan lazerlerin artması üzerine bazı firmaların öncülüğünde çalıştaylar düzenlenmeye başlamıştır. 2022 yılında düzenlenen Lazerler ve Endüstriyel Uygulamaları Çalıştayı, lazer üretimi yapan ve lazeri kullanan onlarca firma çalışanını, Bilkent UNAM’dan Prof. Dr. Ömer İlday gibi lazerler konusunda dünyaca ünlü bir hocayı ve İYTE Fotonik Bölümü’nden araştırmacı ve öğrencileri ağırlamıştır.

Daha sonra Fotonik Günü dolayısıyla 21 Ekim 2022’de IEEE Fotonik Topluluğu Türkiye Şubesi, IEEE İYTE Öğrenci Kolu, İYTE Optik ve Fotonik Topluluğu (IZTECH OPS) ve İYTE Fotonik Bölümü destekleriyle IZPHOTECH’22: Talks on Photonics Science and Technology @ IZTECH adlı konferansta Gazi Üniversitesi Fotonik Bölümü’nün de katılımıyla birçok ülkeden araştırmacı çevrimiçi ve yüz yüze olarak bir araya gelmiş ve sunumları çevrimiçi olarak YouTube IZTECH OPS sayfasında yayınlanmıştır.

Fotonik üzerine çeşitli çalışmaların sunumlarla birçok araştırmacı tarafından anlatıldığı İYTE Optik ve Fotonik Topluluğu’na ait YouTube kanalı, fotonik alanına meraklı kişiler için ilgi çekici olabilir.

Fotonik Bölümü Mezunları Hangi İşlerde Çalışabilir?

Fotonik bölümlerinin mezunlarının bir yerde çalışması için orada ışığın üretilmesi veya aracı olması yeterlidir. Örneğin bir ekran sistemi üretilen yerde fizik bölümü mezunları da çalışabilir. Fakat fizik bölümü mezunu tüm lisansını ışık üzerine okumamıştır; parçacık fiziği ve katı hal fiziği gibi farklı alanlarda da eğitim görmüştür. Bu nedenle burada fotonik üzerine uzmanlaşmış birinin istihdam edilmesi daha olasıdır.

Güneş panelleri üreten bir firmada bir elektronikçi çalışabilir; fakat ışığın doğasını ve ışığın soğrulmasının fiziğini bilen biri, tüm mekanizması güneş ışığı üzerine kurulu cihazlar üreten bir işletmede daha faydalı olacaktır. Bu yüzden savunma sanayisinde veya endüstriyel lazer üretiminde işe alımda diğer bölümlerdense fotonik bölümlerinin mezunları tercih edilir ki bu da personelin oryantasyon sürecini kısaltacak ve işveren için daha verimli olacaktır.

Fotonik bölümü mezunları yukarda bahsettiğimiz alanlar ile ilgili işler yapan tüm firmalarda çalışabilir. Mercek, fiber optik kablo, güneş hücresi, LED, LiDAR, ekran ve lazer üretimleri yapan şirketler, aydınlatma çözümleri üreten firmalar, gözlemevleri, fotonik teknolojileri veya biyofotonik üzerine araştırma yapan laboratuvarlar, savunma sanayisinde lazer, kızılötesi veya termal kamera üretimi yapan kuruluşlar, kuantum optik bilgisinin lazım olduğu kuantum anahtarlama projeleri bu bölümlerin mezunlarına iş imkanları sunabilir. Fotonik entegre devre sektörü henüz ülkemize girmemiş olsa da Avrupa ve ABD’de bu alanda istihdam sağlayan çok sayıda şirket bulunmaktadır.

Fotoniğin Geleceği

Hangi tarihte yaşıyor olursak olalım, geleceğe baktığımızda ışıkla sıkça karşılaşırız. En eski bilimkurgu filmlerinde bile ışık sayesinde holografi ile bir anda odanın ortasında beliren insanlar görülebilir. Yıldız Savaşları’nı izlediğimizde meşhur ışın kılıçlarını gözlemleriz.

Bu teknolojileri hayal etmek ne kadar kolay olsa da gerçekleştirilmeleri için teknolojimizin yetmediği durumlar vardır. Ancak unutmamak gerekir ki eskiden uçmak da bir hayaldi, dünyanın başka bir yerindeki insanlarla oturduğumuz yerden iletişim kurabilmek de. Fotoğraf makinesini cebimize yerleştirebilmek, belki de fotoğraf makinesini icat eden insanların hiç aklına gelmemiş bir şeydi. Bilgi seviyemiz arttıkça gerçekleştirebileceğimiz işler de çeşitlendi. Bunları düşündüğümüzde bazıları yaşamımıza uzak olmasa da hayal edebileceğimiz şeyler şunlar:

• Bilgisayarlarımız artık fotonik entegre devrelerle çalışacağı için çok daha hızlı olacak ve ısınma sorunu yaşamayacak.
• Yapay zekâ, fotonik entegre devrelerle inşa edilecek ve daha hızlı ve daha az güç tüketen yapay sinir ağları yaratacağız.
• Sensörlerimizin hassaslığı sayesinde sağlık taramalarımızı çok daha hızlı gerçekleştireceğiz.
• Haberleşmeyi dolanık fotonlar ile gerçekleştireceğiz.
• Roketlerimizi uzayda lazerler ile iterek hızlandıracağız.
• Belki de şu anki cep telefonlarımız yerine esnek elektronik malzemelerden oluşan tamamen şeffaf katlanabilir bir cihaz kullanacağız.
• Oluşturulan hologramlar sayesinde kişileri veya yerleri yanımıza taşıyacağız. Müzeleri evimizden ziyaret edeceğiz veya ünlülerin hologramları evimizde bizimle oturacak.
• Enerjiyi de bilgiyi de ışık halinde depolayacağız.

Sonuç

Fotonik; birçok bilim dalını bir araya getirebilen, hayatımızın her alanına etki eden bir bilim dalıdır. Elektronların yerini ışığın aldığı teknolojiler henüz hayatımıza tam olarak girmese de ışık şimdiden hayatımızın her anında yer alıyor. “Bu kadarı yetmez, mesleğim de ışıklı olsun!” diyenler fotonik bölümlerinden birinde lisans veya yüksek lisans seviyesinde eğitim almayı tercih edebilir.