הפתרון שחיפש בעיה והפך לפתרון לכל בעיה: כמה מילים על לייזרים

לא מזמן הקשתי את המונח 'לייזר' במנוע החיפוש. רשימת התוצאות בעמוד הראשון כללה בעיקר שירותים שונים ומשונים כגון ניתוח להסרת משקפיים, הסרת שיער וצילום מסמכים. אין ספק שהלייזר הוא כבר חלק בלתי נפרד מחיינו: מרפואה ועד לתקשורת, מתעשיות ביטחוניות ועד לשימושים מדעיים, מקריאת ברקודים בקופה ועד למדפסות במשרד. אבל לא תמיד היה כך הדבר.

תמונה 1: צייני לייזר באורכי גל 635nm (אדום), 532nm (ירוק) ו-445nm (כחול). המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Netweb.

ב-1953 ייצר הפיזיקאי צ'רלס טאונס (Townes) התקן שהיה מסוגל להגביר גלי מיקרו (גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל מילימטריים). למכשיר הוא קרא 'מייזר'. על המצאתו זכה טאונס בפרס הנובל לפיזיקה בשנת 1964. בשנת 1958 פרסם טאונס מאמר תיאורטי שבו הסביר כיצד ניתן לייצר התקן דומה למייזר עבור אור נראה (אורכי גל קצרים בערך פי 1000). המאמר גרם לרבים לנסות ולהיות הראשונים לבנות את מה שיכונה מאוחר יותר לייזר. כסף רב הושקע למרות שלמעשה לא היה ברור למה יכול לשמש התקן מסוג זה.

תיאודור מימן (Maiman), פיזיקאי שעבד במעבדות יוז, רצה גם הוא לנסות ולבנות לייזר אך מעסיקיו לא היו מעוניינים בכך. מימן התעקש ולבסוף קיבל אישור לעבוד על הפרויקט לזמן מוגבל ובתקציב נמוך מאוד. ב-1960 הקדים מימן את כל הקבוצות האחרות והדגים את פעולתו של הלייזר הראשון. למרות שהוא פרסם מאמר מוצלח בכתב העת המדעי Nature, החשיבות של התגלית עדיין לא היתה ברורה. לדבריו של מימן: "הלייזר היה פתרון שמחפש בעיה". המנהלים במעבדות יוז לא כל כך התעניינו בפיתוח אפליקציות ללייזר ולבסוף ב-1961 עזב מימן ופתח חברה משלו. בדיעבד אנחנו יודעים מי צדק.

תמונה 2: ניסוי בלייזק בחיל האוויר האמריקאי. המקור לתמונה: United States Air Force, דרך ויקיפדיה.

אז מה זה בכלל לייזר?

מקור המילה הוא בראשי תיבות של Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, או בקיצור Laser. המילה נטמעה היטב גם בשפה האנגלית וגם בעברית וכיום משתמשים גם בהטיות שלה לדוגמה המונח 'לזירה'.

הייחוד של לייזר ביחס להתקני פליטת אור אחרים (למשל LED או מנורת כספית) הוא שהאור שיוצא הוא קוהרנטי. הכוונה היא שגל האור שומר על הפאזה (המופע) שלו במרחב ובזמן. תכונה זאת מאפשרת לרכז את הלייזר לנקודה צרה מאוד ולשמור על הקרניים באלומת האור מקבילות עם זווית התבדרות צרה, תכונה בה נעשה שימוש, למשל, בציין לייזר. בנוסף, הקוהרנטיות מאפשרת ללייזר להיות מונוכרומטי (צבע אחד), כלומר תחום אורכי הגל של הפוטונים הנפלטים צר מאוד.

הלייזר מורכב משני חלקים עיקריים: מגבר ומהוד (ראו איור 3). מטרתו של המגבר היא לפלוט יותר אור ממה שנכנס אליו* (לא בהכרח נכון, ראו הערה בתגובה של יונה למטה, א.ש). מטרת המהוד היא לייצר פידבק, כלומר לגרום לקרן האור לעבור פעמים רבות דרך המגבר וגם לייצר גל עומד בתדירות הרצויה. הצורה הפשוטה ביותר לייצר את המהוד היא להציב שתי מראות, אחת מול השניה. אור ינוע הלוך ושוב בין המראות כאשר חומר ההגברה יוצב ביניהן. מכיוון שההתקן אמור לפלוט אור, אחת המראות אינה מושלמת וחלק קטן מהאור יכול לחמוק דרכה החוצה.

