לייזר+-+שירה+כ+-+רחל+פ

toc

= = = = = הלייזר =

תאוריית הלייזר
המילה לייזר מורכבת מראשי תיבות Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- LASER שתרגומן בעברית: "הגברת אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה" לייזר הוא ייצור של קרינה אלקטרומגנטית תוך ניצול האנרגיה באטום. הוא התקן הפולט אור קוהרנטי בעזרת האפקט הקוונטי של פליטה מאולצת. גרעין האטום מוקף אלקטרונים הנמצאים במסלולים שונים של רמות שונות של אנרגיה. בדרך כלל האטום נמצא במצב יציב, אך אם האטום בולע אנרגיה ממקור חיצוני כמו אור או התנגשות אם אטום הנע במהירות מחוץ לאטום, אנרגיה זאת מעוררת אלקטרון או אלקטרונים באטום והם עוברים למסלול אחר כלומר לרמת אנרגיה שונה, בעל אנרגיה גבוהה יותר. זהו מצב בלתי יציב והאטום שואף להיות יציב כלומר שהאלקטרונים יחזרו למקומם, מסלולם הטבעי. כשהאלקטרונים חוזרים למסלולם ההתחלתי משתחררת אנרגיה (זוהי אותה אנרגיה שעזרה לאלקטרונים לעלות רמת אנרגיה לפני כן). האנרגיה שנפלטת מתפשטת לכל עבר בכל הצבעים והעין קולטת זאת כאור הנראה או קרינה בלתי ניראת בצבע לבן- צהבהב (כל הצבעים יחד). זוהי פליטת האנרגיה הטבעית בתהליך שתיארנו הנקרא: פליטה מאולצת. אצל לייזר האנרגיה שמעוררת את האטום היא קרן אור שאורך הגל שלה כלומר כמות הקרינה שלה זהה לאור הטבעי שנפלט מהאטום ואטומי האנרגיה עצמן נמצאים גם הן במצב מעורר. האטום יפלוט את האנרגיה במופע אחד ואותו אורך גל עם האנרגיה שנכנסה וגרמה לפליטה כלומר, גלי האור הנבלע והאור הנפלט יהיו זהים הם יהיו אחידים ובעלי אותו צבע,אור כזה נקרא אור קוהרנטי. כל אטום מסוגל להחזיק אלקטרונים רק ברמות קרינה מסוימות, לכן כל יסוד מסוגל לבלוע ולפלוט רק צבעי אור מסוימים. לכן, החומר ששימש להתקנה הלייזר יפלוט אור רק בצבע אחד, או שניים לכל היותר.

איך הלייזר עובד?
רוב סוגי הלייזר עובדים כך שהם מעוררים המון אטומים בין שתי מראות, כשאחת מהמראות חצי שקופה וכך היא מאפשרת לכמות קטנה של אור הלייזר לעבור החוצה. מעוררים את האטומים על ידי זרם חשמלי או מקור אור אחר, ולאחר תהליך של פליטה מאולצת בו האטומים עולים ברמת האנרגיה ולאחר מכן חוזרים שוב לרמת הייסוד, הם פולטים אור. המראות מונעות המאור לצאת והוא מתרוצץ הלוך ושוב בין שתי המראות במהירות האור ומתחזק מכיוון שהוא פוגע בעוד אטומים ומעורר אותם באופן קוהרנטי (כפי שהסברנו לעיל). הוא ממשיך להתרוצץ לעורר עוד אטומים ולהתחזק עד שהוא נהיה מספיק חזק בשביל להיפלט החוצה ונפלט דרך המראה החצי שקופה בצורה של קרן אור חדה, צרה וחזקה. מכיוון שאור הלייזר הנפלט כל כך ממוקד, הוא בעל עוצמה רבה ומסוגל לנוע למרחק רב. אפילו לייזר פשוט וזול מסוגל להאיר למרחק של מאות מטרים, ובעזרת שפופרת לייזר חזקה יותר אפשר להאיר למרחקים אסטרונומיים!

· בציור- הכדורים האדומים (=חלקיקי אור הלייזר) מתרוצצים ומעוררים עוד אטומים בין המראות עד שחזקים מספיק ונפלקים בקרן אור צרה, חדה וארוכה.

