לייזר

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

לייזראנגלית: Laser) הוא התקן הפולט אור באופן מרוכז, ממוקד, ומכאן גם בעל עוצמה רבה יותר מפנס רגיל. הלייזר שימושי מאוד בתחומי חיים רבים. הוא משמש למחקרים מדעיים ורפואיים, במדפסת לייזר, למדידות, לחיתוך וניקוי מתכות בתעשייה, כמכשיר הנחיה והכוונה בהרצאות ובשיעורים, והוא נוגע בתחומי חיים רחבי היקף. מפני שלייזר פולט אור עוצמתי וממוקד, לעיתים הוא עלול לפגוע בחוש הראייה, ולכן יש לבדוק היטב את כללי השימוש בכל לייזר, לפני השימוש בו.

הסימון הבינלאומי לקרינת לייזר

הסבר כללי

לייזרים

לייזראנגלית: Laser, ר"ת: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"; "הגברת אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה") הוא התקן הפולט אור קוהרנטי, מונוכרומטי (בתחום צר של אורכי גל) ומקביל (בעל פיזור נמוך). הלייזר הראשון הודגם לראשונה ב־16 במאי 1960 על ידי תיאודור מיימן, אך היה מבוסס על מחקר של מספר חוקרים אמריקאים נוספים: טאונס, שולוב, זיגר וגורדון. ההתקן משתמש באפקט הקוונטי של פליטה מאולצת, ומכאן שמו האנגלי. לאור לייזר יישומים רבים בתחומי המדע והטכנולוגיה.

פיתוח הלייזר

לייזר במעבדת חיל האוויר האמריקאי

הלייזר פותח במאמץ מדעי מתמשך לאורך המאה ה־20, אשר הסתיים בהדגמה ראשונה ב־16 במאי 1960 על ידי תיאודור מיימן. הפיזיקאי אלברט איינשטיין הניח את היסוד התאורטי של פליטה מאולצת. במאי 1954 החוקרים צ'ארלס טאונס, גורדון (James P. Gordon) וזיגר (Herbert J. Zeiger), מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק הציגו בכתב העת פיזיקל רביו מכשיר בשם מייזר בתחום גלי המיקרו. במקביל, עבדו בברית המועצות ניקולאי בסוב ואלכסנדר פרוקהורוב אף הם על פיתוח המייזר. בעקבות כך, החל מרוץ בינלאומי לפתח מכשיר דומה למייזר אך בתחום הנראה, או לייזר כפי שהוא נקרא מאז הוצע השם על ידי גורדון גולד. ב־1960 פורסם מאמר פורץ דרך של טאונס וגיסו ארתור שולוב על הדרך להגיע ללייזר. זכות הראשונים האקדמית ניתנה לטאונס ושולוב אף על פי שמיימן קדם להם בהדגמת לייזר לראשונה. בזכות הכרה זו היו טאונס ושולוב שותפים עם אחרים לפרסי נובל, טאונס ב־1964 עם בסוב ופרוקהורוב, ושולוב עם בלומברגן ב־1981.

זכות הראשונים על הפטנט הבסיסי בתחום הלייזרים ניתנה אף היא לטאונס ושולוב בגלל בקשת פטנט שהגישו ביולי 1958 ואשר אושרה ב־1960 כפטנט אמריקאי מספר 2,929,922. אולם, לפי החוק האמריקאי שהיה תקף עד 2013, זכות הראשונים על אמצאה הייתה של הראשון להמציא ולא של הראשון להגיש בקשת פטנט. גורדון גולד היה תלמיד מחקר באוניברסיטת קולומביה בניו־יורק, מקום עבודתו של טאונס, היה מעורה במירוץ אחר הלייזר ואף דן עם טאונס בעניין. כחצי שנה לפני שטאונס ושולוב הגישו בקשת פטנט, תיעד גולד במחברתו תכנון של לייזר. על בסיס תיעוד זה ניהל גולד מאבק רב שנים[1] להכרה כבעל זכות הראשונים על אמצאת הלייזר באמצעות חברה שהוקמה לשם המאבק על ידי עורך דינו דיק סמואל. לבסוף, פסק בית המשפט שהתכנון של גולד והמאמצים לממשו אינם מספיקים להעניק לו את זכות הראשונים.

