לייזר כחול

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
Gnome-colors-edit-find-replace.svg יש לשכתב ערך זה. הסיבה לכך היא: תרגמת, עד רמת משפטים שאינם ברורים כלל.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.

לייזר כחול הוא לייזר הפולט קרינה אלקטרומגנטית באורך גל שבין 360 ל-480 ננומטר, אשר העין האנושית רואה ככחול או כסגול. קרניים כחולות מיוצרות על ידי לייזרים של גז כמו הליום-קדמיום ב-441.6 ננומטר ועל ידי הלייזרים של היון ארגון ב-458 וב-488 ננומטר.

לייזרים מוליכים למחצה עם קרניים כחולות מבוססים בדרך-כלל על גליום III ניטריד (GaN בצבע סגול) או אינדיום גליום ניטריד (לעיתים קרובות בצבע כחול אולם יכול להופיע גם בצבעים אחרים).

בנוסף, ניתן ליצור לייזר כחול ולייזר סגול באמצעות הכפלת תדר של לייזר אינפרא אדום מלייזר מוליך-למחצה ומלייזר מוליך-למחצה במצב מוצק (DPSS).

לייזרים מולכים למחצה אשר פולטים אורכי גל ב-445 ננומטר שכיחים כלייזרים ניידים (לייזר כיס). לייזרים אשר פולטים אורכי גל הקצרים מ-445 ננומטר מופיעים בצבע סגול (אך לפעמים נקראים לייזרים כחולים).

הלייזרים הכחולים הנפוצים ביותר הם לייזרים מוליכים למחצה המשמשים blu-ray אשר פולטים 405 ננומטר (אור סגול), שאורך הגל קצר מספיק כדי לגרום לקרינה בכמה חומרים יוצרים באותו האופן קרינה נוספת לתוך אור אולטרה סגול ("אור שחור"). אורך גל הקצר מ-400 ננומטר מסווג כאור אולטרה סגול.

עיקר השימוש בלייזר כחול הוא לרפואה.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

לייזרים מוליכים למחצה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן ליצור לייזרים אדומים בעזרת גליום ארסניד (GaAs) מוליך למחצה, שבו תריסר שכבות של אטומים הממוקמים כדי ליצור את החלק של הלייזר שיוצרת קרן האור מבורות קוונטיים. באמצעות שיטות דומות לאלה שפותחו עבור סיליקון, המצע יכול להיבנות ללא פגמים (נקעים), ואת האטומים ניתן להניח כך שהמרחקים בין האטומים המרכיבים את הקרקע לבין שמרכיבים את הבורות הקוונטיים זהים.

עם זאת, המוליכים למחצה הטובים ביותר ללייזר כחול הם גבישים של גליום ניטריד (GaN) אשר קשים ביותר לייצור ודורשים לחצים בטמפרטורות גבוהות יותר, בדומה לאלו שצריכים לייצור יהלומים סינתטיים, ודורשים שימוש בלחץ גבוה של הגז חנקן. יש קושי בפתרון הבעיות הטכניות, ולכן מאז 1960 חוקרים רצו לשמור על הגז גליום ניטריד על בסיס של האבן ספיר. עם זאת, חוסר ההתאמה בין המבנים של הספיר והגליום ניטריד יצר יותר מידי פגמים.

ה-LED הכחול הראשון על בסיס מוליך למחצה, פותח ב-1972 על ידי הרברט פאול מארושקה מה-RCA.[1][2] בהמשך פיתח הממציא היפני שוג'י נקמורה ב-1992, LED כחול בבהירות גבוהה שאיפשר את הכנסת ה-LED הכחול לשימוש מסחרי. 4 שנים מאוחר יותר בשנת 1996 המציא את הלייזר הכחול הראשון שמבוסס על מוליך למחצה. נקמורה השתמש בחומר שהופק על הספיר, אם כי מספר הפגמים נשאר גבוה למדי, כדי ליצור לייזר בעל תדר גבוה בלי קושי רב.

בשנות ה-90 המוקדמות של המאה העשרים פיתח המכון לפיזיקה ללחץ גבוה באקדמיה הפולנית למדעים בוורשה, בהנהגתו של ד"ר סילבסטר פורובסקי, טכנולוגיה ליצירת גבישי גליום ניטריד באיכות מבנית כגבוהה ופחות מ-100 פגמים לסנטימטר רבוע - לפחות פי 1,000 טוב יותר מאשר גביש הנתמך ביותר ספיר.

