לייזר: מכשיר הפולט אור ממוקד

ערך זה עוסק במכשיר הפולט אור ממוקד. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו לייזר (פירושונים).

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.

 

לייזר (באנגלית: 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.

 

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 פרוחורוב 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 ופרוחורוב, 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 המצאה 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 להכרה כבעל זכות הראשונים על המצאת 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.

מדוע לייזר שונה מאור רגיל?

ישנן דרכים רבות ליצירת אור (נורה חשמלית למשל). אך רוב מקורות האור שיש בידינו מפיקים אור שקרניו בעלות אורכי גל שונים, מופען לא מתואם והן מתפזרות לכל הכיוונים. באמצעות שימוש בלייזר ניתן לייצר אור מונוכרומטי (בעל אורך גל יחיד) וקוהרנטי (בעל מופע מתואם) שכמעט אינו מתפזר.

במילים פשוטות יותר, ניתן לומר כי במקור אור "רגיל" הפוטונים אינם מתואמים ביניהם – כל פוטון מגיע עם מופע, אורך גל וכיוון משלו. הלייזר פולט 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 דוגמה מספרית של חמישה גלים במשרעת של 1, 2, 2, 3, 2 ביחידות מתאימות. אם הגלים אינם מתואמים העוצמה היא סכום הריבועים, 22. אבל אם הגלים מתואמים העוצמה גדולה בהרבה כי היא ריבוע הסכום, 100.

הקדמה – פליטה מאולצת

  ערכים מורחבים – פליטה מאולצת, מודל האטום של בוהר

במרכז אטום נמצא גרעין ומסביבו חגים אלקטרונים במסלולים מסוימים הנקראים "רמות אנרגיה" (ראו איור 1).

אם אלקטרון נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר (הקרובה ביותר לגרעין) ויקבל אנרגיה, הוא יוכל לעלות 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 אותה האנרגיה שהיא ההפרש בין הרמות.

למשל, אם אלקטרון נופל מרמה בעלת אנרגיה ${\displaystyle E_{1}}$  לרמה בעלת אנרגיה ${\displaystyle E_{2}}$ , האנרגיה אותה יאבד האלקטרון היא בדיוק ${\displaystyle \Delta E=E_{2}-E_{1}}$ . אותה אנרגיה ש"הולכת לאיבוד" נפלטת בצורת פוטון, חלקיק אור (ראו איור 1).

 

האנרגיה של הפוטון תלויה בתדירות שלו. כיוון שפוטון הוא חלקיק של אור, אור בתדרים שונים יהיה מורכב מפוטונים בעלי אנרגיה שונה.

אנרגיה של פוטון ניתנת על ידי:

${\displaystyle E_{p}=hf}$ 

כאשר:

f – תדירות האור (מחזורים לשנייה – Hz)

h – קבוע פלאנק

את אורך הגל של הפוטון ניתן למצוא לפי המשוואה

${\displaystyle c=\lambda f}$ 

כאשר:

f – תדירות האור (מחזורים לשנייה – Hz)

λ – אורך הגל של הפוטון (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 לאלקטרון "ליפול" לרמת אנרגיה נמוכה יותר ולפלוט פוטון נוסף בתהליך. הפוטון שייפלט יהיה בעל אותה אנרגיה (כלומר בעל אותו אורך גל), אותו מופע ואותו כיוון כמו הפוטון המקורי (ראה איור 2).

 

שימוש באפקט הפליטה המאולצת מאפשר "להכפיל" פוטונים שוב ושוב – מפוטון אחד יצאו שניים, ולאחר מכן 4, ואז 8 וכן הלאה. מכיוון שפליטה מאולצת גורמת לפליטת 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 ניתן להגביר את האור שוב ושוב עד שיגיע לעוצמה גבוהה.

חומר מגביר

  ערך מורחב – מגבר אופטי

כדי לנצל את אפקט הפליטה המאולצת, ניקח חומר העשוי מאטומים מתאימים. באמצעות "שאיבה חשמלית",^{[דרושה הבהרה]}המתבצעת על ידי הפעלת מתח חשמלי אשר נותן אנרגיה לאלקטרונים הנמצאים ברמה הנמוכה, ובכך "מקפיץ" את כל האלקטרונים שבחומר לרמות גבוהות.

כאשר נשגר פוטון בודד לתוך החומר, תיווצר תגובת שרשרת כמו זו שתוארה למעלה ונקבל במוצא הגברה של פוטונים זהים.

מהוד

  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 מהאור (90% מהאור משתקף בחזרה ו־10% מהאור עובר, לדוגמה) ושם יהיה מוצא הלייזר – רוב האור במערכת ימשיך להסתובב בתוך המהוד ויוגבר, וחלק קטן ממנו ייצא החוצה כדי לספק לנו קרן לייזר קוהרנטית (ראה איור 3).

 

לייזר שלוש רמות ולייזר ארבע רמות

  ערך מורחב – היפוך אוכלוסייה

בהסבר על פליטה מאולצת לעיל מובאת התייחסות רק לשתי רמות אנרגיה באטום, אך ללייזר נבחרים אטומים בעלי 3 או 4 רמות אנרגיה.