הסבר פיזיקלי

מדוע לייזר שונה מאור רגיל?

בידינו דרכים רבות ליצירת אור (למשל, נורה חשמלית). עם זאת, רוב מקורות האור שיש בידינו מפיקים אור בעל אורכי גל שונים, מופע חסר תיאום וכזה שמתפזר לכל הכיוונים. באמצעות שימוש בלייזר ניתן לייצר אור מונוכרומטי (בעל אורך גל אחיד), קוהרנטי (בעל מופע מתואם) שמקרין בכיוון אחד בלבד.

במילים פשוטות יותר נוכל לומר כי במקור אור "רגיל" הפוטונים אינם מתואמים ביניהם – כל פוטון מגיע עם מופע, אורך גל וכיוון משלו. בלייזר אנו מייצרים אור בו כל הפוטונים מתואמים, ולכן זהו מקור אור עוצמתי הרבה יותר. ניתן להסביר את הגידול בעוצמה . בשתי דרכים פשטניות. בדרך הראשונה, אפשר לחשוב על אצטדיון כדורגל רוחש והומה כאשר המונים גודשים אותו. כל אדם מדבר עם שכניו בקול אך הקולות לא מתואמים והרעש הכללי אינו בעוצמה רבה. לעומת זאת, לאחר הבקעת שער, האצטדיון כולו שואג גול במתואם והקול המתקבל הוא אדיר. בדרך השנייה, עוצמת .קרינת האור מתכונתית לריבוע המשרעת של גל הקרינה. כאשר יש גלים לא מתואמים, העוצמה הכללית היא סכום העוצמות של הגלים בנפרד. כאשר הגלים מתואמים, מחברים את המשרעות ואז מעלים בריבוע, והתוצאה גבוהה בהרבה. הנה דוגמא מספרית של חמישה גלים במשרעת של 1, 2,2, 3,2 ביחידות המתאימות. אם הגלים אינם מתואמים העוצמה היא סכום הריבועים, 22. אבל אם הגלים מתואמים העוצמה גדולה בהרבה כי היא ריבוע הסכום, 144..

הקדמה – פליטה מאולצת
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – פליטה מאולצת

ניזכר במבנה האטום (לרחבה ראה: מודל האטום של בוהר) – במרכז האטום גרעין, ומסביבו חגים אלקטרונים במסלולים מסוימים הנקראים "רמות אנרגיה" (ראה איור 1).

נניח כי אלקטרון נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר (הקרובה ביותר לגרעין). אם אותו אלקטרון יקבל אנרגיה הוא יוכל "לקפוץ" לרמת אנרגיה גבוהה יותר, אך כיוון שזה אינו מצבו המקורי והיציב תוך זמן קצר אותו אלקטרון ייפול בחזרה לרמת האנרגיה היסודית.

כאשר אלקטרון נופל מרמה גבוהה לרמה נמוכה יותר הוא מאבד אנרגיה – בדיוק את אותה האנרגיה שהיא ההפרש בין הרמות.

למשל, אם אלקטרון נופל מרמה בעלת אנרגיה לרמה בעלת אנרגיה , האנרגיה אותה יאבד האלקטרון היא בדיוק . אותה אנרגיה ש"הולכת לאיבוד" נפלטת בצורת פוטון, שהוא חלקיק של אור (ראה איור 1).

איור 1: בתמונה ניתן לראות אטום בעל 3 מסלולים מותרים לאלקטרונים. האלקטרון (ירוק), לאחר שעלה מרמה 1 לרמה 2, נופל בחזרה לרמה 1 ולכן נפלט החוצה פוטון בעל אנרגיה של

האנרגיה אותה מכיל פוטון נקבעת לפי התדירות שלו. כיוון שפוטון הוא חלקיק של אור, אור בתדרים שונים יהיה מורכב מפוטונים בעלי אנרגיה שונה.