איור 3: תיאור סכמטי של לייזר מצב מוצק. חומר הגברה מוצק בעל רמות אנרגיה מתאימות מוצב בין שתי מראות ונשאב על ידי נורת פלאש. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Lakkasuo.

ההגברה בלייזר* מבוססת על עיקרון פיזיקלי שנקרא 'פליטה מאולצת'. עיקרון זה התגלה בעבודה תיאורטית של אלברט איינשטיין (כן, שוב פעם הוא) כבר בשנת 1917.

אלקטרונים באטום מוגבלים לסדרה של רמות אנרגיה בדידות. כאשר האלקטרון מקבל תוספת אנרגיה, למשל על ידי בליעת פוטון או חום, הוא יכול לעבור לרמת אנרגיה גבוהה יותר. המצב המעורר של האלקטרון אינו יציב ולאחר זמן מה הוא יחזור לרמת היסוד כאשר עודף האנרגיה יכול להיפלט כפוטון. אנרגית הפוטון (כלומר צבעו) נקבעת על ידי הפרש האנרגיה בין הרמה המעוררת לרמת היסוד. פליטת האור מתהליך זה נקראת 'פליטה ספונטנית' והיא עומדת מאחורי תופעות כגון פלואורסנציה.

כאשר פוטון בעל אנרגיה המתאימה להפרש בין הרמות נתקל באטום שבו יש אלקטרון במצב מעורר עלול לקרות משהו מיוחד. ההסתברות לתהליך שבו שני פוטונים זהים לזה המקורי יפלטו והאלקטרון ירד לרמת היסוד עולה באופן משמעותי. תהליך זה נקרא 'פליטה מאולצת' (ראו איור 4).

איור 4: סכימה של פליטה מאולצת. שמאל:האלקטרון במצב מעורר E2, אמצע: פוטון באנרגיה מתאימה פוגש באטום, ימין: האלקטרון יורד לרמת היסוד ושני פוטונים זהים נפלטים. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש V1adis1av.

פוטון באנרגיה מתאימה שנכנס לחומר יכול להיבלע ולעורר אלקטרון למצב מעורר או לגרום לירידה באנרגיה של אלקטרון מעורר קיים ולגרום לפליטה של שני פוטונים. אם אנחנו מעוניינים בפעולת הגברה של אור התרחיש השני הוא זה שנחוץ לנו. כדי שתהליך הפליטה המאולצת יגבר על תהליך הבליעה צריך שיהיו יותר אלקטרונים במצב מעורר מאלקטרונים ברמת היסוד. מצב זה נקרא היפוך אוכלוסין וכדי להגיע אליו יש לעורר את האלקטרונים על ידי אנרגיה חיצונית בפעולה שמכונה 'שאיבה' (למשל על ידי לייזר אחר).

עד כאן תיארתי מגבר אור. כדי שהוא יהפוך ללייזר יש להציב את חומר ההגברה בין שתי מראות כאשר אחת מהן תאפשר יציאה חלקית של האור. להשגת 'לזירה' צריך להכניס מספיק אנרגיה גם עבור שאיבה והיפוך אוכלוסין וגם כדי להתגבר על ההפסדים הנגרמים למשל מבליעת אור באלמנטים השונים ומפליטת אור הלייזר.

***

ישנם סוגים רבים של לייזרים המסווגים בדרך כלל לפי החומר שמשמש להגברה ומצב הצבירה שלו. בניגוד לימיו הראשונים כפתרון שמחפש בעיה, כיום הלייזר הוא פתרון לכל בעיה. למעשה כרגע מגרד לי בגב ואני די מאוכזב שאין לי מכשיר גירוד מבוסס לייזר. אני נאלץ להסתפק בזרוע עץ פרימיטיבית במקום. אם את או אתה מרימים את הכפפה אני אשמח לקבל תמלוגים על הרעיון. תודה.

לגשר על הפער בעזרת ארגז כלים חדש – המלצה לקריאה בנושא אופטוגנטיקה

המוח הוא אגוז קשה לפיצוח.