עד סוף שנות ה-90, כאשר פותחו לייזרים כחולים, לייזרים כחולים היו לייזרי גז גדולים ויקרים, אשר הסתמכו על היפוך האוכלוסייה בתערובות גזים נדירות, ודרשו זרמים גבוהים וקירור איתן.

בשנת 1999 נקמורה ניסה גבישים פולניים לפתח לייצר שאורך חייו גבוה פי 10 מאשר מהלייזרים שפותחו קודם לכן – 3000 שעות במתח של 30 mW.

לאחר 10 שנים, הייצרנים היפניים תפסו בעלות על ייצור לייזר כחול בתדר של 60 mW מה שאפשר עבור אותם לייזרים לקרוא התקנים (BD-R, Blu-ray ו- BD-RE) במהירות גבוהה יותר. הטכנולוגיה הפולנית זולה יותר מאשר היפנית אולם ליפנים יש נתח גבוה יותר מהשוק. ישנה חברת היי-טק פולנית נוספת אשר יוצרת גבישים של גליום ניטריד, אך היא אינה מייצרת לייזרים כחולים.

בזכות עבודתו של נקמורה הוא קיבל את פרס טכנולוגיית המילניום (אנ') בשנת 2006 ופרס נובל לפיזיקה בשנת 2014.

הודות לפיתוח מוקדם של קבוצות רבות, כולל, במיוחד, הקבוצה של הפרופסור איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה באנאן שביפן, נוצרו סדרות של המצאות של לייזרים מוליכים למחצה כחולים וסגולים שהביא פיתוח מסחרי גדול מאוד. השכבה הפעילה של הלייזרים של חברת ניצ'יה מיוצרת על ידי קירות או נקודות קוונטים של גליום ניטריד שנוצרו באופן אקראי לחלוטין ובאמצעות הרכבה עצמית. המצאה חדשה אפשרה פיתוח של לייזר כחול, סגול ואולטרה סגול (UV) אשר לא היו זמינים קודם לכן, ופתחו את הדרך ליישומים (אפליקציות) באיכות גבוהה כגון: HD DVD ו-Blu-ray. אורך הגל הקצר מאפשר ללייזר לקרוא דיסקים המכילים מידע בצפיפות גבוהה יותר משניתן היה לפני כן.

הירושי אמאנו, איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה זכו בפרס נובל לשנת 2014 בפיזיקה "על המצאת דיודות פולטות אור יעילות בעלות אור כחול, אשר אפשרו ליצור מקורות אור לבן חסכניים באנרגיה". הזכייה לוותה בביקורות, כיוון שהיו מדענים שהציגו לפניהם לד כחול,[1][2] וכי וועדת הפרס, התעלמה לחלוטין ממאמצי הפיתוח הנרחבים שהובילו לפיתוח הדיודה הראשונה שפלטה אור נראה.[3]

התפתחות נוספת של הטכנולוגיה הובילה ליצור המוני של הלייזר. כיום, על מנת לייצר לייזרים כחולים משתמשים במשטח ספיר המכוסה בשכבה של גליום ניטריד, ועל מנת לייצר לייזרים כחולים מוליכים למחצה משתמשים בשכבה של גבישים של גליום ניטריד.

לייזר מוליך למחצה במצב מוצק[עריכת קוד מקור | עריכה]