אנרגיה של פוטון ניתנת על ידי:

כאשר:

f – תדירות האור (מחזורים לשנייה)

h – קבוע פלאנק


את אורך הגל של הפוטון ניתן למצוא לפי המשוואה

כאשר:

f – תדירות האור (מחזורים לשנייה)

λ – אורך הגל של האור (מטרים)

c – מהירות האור (299,792,458 מטרים לשנייה)


התהליך המתואר באיור 1, בו אלקטרון נופל בין רמות אנרגיה ופולט פוטון נקרא "פליטה ספונטנית".

ישנה גרסה מורכבת יותר של התהליך, הנקראת "פליטה מאולצת".

נניח שאלקטרון נמצא במצב מעורר – אותו אלקטרון עלה לרמת אנרגיה גבוהה וטרם הספיק ליפול.

אם בזמן שהאלקטרון במצב מעורר עובר באזור פוטון בעל אנרגיה מתאימה (כזו ששווה להפרש הרמות), הפוטון יגרום לאלטרון "ליפול" לרמת אנרגיה נמוכה יותר ולפלוט פוטון נוסף בתהליך. הפוטון שייפלט יהיה בעל אותה אנרגיה, אותו מופע ואותו כיוון כמו הפוטון המקורי (ראה איור 2).

איור 2: פליטה מאולצת. האלקטרון (בירוק) נמצא ברמת אנרגיה גבוהה, כאשר פוטון מאלץ חולף לידו. הפוטון "מאלץ" את האלקטרון לרדת לרמה , ובתהליך זה נפלט פוטון נוסף מהאטום (בדומה לפליטה ספונטנית). שני הפוטונים ממשיכים בדרכם, כאשר שניהם בעלי אותה תדירות ואותו מופע, והם נעים באותו כיוון

למעשה, שימוש באפקט הפליטה המאולצת מאפשר לנו "להכפיל" פוטונים שוב ושוב – מפוטון אחד יצאו שניים, ולאחר מכן 4, ואז 8 וכן הלאה. מכיוון שפליטה מאולצת נותנת פוטונים זהים, כל חלקיקי האור יהיו בעלי אותו צבע, מופע וכיוון.

בבניית לייזר משתמשים בשני רכיבים – חומר מגביר שינצל את אפקט הפליטה המאולצת כדי להגביר אור, ומהוד אופטי שיגרום לאור ללכת הלוך וחזור בתוך אותו חומר מגביר. בצורה כזאת נוכל להגביר את האור שבידינו שוב ושוב עד שיגיע לרמה מקסימלית.

חומר מגביר
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מגבר אופטי

כדי לנצל את אפקט הפליטה המאולצת, ניקח חומר העשוי מאטומים מתאימים. באמצעות שאיבה חשמלית "נקפיץ" את כל האלקטרונים שבחומר לרמות גבוהות, כך שיהיו מעוררים ויחכו לפוטון שיפגע בהם.

כאשר נשגר פוטון בודד לתוך בחומר, תיווצר תגובת שרשרת כמו זו שתארה למעלה, ונקבל במוצא מפולת של פוטונים שכולם זהים.

מהוד
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מהוד פברי־פרו

כדי לנצל עד תום את החומר המגביר, נרצה שהאור יעבור בו מספר רב של פעמים, הלוך וחזור, וכל פעם יוגבר עוד. לשם כך נשתמש במהוד, התקן בעל שתי מראות הניצבות זו מול זו ותפקידו להוליך אור במסלול מחזורי. כאשר קרן האור נתקלת במראת המהוד היא מסתובבת ומשנה כיוון, וכך האור מתקדם הלוך ושוב.

בלייזר מייצרים את אחת המראות של המהוד כך שתעביר מעט את האור (90% מהאור משתקף בחזרה ו־10% מהאור עובר, לדוגמה) ושם יהיה מוצא הלייזר - רוב האור במערכת ימשיך להסתובב בתוך המהוד ויעבור הגברה, וחלק קטן ממנו ייצא החוצה כדי לספק לנו קרן לייזר קוהרנטית (ראה איור 3).