בתוך השפופרת ממנה נפלט הלייזר יכולים להיות חומר או כמה חומרים שאותם מעוררים. החומרים יכולים להיות גזים שונים, מתכות, או גבישים והחומר שנבחר לבסוף לייצור אותו הלייזר ישפיע על צבע, סוג, וביצועי אותה קרן לייזר. סוגי הלייזר השונים והחומרים שמהם הם עשויים מחולקים לארבע קבוצות: · לייזר במצב מוצק (אבן אודם למשל) · לייזר במצב גז-תערובת של גזים בתוך שפופרת זכוכית (CO2, תערובת של הליום וניאון, תערובת של ארגון וקריפטון, או אפילו אדי מים). התפרקות הגזים מתבצעת בדרך כלל על ידי התפרקות חשמלית ( כלומר-זרם חשמלי). · לייזר במצב נוזל-בדרך כלל זוהי תערובת של נוזלים אורגניים. · לייזר חצי מוליך- קטן מימדים ומועיל מאוד. http://www.nrg.co.il/online/10/ART/888/194.html (LasingMedium).

יש דרכים שונות לעורר את האטומים בשפופרת הלייזר. דרך העירור תלויה בחומר ומצב הצבירה בו החומר (שממנו עשוי אותו לייזר) נמצא. אם חומר הלייזר נמצא במצב מוצק או נוזל, מספקים את האנרגיה לעירור האטומים באמצעות קרינה אלקטרומגנטית. תהליך העירור על ידי קרינת אור נקרא: "שאיבה אופטית" מקורות הקרינה האלקטרומגנטית לעירור האטומים יכולים להיות מסוגים שונים:
 * מנורת הבזק הבנויה בדרך כלל משפופרת קווארץ מלאה בגז בלחץ נמוך. בדרך כלל משתמשים בגז קסנון, אך לעיתים כאשר רוצים עוצמת שיא גבוהה יותר, משתמשים בגזים אצילים אחרים, כגון: קריפטון או הליום.
 * ניתן להשתמש בכל מקור של קרינה אלקטרומגנטית, אפילו קרינת שמש.
 * כדי לעורר את האטומים בשפופרת לייזר, ניתן להשתמש בלייזר אחר שהאטומים בו כבר מעוררים.

עירור חשמלי של גז. אם חומר הלייזר נמצא במצב גז ניתן לעורר אותו על ידי חשמל.

הגז הנמצא בשפופרת הוא נטרלי מבחינה חשמלית, ברגע שמופעל מתח חשמלי על השפופרת משתחררים אלקטרונים מהקתודה, מואצים מהקתודה אל האנודה ובדרכם פוגעים במולקולות הגז. בהתנגשויות אלו אנרגיה עוברת מהאלקטרונים למולקולות הניטרליות (של הגז) והן עולות למצב מעורר.להתחלת ההתפרקות החשמלית בשפופרת נדרש מתח חשמלי גבוה יותר מהמתח החשמלי הנדרש לשמירה על מצב הגז המעורר בשפופרת. לכן מספקים תחילה פולס מתח גבוה פליטה ראשונית של הגז, כדי להתחיל מעבר זרם דרך שפופרת הלייזר. לאחר שכבר זורם זרם דרך הגז בשפופרת, נדרש מתח נמוך יותר לשמירה על הגז שבמצב של פליטה. למעשה, קשה למצוא תנאים מתאימים לעירור חשמלי ישיר של הגז בו מתבצעת תהליך פליטת לייזר, ולכן כדי לעורר גז משתמשים בדרך כלל בשיטה אחרת, שהיא עירור באמצעות התנגשויות בין אטומים. עירור באמצעות התנגשות בין אטומים שיטה זו היא הנפוצה ביותר בלייזרים הגזיים המקובלים, כגון לייזר הליום - ניאון ( He - Ne ), או לייזר פחמן דו חמצני (CO2).במקרים אלו יש לפחות שני סוגי גזים בשפופרת: גז אחד מקבל את אנרגיית העירור שלו ע"י התנגשויות עם אלקטרונים המואצים ע"י מתח חשמלי. הגז השני מקבל את האנרגיה שלו ע"י התנגשויות עם מולקולות הגז הראשון.   עירור כימי    האנרגיה בשיטת זו מסופקת על יד תגובה כימית בין שני יסודות או מולקולות.    פיצוץ אטומי    עבור לייזרים מסוימים (קרני x).