קשה מאוד לגשר בין רמת הנוירון (תא העצב) הבודד, דרך רמת רשת הנוירונים ועד לרמת המוח האינטליגנטי שמקבל החלטות. מצד אחד חלק גדול מהידע המדעי שלנו על המוח כמכלול מגיע מהתבוננות על אנשים שמוחם נפגע באירוע טראומטי כלשהו או עקב מחלה (ראו למשל בספרו המפורסם של אוליבר סאקס 'האיש שחשב שאשתו היא כובע'). מצד שני ניתן ללמוד על עקרון פעולתו של נוירון בודד אותו מגדלים בתרבית תאים בצלחת במעבדה. שתי גישות אלה תרמו רבות להבנה של פעולת המוח אך שתיהן מוגבלות כל אחת בתחומה. אחת כללית מידי ואינה מבחינה ברכיבים הפועלים ברזולוציה מספקת והשניה מביטה ברזולוציה כה גבוהה שהיא מוציאה את המוח מהקשרו.

האופטוגנטיקה עלולה להיות ארגז הכלים שייתן לנו את היכולת לשלב בין הגישות, כלומר לחקור את המוח ברזולוציה של נוירונים בודדים אך בתוך האורגניזם החי.

תמונה 1: למקרה שאינכם יודעים כיצד נראה ארגז כלים, אז הנה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש M.M.Minderhoud.

בשנת 2001 גילו מדענים גן מעניין שמקורו באצה חד-תאית שביכולתה לחוש באור ולנוע לעברו. הם השתמשו בטכניקות של הנדסה גנטית והשתילו את הגן בתאים, כך שהחלבון שאותו הוא מקודד ייווצר בסביבה בה הוא לא קיים באופן טבעי. כאשר הם האירו את התאים באור כחול נוצרו בקרומי התאים (הממברנות) מעין תעלות שהחלו להכניס פנימה יונים בעלי מטען חיובי כגון נתרן אשלגן וסידן. פעולה זאת גורמת לכך שהמטען החשמלי משני צידי קרום התא אינו מאוזן ולכן מתפתח עליו פוטנציאל חשמלי. כל זאת כאמור קורה רק כאשר הוא מואר. לחלבון המשונה הם קראו Channelrhodopsin.

כאשר כמות מסוימת של מטען חשמלי חיובי חודרת אל תוך נוירון, התא מייצר אות חשמלי שגורם לשחרור חומרים שנקראים נוירוטרנסמיטורים ולהפעלה של הנוירונים שאליהם הוא מחובר באמצעות קשרים סינפטיים. גילוי פעולת חלבון ה-Channelrhodopsin גרם לאותם מדענים לחשוב שאולי אם ישתילו את הגן בנוירון יוכלו לשלוט בעזרת מקור אור חיצוני על הפוטנציאל החשמלי שמתפתח עליו וכך על שידור האותות שלו.

ואז מישהו הרים את הכפפה. מדען מאוניברסיטת סטנפורד בארה"ב לקח עליו את המשימה והצליח להראות בשנת 2005 שנוירונים שגודלו בצלחת ובהם הושתל הגן שמקודד את החלבון Channelrhodopsin הגיבו חשמלית לאור. די מופלא בהתחשב שהתא לקוח מיונק והגן מאצה. בהמשך הצליחו מדענים להראות את ההשפעה של אור גם על מוחו של עכבר חי שבו הושתל הגן. מכאן כל הדרכים פתוחות וכל מה שנדרש הוא להפעיל את הדמיון ולחשוב מה ניתן לעשות בכלי המחקרי החדש הזה.

וכאן אני גם מגיע למטרה האמיתית של הרשימה הזאת והיא המלצה על מאמר של מישהו אחר. מי שאינו מכיר את נושא האופטוגנטיקה וכמוני מוצא אותו מעניין עד מאוד ישמח לקרא מאמר מעמיק וכתוב היטב בשפה ברורה מאת דר' עופר יזהר שפורסם בכתב העת אודיסאה לפני כשנתיים וחצי. דר' יזהר הוא חוקר במחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן. את עבודת המחקר במסגרת הפוסט-דוקטורט שלו ביצע במעבדתו של קארל דייסרות (Deisseroth) שהוא החוקר שהדגים את המערכת לראשונה ב-2005. לא כל יום נתקלים בשילוב של נושא מעניין וכותב מוצלח. מומלץ!

קישור למאמר