איור 3: דוגמה ללייזר בו החומר המגביר עשוי מגביש Nd:YAG. ניתן לראות את שתי המראות, כאשר המראה השמאלית מחזירה את כל האור והמראה הימנית מעבירה את חלקו. מימין למראה הימנית קרן הלייזר נפלטת החוצה. בין שתי המראות האור הולך הלוך וחזור בלי הרף, ועובר דרך החומר המגביר
לייזר שלוש רמות ולייזר ארבע רמות
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – היפוך אוכלוסייה

לאחר שהבנו את העקרון הכללי, נחזור לחומר המגביר ונראה אילו שיטות יש בידינו כדי לגרום לפליטה מאולצת. בהסבר על פליטה מאולצת התייחסנו רק לשתי רמות אנרגיה הקיימות באטום, אך בשימוש בלייזרים נבחר אטומים בעלי 3 או 4 רמות אנרגיה, ונשתמש בכולן.

נניח כי במצב היציב כל האלקטרונים באטום נמצאים ברמת היסוד לה נקרא  (הרמה הנמוכה ביותר). כדי לייצר אפקט חזק מספיק של פליטה מאולצת, נרצה שברמה  יהיו יותר אלקטרונים מאשר ברמה . בצורה מתמטית:

לתנאי זה אנו קוראים "היפוך אוכלוסייה", כיוון שאכלוס האלקטרונים בין הרמות מתהפך. רק אם תנאי זה מתקיים, פוטון שיעבור בסביבה באמת יגרום לפליטה מאולצת וייצור פוטון נוסף.

בלייזר 3 רמות אנו נעלה את האלקטרונים לרמה גבוהה עוד יותר – .

מרמה האלקטרונים ייפלו במהירות לרמה , שם הם ימתינו זמן רב כדי לחכות לפוטון שיגרום להם לפליטה (ראה איור 4).

כדי להבטיח שהאפקט יעבוד, נרצה נפילה מהירה מ ל- . במילים אחרות נוכל לומר כי הזמן הממוצע שהאלקטרון שוהה ברמה 3 לפני שנופל לרמה 2 – לזמן זה אנו קוראים - הוא קצר מאוד.

בנוסף, עלינו שהזמן בו שוהה האלקטרון ברמה 2 לפני שנופל לרמה 1 () יהיה ארוך מאוד, אחרת האלקטרונים ייפלו לרמת היסוד לפני שיספיק לפגוע בהם פוטון.

איור 4: מערכת שלוש רמות. החץ הכחול מתאר את האלקטרונים אותם אנו מעלים (בצורה מלאכותית) מרמה 1 לרמה 3. החץ הירוק מתאר את הנפילה המהירה של האלקטרונים מרמה 3 לרמה 2. ברמה 2 האלקטרונים שוהים זמן רב יחסית, עד שיבוא פוטון ו"יאלץ" אותם ליפול בחזרה לרמה 1, כפי שמתואר בחץ האדום.


הבעיה בלייזר 3 רמות היא ש־ היא רמת היסוד השופעת באלקטרונים, ולכן כדי לקיים את התנאי  עלינו להשקיע אנרגיה רבה.

כדי לפתור בעיה זו הומצא לייזר 4 רמות.

בלייזר זה נשתמש ב־ בתור "הרמה הנמוכה" וב־ בתור הרמה הגבוהה.

זאת אומרת שהפליטה המאולצת תתרחש כאשר אלקטרון ייפול מרמה 3 לרמה 2.

בצורה דומה נקפיץ אלקטרונים לרמה , ממנה הם ייפלו במהירות לרמה . ברמה 3 האלקטרונים ימתינו זמן רב עד אשר יגיע פוטון כדי להפיל אותם לרמה  ולפלוט פוטון בדרך (ראה איור 5).

מרמה האלקטרון ייפול במהירות לרמה  (רמת היסוד), מוכן להתחיל את התהליך מחדש ולספק לנו הגברה נוספת.