מצביעי לייזר כחולים, אשר הפכו לזמינים בשנת 2006, בנויים, בדומה ללייזרים ירוקים, בתצורת Diode Pumped Solide State (כלומר: המקור הראשוני הוא לייזר אינפרא אדום, שעובר דרך גבישים שממירים את אורך הגל שלו לכחול). הלייזרים הנפוצים ביותר פולטים אור בתדר של 473 ננומטר, אשר מיוצר על ידי הכפלת תדירות בתדר של 946 ננומטר של קרינת לייזר, מגבישים מוליכים למחצה מסוג Nd: YAG או Nd: YVO4. גבישים מסוג nd: YVO4 מיוצרים ברך כלל באורך גל השכיח ביותר של 1064 ננומטר, אך עם ציפוי מראות רפלקטיבי ניתן ליצרו גם באורכי גל שונים, כגון: אורך גל של 946 ננומטר בשימוש של לייזר כחול. עבור גבישי BBO משתמשים בצריכת חשמל גבוהה ומכפילי תדר, עבור צריכות חשמל נמוכות יותר משתמשים ב-KTP. התוצרים הם עד 5000 mW. הפקת 473 ננומטר בקינה של לייזר אינה יעילה, מכיוון שאחרי בדיקות מעבדה הראו שהמרת 946 ננומטר יעיל בכ-10 עד 15 אחוזים. אך לפעמים, בתוצאות מעשיות, התוצאה יכולה להיות נמוכה יותר. בשל היעילות הנמוכה של המרה זה, השימוש בלייזרים מוליכים למחצה של 1000 mW יכול להפוך לכל היותר ל-150 mW של אור כחול.

לייזרים כחולים יכולים להיווצר ישירות גם על ידי מוליך למחצה InGaN, אשר מייצרים אור כחול ללא הכפלת תדר. לייזרים בתדר של 445 ננומטר עד 456 ננומטר זמינים כרגע בשוק הפתוח. המכשירים בהירים באופן משמעותי ביותר מ-445 ננומטר, שכן אורך גל ארוך יותר קרוב לרגישות השיא של העין האנושית. המחירים של מכישרים מסחריים כמו מקרני לייזר(אנ') ירדו על לייזרים מוליכים למחצה. לייזרים סגולים עשויים להיות בנויים עם מוליכים למחצה גליום ניטריד (GaN) כאמור. עם זאת, כמה לייזרים סגולים "חזקים" שפועלים בתדר של 404–405 ננומטר (120 MW) נהיו זמינים כאשר הם מבוססים על גליום ניטריד, ניתן להשתש בטכנולוגיה הזו גם בתדירות הכפלת תדר החל מוואט אחד, 808 ננומטר, של הלייזר גליום ארנסטיד אינפרא אדום, מוליך למחצה עם הכפלת תדר ישירה. בלי הליזר nd: YVO4 שנותן גל ארוך יותר.

מראה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הלייזר הסגול הפולט באורך גל של 405 ננו-מטר (בין אם הוא מורכב מגליום-ניטריד או גאליום-ארסן) אינו כחול, אלא נראה לעין כסגול, צבע שהעין האנושית בעלת רגישות מוגבלת מאוד. כאשר הלייזר מכוון לעבר על חפצים לבנים רבים (כגון נייר לבן או בגדים לבנים אשר כובסו באמצעות אבקות כביסה מסוימות) המראה החזותי של הנקודה של הלייזר משתנה מסגול לכחול, בשל הפלואורסצנטיה של החומר שעליו הלייזר מוקרן.

עבור יישומי תצוגה אשר מחייבים "כחול אמיתי", נדרש אורך גל של 445–450 ננומטר. עם ההתקדמות בייצור, וכן הופעתם של מקרנים זולים המשתמשים בלייזרים בשביל להציג תמונה, ירד המחיר של דיודות לייזר מסוג אינדיום גאליום ניטריד באורך גל של 445 ננומטר.

שימושים בלייזר כחול[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • תקשורת
  • אחסון נתונים אופטי על תקליטור - טכנולוגיית ה-Blu-ray מבוססת על לייזר כחול, שבאמצעות אורך הגל הקצר שלו, שקצר מזה של הלייזר האדום, מאפשר אחסון מידע בצפיפות גבוהה יותר
  • ציוד אלקטרוני
  • אבחון רפואי
  • אלקטרואופטיקה

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ 1.0 1.1 Nobel Shocker: RCA Had the First Blue LED in 1972, IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News (באנגלית)
  2. ^ 2.0 2.1 "Oregon tech CEO says Nobel Prize in Physics overlooks the actual inventors". OregonLive.com (באנגלית). בדיקה אחרונה ב-18 בינואר 2018. 
  3. ^ "Nobel Prize: Inventor of red LED criticises committee for overlooking". The Independent (באנגלית). 8 באוקטובר 2014. בדיקה אחרונה ב-18 בינואר 2018.