לייזר

ערך זה עוסק במכשיר ובעיקרון הפיזיקלי. אם התכוונתם לפירושים נוספים למילה "לייזר", ראו לייזר (פירושונים).

ניסוי בלייזר במעבדה

לייזר (אנגלית Laser, ר"ת:"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation") הוא התקן הפולט אור קוהרנטי, מונוכרומטי (בתחום צר של אורכי גל) ומקביל (בעל פיזור נמוך). התופעה הודגמה לראשונה ב-16 במאי 1960 על ידי תיאודור מימן. ההתקן משתמש באפקט הקוונטי של פליטה מאולצת. לאור לייזר יישומים רבים בתחומי המדע והטכנולוגיה.

[עריכה] כללי

מקורות אור רגילים, כמו נורה חשמלית, פולטים פוטונים באקראיות, בכל הכיוונים, ובדרך כלל בספקטרום רחב של אורכי גל. כמו כן הם אינם קוהרנטיים, כלומר אין פאזה קבועה עבור כל הפוטונים הנפלטים. הלייזר פולט פוטונים בקרן צרה והאור הוא בקרוב טוב מונוכרומטי (כלומר לכל הפוטונים אותו אורך גל), קוהרנטי (כלומר לכל הפוטונים אותה פאזה), ומקוטב.

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.

[עריכה] סוגי לייזרים

קיימים כמה סוגי לייזרים, עבור שימושים שונים.

1. לייזר גביש - הלייזר הראשון שהודגם היה מסוג "רובי" - Ruby. התגלה שבגביש זה (אבן אודם) ניתן לגרום להיפוך אוכלוסין על ידי העלאת האטומים לרמה מעוררת על ידי שימוש במנורות פלאש שמוקדו לתוך הרובי. הלייזר היה בצבע אדום נראה, בעל נצילות נמוכה ואורכי הגל שבהם פלט היו 694nm ,800nm ,810nm.
2. לייזר גז - קיימים מספר גזים (ביניהם פחמן דו-חמצני) שכאשר מייננים אותם ניתן ליצור בהם היפוך. לייזרים אלו יכולים לייצר הספק מוצא גבוה מאוד, ולכן לייזר גז מצוי בשימוש במערכות עיבוד חומרים ובמערכת הנאוטילוס נגד קטיושות.
3. לייזר מוליך למחצה - בעזרת הזרקת זרם לדיודה שעשויה מחומרים מוליכים למחצה ניתן ליצור היפוך באזור הצומת. ליצירת תדרים שונים ניתן להשתמש בחומרים שונים. לייזר מל"מ הנו לייזר זול לייצור, בעל נצילות גבוהה מאוד (מעל 95% בלייזר הכי פשוט), מסוגל לייצר הספק מוצא נמוך ואיכות קרן נמוכה. מצוי בכל מכשיר CD ,DVD 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, הייעילות הגבוהה מאוד שלו ואיכות הקרן שמשתווה לM^2=1. לאחרונה דווח על לייזר סיב בעל עוצמה של מעל 5,000 וואט. לצורך שאיבת לייזר סיב משתמשים בדרך כלל בלייזרי דיודה.
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.

[עריכה] שימושי הלייזר

שימוש באפקט לייזר בהופעה

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.
• יצירת קווים ישרים למטרות עבודות 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 ווזויות, ניטור תנועות ומיפוי מאמצים מדויק.
• מדידה מדויקת של זמן המחזור של החודש הירחי בעזרת מחזיר אור על הירח.

[עריכה] בטיחות

הסימון הבינלאומי לקרינת 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.

[עריכה] ראו גם

• טיפולי לייזר
• חיתוך בלייזר
• הסרת שיער בלייזר
• נאוטילוס (מערכת נשק)
• בטיחות לייזר

[עריכה] קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: לייזר

• קורס בלייזרים של פרופ' עודד אגם
• חוברת הדרכה בבטיחות קרינה של המכון לבטיחות קרינה, המרכז למחקר גרעיני נחל שורק.