כיוון שבמצב יציב אין ברמה 2 אלקטרונים כלל, אנו נצטרך להשקיע אך כמות קטנה של אנרגיה כדי לקיים את התנאי


איור 5: לייזר ארבע רמות. החץ הכחול מתאר את האלקטרונים אותם אנו מעלים (בצורה מלאכותית) מרמה 1 לרמה 4. החץ הירוק העליון מתאר את הנפילה המהירה של האלקטרונים מרמה 4 לרמה 3. ברמה 3 האלקטרונים שוהים זמן רב יחסית, עד שיבוא פוטון ויאלץ אותם ליפול לרמה 2, כפי שמתאר החץ האדום. החץ הירוק התחתון שוב מתאר נפילה מהירה, הפעם של אלקטרונים מרמה 2 בחזרה לרמה 1. בניגוד למקרה הקודם , המייצג את צפיפות האלקטרונים ברמה 2 הוא מספר קטן מאוד ולכן הרבה יותר קל לייצר היפוך אולוסייה.

סוגי לייזרים

מצפה הכוכבים פאראנאל במדבר אטקמה שבצ'ילה צופה במרכז גלקסיית שביל החלב באמצעות לייזר המנחה את הטלסקופ.

קיימים כמה סוגי לייזרים, אותם ניתן לסווג לפי טווח הליזר או לפי אופי הפלטה.

סוגי לייזרים לפי התווך המייצר את הלזירה:

  1. לייזר גז – קיימים מספר גזים שכאשר מייננים אותם ניתן ליצור בהם היפוך. במשפחה זאת ישנם לייזרים היכולים לייצר הספק מוצא גבוה מאוד כגון לייזר פחמן דו־חמצני ולייזר פחמן חד־חמצני. לייזרים אלו שימושיים במערכות ריתוך ובאים לידי שימוש גם במערכות נגד רקטות.
  2. לייזר גביש – הלייזר הראשון שהודגם היה מסוג "לייזר אודם" (Ruby laser). התגלה שבגביש זה ניתן לגרום להיפוך אוכלוסין על ידי העלאת האטומים לרמה מעוררת על ידי שימוש במנורות פלאש שמוקדו לתוך הגביש. הלייזר בצבע אדום נראה, בעל נצילות נמוכה.
  3. לייזר מוליך למחצה או לייזר דיודה – בעזרת הזרמת זרם לדיודה שעשויה מחומרים מוליכים למחצה ניתן ליצור היפוך באזור הצומת. ליצירת תדרים שונים ניתן להשתמש בחומרים שונים. לייזר דיודה הוא לייזר זול לייצור, בעל נצילות גבוהה מאוד (מעל 95% בלייזר הכי פשוט), מסוגל לייצר הספק מוצא נמוך ואיכות קרן נמוכה. מצוי בכל מכשירי תקליטור, בסמני לייזר ועוד.
  4. לייזר סיב – בלייזר סיב כל המהוד נמצא בתוך סיב אופטי. המראה האחורית ממומשת על ידי סריג בראג, והמראה הקידמית ממומשת בדרך כלל על ידי חיתוך הסיב ב־90 מעלות, דבר שגורם להחזרה של 4% מהאור חזרה לסיב. יתרונות לייזר הסיב הם יציבותו הרבה, פשטותו, היעילות הגבוהה מאוד שלו. לאחרונה דווח על לייזר סיב בעל עוצמה של מעל 5,000 וואט. לצורך שאיבת לייזר סיב משתמשים בדרך כלל בלייזרי מוליך למחצה.
  5. לייזרי צבע (Dye) – בהם התווך הוא תרכובת אורגנית, והמאפשרים לכוון את אורך הגל (לעומת הלייזרים הקודמים שהם בעלי אורך גל קבוע ומוכתב על ידי חומר התווך).
  6. לייזר אלקטרונים חופשיים – זהו מתקן המאיץ אלקטרונים בסביבה בעלת שדה מגנטי משתנה, וכך יוצר קרינה שאורך הגל שלה ניתן לכיוון בין אורכי גל מיקרו דרך התחום הנראה עד לתחום הרנטגן (X). בעולם מספר מצומצם של מתקנים כאלה.