= הלייזר הראשון  =

הלייזר הראשון נבנה על ידי תאודור מיימן בשנת 1960, לייזר זה מבוסס על גביש האודם (רובי). רובי הוא גביש סינתטי של תחמוצת אלומיניום, ובחיי היום-יום הוא מוכר כאבן יקרה לתכשיטים.המבנה הכימי שלה הוא של ספיר (= Al2O3) עם זיהום של כרום בכמות של כ- 0.05% (ממשקלו של אותו רובי). לרובי צבע אדום ולכן בעברית נקרא-אודם. החלק ברובי של הכרום אחראי על רמות האנרגיה בתהליך של ייצור הלייזר. לאטום הכרום מערכת היוצרת לייזר של 3 רמות אנרגיה.בלייזר רובי מעוררים אטומי הכרום ע"י אור ממנורת הבזק.אטומי הכרום בולעים חלקיקי אור ומבצעים את תהליך הלזירה של פליטה מאולצת וכו'.

התפתחות הלייזר
1917- אלברט אינשטיין הראה במאמרו: "התיאוריה הקוונטית של הקרינה" את עיקרון הפליטה המאולצת שהוא הבסיס התיאורטי לפעולת הלייזר. במאמר הזה אלברט אינשטיין ניתח את תהליכי הבליעה והפליטה הספונטנית של אנרגיה, משם הוביל למסקנה שבנוסף לתהליך הבליעה והפליטה, חייב להיות תהליך שלישי של אינטראקציה (כוח) בין אטומים והוא פליטה מאולצת. 1954- קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קולומביה שבראשה עמד צ'ארלס טאונס להפעיל מתקן שהגביר קרינת מיקרוגל באמצעות התהליך של פליטה מאולצת. המכשיר נקרא מייזר-maser על פי ראשי התיבות של עקרון פעולתו באנגלית: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation שפירושן בעברית: הגברת מיקרוגל באמצעות פליטה מאולצת של קרינה. המייזר הוא ה"תשתית" ללייזר, הלייזר בניו על אותו עקרון של המייזר- הפליטה המאולצת. 1958- צ'ארלס טאונס וארתור שוולו פרסמו את המאמר הראשון שמתאר את הרחבת עקרונות הפעולה של המייזר לתחום של האור והקרינה האלקטרומגנטית, שהוא בעצם הלייזר. 1960- הלייזר הראשון נבנה על-ידי תאודור מיימן במעבדות יוז (Hughes) בארה"ב. לייזר זה היה עשוי מגביש סינתטי מסוג גביש האודם, והתקבלה ממנו קרינה של אור אדום באורך גל של 0.6943 מיקרון.   לאחר מכן התפתחו סוגי לייזר רבים ואחרים.

= הממציא- גורדון גולד  =

גורדון גולד נולד ב17 ביולי, שנת 1920 ונפטר ב 16 בספטמבר, 2005 בעיר ניו יורק. כילד הוא העריץ את הממציא תומס אדיסון (שהמציא את נורת האור), למד פיזיקה והתמחה בתחום האופטיקה (חקר התנהגות האור). בגיל 37(1957) בזמן כתיבת הדוקטורט שלו, עלה במוחו רעיון: הגברת אור באמצעות פליטה של קרינה מעוררת. גורדון גולד היה מומחה לפיזיקה, לכן הבין היטב כיצד לממש את רעיונו המהפכני. גולד הפסיק את עבודת הדוקטורט כדי והתחיל מיד לעבוד על יצירת מכשיר הלייזר. הוא היה בטוח שעל מנת לקבל זכויות יוצרים על הפטנט הוא חייב להציג מכשיר ממשי שמשקף את הפטנט שלו. אך כעבור שנתיים של עבודה קשה של בניית והתקנת המכשיר הסתבר שכדי לקבל זכויות יוצרים על פטנט מסוים לא היה כל צורך בבניית המכשיר אלא רק הצגת הרעיון. גורדון גולד הפסיד זמן יקר בבניית המכשיר, ומתחריו השיגו אותו והגישו בקשות למשרד הפטנטים על המצאות דומות לאלו של גולד לפניו. הוא נאבק עשרים שנה בבית המשפט על זכויות יוצרים הראשונים שלו על הלייזר מול החברות המייצרות לייזר שגם הם נאבקו כדי שלא תוכר זכותו של גולד לפטנט, לבסוף בשנת 1977 גולד זכה בפטנט בעזרת חברה שהקציבה כספים רבים למימון המאבק המשפטי שלו. בזמן המאבק על הזכויות יוצרים גולד לא התבטל, הוא הקים מעבדה לחקר הלייזר והיה שותף לחברה נוספת דרכה זכה כבפטנטים נוספים. = תכונות הלייזר ושימושיו  =

הלייזר פולט קרינה אלקטרומגנטית המתקדמת במהירות האור בקרן צרה וזה מאפשר שימושים רבים ומגוונים.

בתעשייה-
מיד לאחר המצאתו של הלייזר, (1960) התעשייה אימצה את המכשיר. בהתחלה השתמשו בו לכוונון ולמדידות, אך עם הזמן התחילו להשתמש רבות בלייזר כדי לעבד חומרים. השימושים העיקריים בלייזר בתעשייה הם: מדידת מרחקים בצורה מדויקת, ניתן למדוד מרחק בין גופים הנעים במהירות כיוון שהלייזר נע במהירות האור ומסוגל להתקדם למרחקים ארוכים. באמצעות לייזר למשל, מדדו את המרחק מכדור הארץ לירח. כפי שאמרנו בלייזר משתמשים רבות גם לעבוד חומרים:  · חיתוך- בעזרת הלייזר ניתן לחתוך כלי בצורה עדינה ומדויקת. משתמשים בלייזר לחיתוך חומרים מגוונים מבדים וגומי ועד למתכות וליהלומים.  · ריתוך- חיבור של חומרים באמצעות התכה. החום שנוצר מבליעת קרינת הלייזר משמש לחימום אחד החומרים או יותר. בזמן התקררותו, הוא מחבר את החלקים.  · עיבוד פני השטח- באמצעות חימום ניתן לשנות את התכונות המכניות של החומר. לדוגמא ניתן להרבות או להקשות איזור מסוים במתכת.  · מדידה תלת ממדית של גופים- הלייזר יכול לסרוק גוף תלת ממדי ולשמור את כל המידע על צורתו, ולאחר מכן לבנות פסל של אותו גוף בצורה ממוחשבת. כיום משתמשים בדבר זה לבניית דגמים ראשוניים (מודלים).

ברפואה וקוסמטיקה-
 · ניתוח להסרת משקפיים- בעזרת הלייזר מבצעים תהליך הלחמת כלי הדם ברשתית העין והלחמת רשתית קרועה בתוך העין כדי לרפא את העין ובכך להחזיר ראייה תקינה ועל ידי כך לא יהיה צורך בשימוש במשקפיים. ניתוח זה הפך לפופולארי ביותר בשנים האחרונות למרות שיש בו סיכון מסויים לעיוורון.  · בעזרת הלייזר מבצעים גם ניתוחים פלסטיים וניתוחי עור. למשל הורדת נקודות חן, כתובות קעקע ועוד..  · סרטן- בעזרת הלייזר ניתן לאבחן גידולים סרטניים וגם לרפא אותם בעזרת הלייזר.  · הסרת שיער לצמיתות- התהליך פועל כאשר הלייזר הוא בעל גוון כהה והעור הוא בעל גוון בהיר.  · השתלת שיער- בעזרת הלייזר ניתן להשתיל שיער ובכך לפתור את בעיית ההתקרחות, אך טיפול זה יקר מאוד.

בצבא-
 · בעזרת הלייזר ניתן לסמן מטרות ולאחר מכן לכוון "פצצות חכמות" אל המטרות המסומנות.  · בלייזר משתמשים גם לסילוק מוקשים ונטרול מטענים חשודים.

בחיי היום יום-
 · אחסון דיגיטלי של מידע והקלטת מידע  · מדפסות לייזר <span style="direction: rtl; display: block; line-height: 150%; margin-right: 36pt; mso-list: l5 level1 lfo6; tab-stops: list 36.0pt; text-align: right; text-indent: -18pt; unicode-bidi: embed;"> · סורק- סריקת מסכמים/ תמונות והעברתם למחשב אליו מחובר הסורק. <span style="direction: rtl; display: block; line-height: 150%; margin-right: 36pt; mso-list: l5 level1 lfo6; tab-stops: list 36.0pt; text-align: right; text-indent: -18pt; unicode-bidi: embed;"> · מופעי לייזר- מבקרים את תנועות הלייזר באמצעות מחשב וניתן ליצור דמויות נעות בצבעים שונים <span style="direction: rtl; display: block; line-height: 150%; margin-right: 36pt; mso-list: l5 level1 lfo6; tab-stops: list 36.0pt; text-align: right; text-indent: -18pt; unicode-bidi: embed;"> · בהוראה- המון פעמים משתמשים בלייזר למיקוד התלמידים לנקודה או לחומר הרצוי. <span style="direction: rtl; display: block; line-height: 150%; margin-right: 36pt; mso-list: l5 level1 lfo6; tab-stops: list 36.0pt; text-align: right; text-indent: -18pt; unicode-bidi: embed;"> · משתמשים בלייזר המון במחקרים מדעיים, חקר החלל, מדידת מרחקים בחלל ועוד.

= השפעת הלייזר על אורח חיינו  =

הלייזר קידם את האנושות בדרכים רבות. בעזרת הלייזר קידמנו את התעשייה ואפשרנו לעבד הרבה חומרים מעבר למה שהיה ניתן לעשות קודם. התאפשר עיבוד וחיתוך חומרים בצורה מדויקת, ובכך קידם את התעשייה, ואת אורך חיינו בכלל. הלייזר קידם אותנו גם בהמון דברים אחרים. כיום ניתן להסיר משקפיים בעזרת הלייזר, זוהי פריצת דרך מדהימה. מחתן גם להוריד נקודות חן שיכולות להתפתח לסרטן ללא הורדתן, ואפשר גם לרפא גידולים סרטניים. יכול להיות שהאנושות הייתה יכולה לחיות ללא הלייזר גם כיום אך ברור שסגנון החיים היה אחר, ובעזרת הלייזר חיינו השתנו לטובה ואפשרו דברים חדשים. הלייזר גם קידם את האדם לתגליות מדעיות חדשות, בעזרת הלייזר ניתן לעשות מחקרים ומדידת מרחקים בחלל שמאפשר פעולות בחלל וכדו'. לדעתנו הלייזר מהווה פריצת דרך חשובה שצריך לדעת וללמוד עליה כיון שהיא קדמה אותנו ואת האנושות כולה. כיום יש כל כך הרבה שימושים שאנו אפילו לא יודעים שהלייזר מעורב בהם והלייזר נהפך לדבר כל כך מובן מאליו. הידעתם שבאחסון דיגיטלי יש שילוב של לייזר ? אכן כן. ללא הלייזר היינו במקום אחר וישן: ללא מכשורים צבאיים מתקדמים, רפואה פחות מתקדמת תעשייה וחיים פחות משוכללים וטובים. אך בכל יתרון יש גם חיסרון: בניתוח להסרת משקפים יש סיכון לעיוורון ובנוסף הלייזר פולט קרינה, ויותר מדי קרינה יכולה להזיק לנו. חשוב לדעת איך להשתמש בלייזר ובמינון הנכון.

= סיכום  =

דרך העבודה למדנו רבות הן על עקרונות ומושגים מדעיים והן על הלייזר עצמו שמהווה פריצת דרך עצומה וחלק בלתי נפרד מחיינו. דרך העובדה נפגשנו גם עם דברים קשים להבנה והתאמצנו ללמוד ולהבין יותר על הלייזר בכוחות עצמנו. בנוסף ניתן גם למוד דבר חשוב ממציא הלייזר, גורדון גולד. כשצץ לגולד רעיון הלייזר הוא עזב את עבודת הדוקטורט שלו ומיהר להתחיל לעבוד על המצאת הלייזר. לאחר מכן הוא גם נאבק רבות וארוכות על הזכויות יוצרים שהגיעו לו. מגולד אפשר ללמוד, שאם אתה רוצה משהו והוא חשוב, לא לוותר עליו אלא להתאמץ להשיגו, להיות מסור לדבר זה ואם צריך אפילו להילחם עליו. אם לא היו אנשים כמו גולד, המעוניינים להמציא דברים לטובת האנושות היכן היינו נמצאים היום? חשוב לעודד מחקר ועבודה מדעית כי הרי המחקר מביא לתגליות שמקדמות את אורח החיים ואת האנושות כולה. הלייזר הוא רק בודד מקבוצה גדולה של תגליות שקידמו ועדין מקדמים את חיינו. דרך הלייזר החכמנו רבות, למדנו ונחשפנו לעניינים שלולי העבודה וחיפוש אחר מידע לא היינו נחשפות אליהם, הצלחנו להתמודד גם אם חומר מסובך ויצאנו עם מידע והבנה גדולה יותר על הלייזר והעקרונות שעליהם פועל ומבוסס.