נניח כי במצב היציב כל האלקטרונים באטום נמצאים ברמת היסוד, הנמוכה ביותר, ${\displaystyle E_{1}}$ . כדי לייצר אפקט חזק מספיק של פליטה מאולצת, צריך שברמה ${\displaystyle E_{2}}$  יהיו יותר אלקטרונים מאשר ברמה ${\displaystyle E_{1}}$ . בצורה מתמטית:

${\displaystyle N_{2}>N_{1}\Rightarrow N_{2}-N_{1}=\Delta N>0}$ 

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

בלייזר 3 רמות מעלים את האלקטרונים לרמה גבוהה עוד יותר – ${\displaystyle E_{3}}$ .

מרמה זו האלקטרונים ייפלו במהירות לרמה ${\displaystyle E_{2}}$ , שם הם ימתינו זמן רב יחסית כדי לחכות לפוטון שיגרום להם לפליטה (ראה איור 4).

כדי להבטיח שהאפקט יעבוד, צריך שהנפילה מ${\displaystyle E_{3}}$  ל־${\displaystyle E_{2}}$  תהיה מהירה. כלומר, הזמן הממוצע שהאלקטרון שוהה ברמה 3 לפני שהוא נופל לרמה 2 (${\displaystyle \tau _{3}}$ ) הוא קצר מאוד.

בנוסף, עלינו להבטיח שהזמן בו שוהה האלקטרון ברמה 2 לפני שנופל לרמה 1 (${\displaystyle \tau _{2}}$ ) יהיה ארוך מאוד, אחרת האלקטרונים ייפלו לרמת היסוד לפני שיספיק לפגוע בהם פוטון.

 

הבעיה בלייזר 3 רמות היא ש־${\displaystyle E_{1}}$  היא רמת היסוד השופעת באלקטרונים, ולכן כדי לקיים את התנאי ${\displaystyle \Delta N>0}$  עלינו להשקיע אנרגיה רבה.

כדי לפתור בעיה זו הומצא לייזר 4 רמות.

בלייזר זה נשתמש ב־${\displaystyle E_{2}}$  בתור "הרמה הנמוכה" וב־${\displaystyle E_{3}}$  בתור הרמה הגבוהה.

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

בצורה דומה נקפיץ אלקטרונים לרמה ${\displaystyle E_{4}}$ , ממנה הם ייפלו במהירות לרמה ${\displaystyle E_{3}}$ . ברמה 3 האלקטרונים ימתינו זמן רב עד אשר יגיע פוטון כדי להפיל אותם לרמה ${\displaystyle E_{2}}$  ולפלוט פוטון בדרך (ראה איור 5).

מרמה ${\displaystyle E_{2}}$  האלקטרון ייפול במהירות לרמה ${\displaystyle E_{1}}$  (רמת היסוד), מוכן להתחיל את התהליך מחדש ולספק לנו הגברה נוספת.

כיוון שבמצב יציב אין ברמה 2 אלקטרונים כלל, צריך להשקיע כמות קטנה בלבד של אנרגיה כדי לקיים את התנאי.

${\displaystyle N_{3}-N_{2}=\Delta N>0}$ 

 

 

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

סוגי לייזרים לפי התווך המייצר את הלזירה או מנגנון השאיבה:

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 הקדמית 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.
7. לייזר שאוב-שמש - הוא לייזר גביש או גזי הנשאב אופטית על ידי קרינת שמש מרוכזת.

סוגי לייזרים לפי צורת הפליטה:

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

 

 

 

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 ראייה (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 לייזר ליירוט רקטות וטילים (בפיתוח מתקדם – כדוגמת נאוטילוס).
• קירור אטומים לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט

  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.

• מייזר – התקן שקדם ללייזר, ומייצר קרינה קוהרנטית לרוב בתדירות מיקרוגל אך כיום גם עד התחום התת־אדום בספקטרום האלקטרומגנטי ומשמש בשעונים אטומיים ובתקשורת חלל עמוק.

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: ליזר
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: לייזר

• ד"ר גלי ויינשטיין, יום הולדת 50 ללייזר, באתר הידען
• פרופ' זאב זלבסקי, עידן הלייזר והמהפכה האופטית – כתבה בסיינטיפיק אמריקן ישראל לרגל 50 שנה להמצאת הלייזר
• חוברת הדרכה בבטיחות קרינה של המכון לבטיחות קרינה, המרכז למחקר גרעיני נחל שורק
• קרן לייזר שתשמיד פצצות: הפיתוח החדש של גרמניה, אבי אליהו, אתר Mako, בתאריך 18 ספטמבר 2012
• ניצן סדן, אנרגיות טובות: תותחי לייזר מגיעים למטוסי קרב. איך יועילו לאנושות?, באתר כלכליסט, 19 בינואר 2019
• לייזר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   קרני ליזר, דף שער בספרייה הלאומית