סוגי לייזרים לפי צורת הפליטה:

  1. לייזר רציף (CW = continuous wave) פולט אור בצורה רציפה באורך גל קבוע.
  2. לייזר פולסים פולט אור בפולסים.

שימושי הלייזר

שימוש באפקט לייזר בהופעה
פילוס רצפה בעזרת לייזר
מכשיר לייזר CO2 לשימושים רפואיים מדגם שרפלן 40C, פרי פיתוחו של עוזי שרון

כיום משתמשים בלייזר למגוון רחב מאוד של שימושים, מקצתם מפורטים להלן:

  • פנאי.
  • הכוונה, מכל סוג.
  • חיתוך והסרת חלודה ממתכות.
  • קריאה וכתיבה של מדיות מגנטו־אופטיות (CD ,DVD וכו').
  • העברת מידע ספרתי למידע גרפי במדפסות.
  • קורא ברקוד
  • יצירת הולוגרמות לווידוא תקפות, למשל בכרטיסי אשראי.
  • צריבה תלת־ממדית של זכוכית בלייזר.
  • פילוס בעבודות בניין.
  • סימון מטרות מרחוק לכלי נשק מתבייתים, ומקרוב לנשק קל.
  • סימון בציין לייזר בהדרכה לקהל.
  • יצירת אפקטים חזותיים לבידור קהל.
  • צעצוע מסחרי לגירוי חתולים
  • תקשורת דרך סיבים אופטיים ובחלל הפתוח.
  • סימון, חיתוך, חימום, ריתוך וטיפולי שטח.
  • טיפולים כירורגיים וקוסמטיים ותיקוני ראיה (LASEK ו־LASIK).
  • טיפולי שיניים: ביצוע סתימות, טיפולי חניכיים והלבנת שיניים.
  • זיהוי חומרים.
  • מדידת מרחקים וזוויות, ניטור תנועות, ומיפוי מאמצים מדויק.
  • מדידה מדויקת של זמן המחזור של החודש הירחי בעזרת מחזיר אור על הירח.
  • מדידה מרחוק של פרמטרים גופניים, ואף האזנה מרחוק.
  • מערכות נשק ליירוט רקטות וטילים (בפיתוח מתקדם – כדוגמת נאוטילוס).
  • קירור אטומים לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט[2]

בטיחות

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – בטיחות לייזר

לייזרים רבים יכולים להגיע לצפיפויות הספק גבוהות מאוד, שבצדן מגוון סיכונים. הסיכון הנפוץ ביותר הוא פגיעה בראייה. העין רגישה מאוד, ופגיעת קרן לייזר בה עלולה לגרום לנזק ואף לעיוורון. גם פגיעה חד־פעמית מאמצעים נפוצים כמו סמני לייזר להרצאות עלולה לגרום לפגיעה בראייה. סיכונים אחרים, במיוחד בלייזרים בתעשייה ובמחקר, הם כוויות, התחשמלות או נשימת כימיקלים רעילים.

כדי להתוות את רמת הסיכון של הלייזר מסווגים אותו לאחת מארבע קבוצות. רק הלייזרים בקבוצה I הם בטוחים ואין צורך באמצעי בטיחות בשימוש בהם. לייזרים בקבוצות III, II או IV (הקבוצה המסוכנת ביותר) דורשים שימוש במשקפי מגן מתאימים לקרינת הלייזר המסוים, הגבלה פיזית של מסלול הקרן, שימוש בשילוט אזהרה בולט, התקנת מפסקי מגן ועוד, בהתאם לרמת הסיכון.

ראו גם

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

  1. Nick Taylor, Laser the inventor' the nobel Laureate' and the thirty-year patent war, New York: Simon & Schuster, 2000
  2. מאיר ברק, ‏האם יהיה ניתן להגיע לאפס המוחלט אי פעם? חווה, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 בספטמבר 2009
סמל המכלול גמרא 2.PNG
הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רישיון cc-by-sa 3.0