לייזר

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
ניסוי בלייזר במעבדה

לייזר (אנגלית 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.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

לייזר במעבדת חיל האוויר האמריקאי
אנימציה שמדגימה את עקרון פעולת הלייזר

מספר אנשים אחראים להמצאה זו. הפיזיקאי אלברט איינשטיין הניח ב1916 את היסודות התיאורתיים לתופעה זו. במאי 1954 החוקרים צ'רלס טאונס, גורדון וזיגר, מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק הציגו בפיזיקל רביו מכשיר בשם מייזר בתחום המיקרוגל. ב1960 מאמר פורץ דרך של טאונס וגיסו ארתור שולוב הוביל למחקר של גורדון גולד, שעבד בסמוך לטאונס. גורדון היה גם מי שטבע את השם "לייזר" – "מגבר אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה" עבור מייזר אור. הלייזר הראשון מומש והודגם בפועל לראשונה ב-16 במאי 1960 על ידי תיאודור מיימן.

כללי[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקורות אור רגילים, כמו נורה חשמלית, פולטים פוטונים בכל הכיוונים, ובדרך כלל בספקטרום רחב של אורכי גל. כמו כן הם אינם קוהרנטיים, כלומר אין פאזה קבועה עבור כל הפוטונים הנפלטים. הלייזר לעומת זאת, פולט פוטונים בקרן צרה והאור הוא בקרוב טוב מונוכרומטי (כלומר לכל הפוטונים אותו אורך גל), קוהרנטי (כלומר הפאזה של כל הפוטונים מוגדרת היטב), ומקוטב. בלייזר זה היה שימוש ברובי.

עקרון הפעולה של הלייזר מבוסס על התופעה הקוונטית של הפליטה המאולצת: אם יש מערכת קוונטית שנמצאת ברמת אנרגיה הגבוהה מרמת היסוד (למשל אטום שיש בו אלקטרון ברמה מעוררת), קיום של פוטון המתאים להפרש בין הרמה בה נמצאת המערכת לרמה נמוכה יותר, מאלץ את המערכת לרדת לרמת האנרגיה הנמוכה תוך כדי פליטת פוטון נוסף הזהה לפוטון המאלץ בכל תכונותיו הקוונטיות, מבלי שהפוטון המקורי נבלע. בשביל להשתמש באפקט הזה יש ליצור מצב של היפוך אוכלוסייה, בו המערכת אינה מצייתת להתפלגות בולצמן, אלא יש רמה לה יש אכלוס גבוה יותר מאשר לרמה בעלת אנרגיה נמוכה יותר. הלייזר יוכל להגביר פוטונים בעלי אנרגיה השווה להפרש האנרגיות בין שתי רמות אלה. כדי שיהיה היפוך אוכלוסייה, המערכת אינה יכולה להיות בשיווי משקל תרמודינמי, ודרוש לספק אנרגיה למערכת, פעולה זו נקראת "שאיבה".

בשביל לחזור על ההגבר פעמים נוספות, משתמשים במהוד אופטי כלומר בשתי מראות שדרך אחת מהן יש אפשרות לחלק קטן מהפוטונים להימלט, ואשר מרחקן זו מזו מתאים לאורך הגל הרצוי. רוב הפוטונים הולכים הלוך וחזור בתוך המהוד, כך שהם יכולים לגרום לעוד ועוד פליטות מאולצות. הפוטונים שבורחים דרך אחת המראות הם אלה שיוצרים את הקרן.

סוגי לייזרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 הלזירה 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 בלייזר פחמן דו-חמצני ולייזר פחמן חד-חמצני. לייזרים אלו שימושיים במערכות ריתוך ובאה לידי שימוש גם במערכת הנאוטילוס נגד רקטות ארטילריות.
  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 ואורכי הגל של 694 ,800 ,810 ננומטר.
  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 הנו 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 הינם יציבותו הרבה, פשטותו, היעילות הגבוהה מאוד שלו ואיכות הקרן שמשתווה לM^2=1[דרושה הבהרה]. 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[עריכת קוד מקור | עריכה]

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:

  • קריאה וכתיבה של מדיות מגנטו-אופטיות (CD DVD וכו').
  • העברת מידע ספרתי למידע גרפי במדפסות.
  • יצירת הולוגרמות לוידוא 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.
  • 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)

בטיחות[עריכת קוד מקור | עריכה]

הסימון הבינלאומי לקרינת לייזר
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[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]