איך פועל לייזר?
2/07/2010

מבוסס על כתבות מויקיפדיה: 

היסודות התיאורטיים למכשיר הלייזר   (LASER-, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiatinrהגברת אור על ידי פליטה של קרינה מעוררת)-הונחו על ידי אלברט איינשטיין כבר בשנת 1917.

במשך השנים הונחו יסודות נוספים, ובשנת 1960 הוצג הלייזר הראשון על ידי תיאודור מימן ממעבדות הוגס שבמליבו, ארה"ב.

לשם הבנת פעולתו של הלייזר נסביר מהם פוטונים: הפוטון (באנגלית: Photon) הוא החלקיק היסודי הנושא את הכוח האלקטרומגנטי. הוא אחראי לתופעות הקרינה האלקטרומגנטית השונות בכל אורכי הגל, ובכללן מגוון רחב של תופעות פיזיקליות הכוללות את צבעי האור הנראה, שידורי הרדיו, קרינת הרנטגן, וכדומה.
לפוטון, כמו לחלקיקים אחרים, ישנן תכונות הן של גל והן של חלקיק, תופעה הנקראת "דואליות גל-חלקיק". התופעות דמויות-גל שמציגים הפוטונים, הן לדוגמה שבירה על ידי עדשה והתאבכות. התכונות החלקיקיות של הפוטון, הן, בין השאר, פיזור והעברת אנרגיה במנות בדידות. פוטון שעובר אינטראקציה מלאה עם אטום או עם מולקולה נבלע  ומוסר (או נפלט ומקבל) את כל האנרגיה שלו תוך כדי כך. בעקבות האינטראקציה, עוברים האטום או המולקולה עירור או יינון. באלקטרודינמיקה קוונטית, הפוטון יכול לשמש כמתווך בתהליכים אלקטרומגנטיים, כלומר, האינטראקציה מתרחשת באמצעות החלפת פוטונים בין חלקיקים טעונים. למעשה, כל השדות החשמליים והמגנטיים ניתנים לתיאור באמצעות פוטונים. לפי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, קיומו של הפוטון הוא תוצאה של הדרישה כי לחוקים הפיזיקליים תהיה סימטריה מסוימת בכל נקודה במרחב-זמן. תכונות הפוטונים, כגון מטען חשמלי, מסה וספין, נקבעות על ידי מאפייני סימטריה זו (סימטריית כיול).

הרעיון כי האור נישא במנות בדידות, כלומר באמצעות פוטונים, פותח על ידי אלברט איינשטיין החל משנת 1905. איינשטיין נתן פירוש לנוסחה שאותה הציע מקס פלאנק על מנת להסביר את הספקטרום של קרינת גוף שחור, שהוא גוף הבולע קרינה אלקטרומגנטית בכל אורכי הגל, ופולט קרינה התלויה רק בטמפרטורה שלו, גם כן בכל אורכי הגל. התקבל כי הפליטה שפולט הגוף השחור בכל אורכי הגל היא אינסופית, דבר שאינו תואם את חוק שימור האנרגיה. אי התאמה זו בין החישובים למציאות מכונה "הקטסטרופה של האולטרה סגול", מכיוון שהנוסחה כן מתאימה לאורכי הגל ארוכים יותר, אך מתבדרת  (שואפת לאינסוף) בתחום של האולטרה סגול.

כאן בא פלאנק לעזרה: הוא הניח כי האנרגיה נפלטת מגוף שחור במנות בדידות של אנרגיה (קוונטים של אנרגיה): E=hv‏‏‏.  איינשטיין זיהה את E עם אנרגיית קוונט אחד של קרינה אלקטרומגנטית, שלימים נקרא פוטון, ואת v עם התדירות של הקרינה.  

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 (כלומר כיוון השדה החשמלי מוגדר היטב).

עקרון הפעולה של הלייזר מבוסס על התופעה הקוונטית של הפליטה המאולצת:

עקב סימטרייה, הסיכוי של אטום ברמה נמוכה לבלוע פוטון ולעלות רמה שווה לסיכוי של אטום ברמה גבוהה לפלוט פוטון ולרדת רמה. כדי ליצור הגברת אור, צריך ליצור מצב שבו יש יותר אטומים ברמה העליונה מאשר ברמה התחתונה. מצב זה נקרא היפוך אוכלוסין. כמות האטומים הנמצאים ברמה מסוימת במצב שיווי משקל נקבעת על פי התפלגות בולצמן (הנותנת עדיפות למצבים בעלי אנרגיה נמוכה), לכן היפוך אוכלוסין יכול להיווצר רק מחוץ למצב שיווי משקל, על ידי מנגנון "שאיבה" קבוע המספק אנרגיה

למערכת.  היפוך אוכלוסין יכול לקרות רק באטום בעל 3 רמות אנרגיה לפחות, משום שאם ישנן 2 רמות אנרגיה בלבד, הסיכוי לעלות ולרדת זהה, ולא יתרחש היפוך האוכלוסין. מנגנון השאיבה בשלוש רמות מעלה את האלקטרון מרמת היסוד לרמה השלישית, ומשם הוא יורד מהר לרמה השנייה, בד"כ תוך פליטת אנרגיית חום ולא פוטון. במעבר מרמה שנייה לראשונה האלקטרון יפלוט פוטון באנרגיה המתאימה למעבר בין רמות אלו (ראו איור). 

 


איור: לייזר 3 רמות (מתוך ויקיפדיה)

 

אם כן, כאשר אור בתדירות מתאימה עובר דרך חומר הנמצא בהיפוך אוכלוסין, אלקטרונים רבים ירדו רמה ויפלטו פוטון; מעטים יעלו רמה ויבלעו פוטון. סך כל הפוטונים לאחר המעבר יהיה גדול מסך כל הפוטונים לפני המעבר, ועוצמת האור תגדל. בשביל לחזור על ההגברה של הפוטונים 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.