ראשי > כללי > הפתרון שחיפש בעיה והפך לפתרון לכל בעיה: כמה מילים על לייזרים

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.

Laser_pointers

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.

Military_laser_experiment

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.

Laser scheme
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).

Stimulated_Emission

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.

מודעות פרסומת
  1. שוקי
    07/01/2014 ב- 12:50 pm

    חבל שאין לך זרוע רובוטית.

  2. 07/01/2014 ב- 5:12 pm

    שוקי: אכן חבל. כמו כן, אני מניח שאתה מתכוון לזרוע שלישית בנוסף לשתיים שיש לי כרגע ואני די מרוצה מהן.

  3. יונה
    27/02/2014 ב- 5:13 pm

    כתבת שלייזר פולט יותר אור ממה שנכנס אליו, וזה לא בהכרח נכון, רוב לייזרי הגז לא פולטים יותר אור ממה שנכנס אליהם, הם מעוררים על ידי אור לא קוהרנטי (נשאבים) ויוצא מהלייזר אור קוהרנטי, הדרך השנייה היא אן עירור אלקטרוני, חשמלי, ואז אכן נפלט אור יותר משנכנס, כי לא נכנס אור בכלל, אבל 2 הדרכים אפשריות, ולכן היותר נכון הוא לכתוב שיוצא אור קוהרנטי יותר בעל אורך גל יחיד (בדר"כ) ורוחב סרט מסויים (שנקבע לפי כמות אורכי הגל שלו), בעל אלומה צרה יותר, ואנרגיה ממוקדת יותר, אבל האנרגיה ככה או ככה משתמרת.

  4. 27/02/2014 ב- 6:36 pm

    יונה: תודה על התיקון. אני אוסיף הערה בטקסט.

  1. No trackbacks yet.

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: