מה זה לייזר?

מאז ארצות הברית פיתחה בהצלחה את לייזר האודם הראשון בעולם בשנת 1960 וסין גם פיתחה בהצלחה את לייזר האודם המקומי הראשון (נולד במכון צ'אנגצ'ון לאופטיקה ומכונות מדויקות, האקדמיה הסינית למדעים) בשנת 1961, טכנולוגיית הלייזר נחשבת לשנייה. במאה ה-20, בעקבות פיזיקת קוונטים, טכנולוגיית רדיו, טכנולוגיית אנרגיה אטומית, טכנולוגיית מוליכים למחצה. עוד הישג מדעי וטכנולוגי חדש וחשוב לאחר טכנולוגיית המחשב.

כיום, יש לנו לייזרים לנגני CD ו-DVD בבתים שלנו, מדפסות לייזר במשרדים שלנו וסורקי ברקוד בקניונים. אנשים משתמשים בלייזר כדי לטפל בקוצר ראייה, לשלוח דואר אלקטרוני ולעיין בסרטונים דרך רשת סיבים אופטיים. בין אם אנו מבינים זאת או לא, כל אחד מאיתנו משתמש בלייזר כל יום, אבל כמה אנשים באמת מבינים מה זה לייזר ואיך זה עובד?

לייזר הוא סוג של אור שלא קיים בטבע ונפלט עקב עירור. יש לו את המאפיינים של כיווניות טובה, בהירות גבוהה, מונוכרומטיות טובה וקוהרנטיות טובה.

ניתן לייחס את מנגנון היצירה של הלייזר להשערה שהעלה איינשטיין כאשר הסביר את חוק קרינת הגוף השחור ב-1917, כלומר, הקליטה והפליטה של האור יכולות לעבור שלושה תהליכים בסיסיים: בליעה מעוררת, קרינה מעוררת ופליטת אור ספונטנית. כפי שכולנו יודעים, הארה של כל סוג של מקור אור קשורה למצב התנועה של חלקיקים בחומר. כאשר חלקיק (אטום, מולקולה או יון) ברמת אנרגיה נמוכה סופג אנרגיה חיצונית (אור) בתדר מתאים ו מתרגש למעבר לרמת האנרגיה הגבוהה המתאימה (ספיגה מעוררת), הוא תמיד מנסה לעבור לרמת אנרגיה נמוכה יותר ולשחרר את האנרגיה העודפת בצורה של פוטונים.

אם האור משתחרר באופן ספונטני ללא פעולת פוטונים חיצוניים (פליטה ספונטנית), האור המשוחרר הוא אור רגיל (כגון אורות חשמליים, נורות ניאון וכו'), המתאפיין בחוסר עקביות של תדירות האור, כיוון וקצב.

עם זאת, אם האנרגיה העודפת משתחררת בצורה של פוטונים (קרינה מעוררת) במהלך המעבר מרמת אנרגיה גבוהה לרמת אנרגיה נמוכה בפעולה ישירה של פוטונים חיצוניים, הפוטונים המשתחררים תואמים לחלוטין לפוטונים המתרחשים החיצוניים ב מונחים של תדר, פאזה וכיוון התפשטות, כלומר האור החיצוני התחזק, מה שנקרא הגברת אור.

איור: מנגנון יצירת לייזר: (משמאל) ספיגה מגורה, (אמצעית) פליטה ספונטנית, (ימין) פליטה מגורה

יצירת הלייזר צריכה לעמוד בשלושה תנאים: היפוך מספר החלקיקים, משוב חלל ועמידה בתנאי הסף.באמצעות ספיגה מגורה, מספר החלקיקים ברמת האנרגיה הגבוהה הוא יותר מזה שברמת האנרגיה הנמוכה (היפוך מספר החלקיקים). כמו כן, יש צורך ליצור משטחי השתקפות מקבילים שיכולים לשקף פוטונים בשני קצוות האזור הפעיל כדי ליצור חלל תהודה, ולהפוך את הרווח לגדול מההפסד, כלומר, מספר הפוטונים החדשים שנוצרו בו-זמנית גדול יותר. ממספר הפוטונים הנספגים המפוזרים. רק כאשר שלושת התנאים הללו מתקיימים ניתן לייצר לייזר.

מאפיינים של לייזר

לייזר ידוע בתור אור קסום מכיוון שיש לו ארבעה מאפיינים שאין לאור רגיל כלל.

——מקורות אור רגילים (שמש, מנורת ליבון או מנורת פלורסנט) פולטים אור לכל הכיוונים, וניתן להגביל את כיוון האור של הלייזר לזווית מוצקה של פחות מכמה מילירדיאנים, מה שמגדיל את ההארה בכיוון הקרינה בעשרה מיליון פעמים. קוטר הדיפוזיה של הלייזר הוא פחות ממטר אחד כל 200 ק"מ, אם הוא מגיע למרחק של 3.8 ק"מ מכדור הארץ×כשהירח נמצא במרחק של 105 ק"מ, קרן האור מתפשטת פחות מ-2 ק"מ, בעוד שהזרקור הרגיל מתפשט עשרות מטרים במרחק אלפי מטרים.

1. כיווניות טובה

איסוף לייזר, הנחיה וריחוק משתמשים במאפיין של כיווניות טובה.

——לייזר הוא מקור האור הבהיר ביותר בתקופה המודרנית. ניתן להשוות איתו רק הבזק חזק ברגע של פיצוץ פצצת מימן. בהירות השמש היא בערך 1.865×109Cd/m2, ובהירות הפלט של לייזר בעל הספק גבוה יכולה להיות גבוהה ב-7 ~ 14 סדרי גודל מאשר זה של אור השמש.

2. בהירות גבוהה

למרות שסך האנרגיה של הלייזר אינה בהכרח גדולה, בשל ריכוז האנרגיה הגבוה, קל לייצר לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה של עשרות אלפי מעלות צלזיוס או אפילו מיליוני מעלות צלזיוס בנקודת מיקרו. יישומים מעשיים כגון כמו קידוח לייזר, חיתוך, ריתוך וניתוח לייזר עושים שימוש במאפיין זה.

——אור הוא גל אלקטרומגנטי. צבע האור תלוי באורך הגל שלו. האור הנפלט ממקורות אור רגילים מכיל בדרך כלל אורכי גל שונים, שהם תערובת של צבעים שונים. אור השמש כולל אור נראה בשבעה צבעים: אדום, צהוב, ירוק , ירוק, כחול וסגול, כמו גם אור בלתי נראה כמו אור אינפרא אדום ואור אולטרה סגול.

3. מונוכרומטיות טובה

אורך הגל של לייזר מרוכז רק בפס ספקטרלי צר מאוד או בטווח תדרים. לדוגמה, אורך הגל של לייזר He Ne הוא 632.8 ננומטר, וטווח השינוי באורך הגל שלו הוא פחות מ-1 / 10000 ננומטר. המונוכרומטיות הטובה של הלייזר מספקת אמצעי נוח מאוד למכשיר מדויק למדידה ולגירוי של כמה ניסויים מדעיים כמו תגובות כימיות.

——הפרעה היא תכונה של תופעת גלים. בהתבסס על המאפיינים של כיווניות גבוהה ומונוכרומטיות גבוהה, לייזר חייב להיות אור עם קוהרנטיות מעולה. מאפיין זה של לייזר הופך את ההולוגרפיה למציאות.

4. קוהרנטיות טובה

סוג לייזר

במקור האור, המימוש של היפוך מספר החלקיקים ברמת האנרגיה הוא הנחת היסוד של הגברה אור, כלומר, התנאי המקדים ליצירת לייזר. כדי לממש את ההיפוך של מספר החלקיקים, עלינו להשתמש בכוחו של האור החיצוני כדי ליצור גדול מספר החלקיקים ברמת אנרגיה נמוכה קופץ לרמת אנרגיה גבוהה. תהליך זה נקרא "עירור".

הלייזר שאנו מכנים בדרך כלל הוא מכשיר שמעורר את החלקיקים במקור האור כדי לייצר מעבר קרינה מגורה, מממש את היפוך מספר החלקיקים, ולאחר מכן יוצר הגברה של אור באמצעות קרינה מגורה. למרות שיש סוגים רבים של לייזרים, המשימה שלהם היא להשיג לייזרים באמצעות עירור וקרינה מגורה. לכן, הלייזר מורכב בדרך כלל משלושה חלקים: מדיום ההפעלה (כלומר חומר העבודה שיכול לייצר היפוך מספר החלקיקים לאחר עירור), מכשיר העירור (כלומר האנרגיה שיכולה ליצור את החלקיק היפוך מספר של מדיום ההפעלה, מקור המשאבה) והמהוד האופטי (כלומר שתי המראות המישוריות שיכולות לגרום לקרן להתנודד שוב ושוב ולהגביר פעמים רבות).

איור: עקרון העבודה של לייזר

מכיוון שאנו יכולים לעורר סוגים רבים ושונים של אטומים בדרכים רבות ושונות, אנו יכולים (תיאורטית) ליצור סוגים רבים ושונים של לייזרים.

ישנם סוגים רבים של לייזרים, ביניהם המפורסמים ביותר הם צבעי מוצק, גז, נוזלי, לייזרים מוליכים למחצה וסיבים. מדיום הלייזר במצב מוצק דומה למוט רובי או חומרים גבישיים מוצקים אחרים, וצינור ההבזק הכרוך עליו שואב האטומים האנרגטיים שלו.כדי לעבוד ביעילות, יש לסמם מוצקים, שזה תהליך של החלפת אטומים מסוימים ביוני טומאה כדי שיהיו להם רמות אנרגיה מתאימות לייצור לייזר עם תדירות מדויקת מסוימת. לייזרים במצב מוצק מייצרים אלומות בעוצמה גבוהה, בדרך כלל פולסים קצרים מאוד. לעומת זאת, לייזר גז משתמש בגז אינרטי (מה שנקרא לייזר אקצימר) או פחמן דו חמצני (CO2) כמדיום להפקת אור בהיר מתמשך. לייזר CO2 יש פונקציה עוצמתית ויעילות גבוהה. הוא משמש לעתים קרובות בחיתוך וריתוך תעשייתי. לייזרים לצביעה נוזלית משתמשים בפתרון של מולקולות צבע אורגניות כמדיום. היתרון העיקרי הוא שניתן להשתמש בהם להפקת פס תדרים אופטי רחב יותר מאשר לייזרים מוצקים וגז, ואף ניתן "לכוון" אותם להפקת תדרים שונים.

לפי אורך הגל, טווח אורכי הגל המכוסה כולל אינפרא אדום רחוק, אינפרא אדום, אור נראה, אולטרה סגול ואולטרה סגול רחוק. לאחרונה, לייזרים רנטגן ומכשירי רנטגן;

על פי מצבי עירור שונים, יש עירור אור (מקור אור או עירור אולטרה סגול), עירור פריקת גז, עירור תגובה כימית, עירור תגובה גרעינית וכו';

על פי מצבי פלט שונים, ישנם דופק רציף, דופק בודד, דופק רציף ודופק אולטרה קצר וכו';

במונחים של תפוקת הספק, הספק המוצא הרציף קטן כמו רמת מיקרו וואט ועד לרמת מגה וואט. תפוקת האנרגיה של הפולס יכולה לנוע בין מיקרו ג'ול ליותר מ-100000 ג'ול, ורוחב הפולס נע בין אלפית שניה לפיקושנייה ו אפילו פמט שנייה (1/1000 טריליון).

לייזרים שונים עומדים בדרישות יישום שונות. לדוגמה, עיבוד לייזר וכמה לייזרים צבאיים דורשים לייזר בעל הספק גבוה או לייזר בעל אנרגיה גבוהה (מה שנקרא לייזר בעל הספק גבוה).יש המקווים לקצר את זמן הדופק ככל האפשר כדי לעסוק במחקר של כמה תהליכים מפורשים. יש גם שמציגים דרישות גבוהות לשיפור המונוכרומטיות של האור, שיפור מצב האור הפלט, שיפור חלוקת עוצמת האור. של נקודת אור ודורשת אורך גל מתכוונן. דרישות אלה דוחקות בחוקרי לייזר להמשיך ולחקור, כך שעומק החקירה ורוחב היישום של הלייזר פותחו חסרי תקדים.

יישומי לייזר פורחים

מה שמכונה טכנולוגיית הלייזר היא השם הכללי של חקר ופיתוח שיטות שונות להפקת לייזר וחקירה ויישום מאפיינים אלו של הלייזר לטובת האנושות.

50במהלך השנים, טכנולוגיית הלייזר והיישומים התפתחו במהירות, ושולבו עם דיסציפלינות רבות ויצרו מספר תחומי טכנולוגיית יישום, כגון טכנולוגיה פוטו-אלקטרית, רפואת לייזר וביולוגיה של פוטון, טכנולוגיית עיבוד לייזר, טכנולוגיית זיהוי ומדידה בלייזר, לייזר. טכנולוגיה הולוגרפית, טכנולוגיית ניתוח ספקטרלי לייזר, אופטיקה לא ליניארית, מדעי לייזר מהיר במיוחד, כימיה של לייזר, אופטיקה קוונטית, לידר, הנחיית לייזר, הפרדת איזוטופים בלייזר, היתוך גרעיני מבוקר לייזר, נשק לייזר וכו'. קידם מאוד את הפיתוח של תעשיות מסורתיות ומתעוררות.

1.יישום לייזר בשדה מידע

לייזר מוליכים למחצה ומגבר סיבים הם שתי טכנולוגיות מפתח של תקשורת סיבים אופטיים.

ללייזר הנפלט מלייזר מוליכים למחצה יש לא רק מונוכרומטיות וקהרנטיות טובה, אלא גם תדר גלי האור גבוה פי 10,000 מתדר המיקרוגל. לכן, לתקשורת הסיבים האופטיים עם הלייזר כמוביל העברת המידע ולסיבים האופטיים כקו העברת המידע יש לא רק איכות תקשורת טובה, יכולת אנטי-הפרעות חזקה וסודיות טובה, אלא גם קיבולת התקשורת גבוהה פי 10,000 מזו של תקשורת במיקרוגל.

השימוש בטכנולוגיית לייזר לאחסון אופטי חולל מהפכה באחסון המידע. צפיפות ההקלטה של דיסק שמע של CD שווה ערך ל-10 מיליון סיביות/סמ"ר, ויכולה להקליט 78 דקות של תוכניות מוזיקה, שגדולות מזה בכמה סדרי גודל. של קומפקט דיסק.

תמונה: לייזר ועדשת דיסק בנגן CD או DVD. העיגול הקטן מימין למטה הוא דיודת לייזר מוליכים למחצה, בעוד העיגול הכחול הגדול יותר הוא עדשה שקוראת אור לאחר שהלייזר מוחזר מהמשטח החלק של ה- דיסק אופטי.

בנוסף, נעשה שימוש נרחב במדפסת לייזר, מכשיר פקס לייזר, לייזר Phototypesetting, טלוויזיה צבעונית עם מסך גדול בלייזר, טלוויזיה בכבלים סיבים אופטיים ותקשורת לייזר אטמוספרית.

2.יישום לייזר בהולוגרפיה

בתור תופעת גל, האור מאופיין באורך גל (קשור לצבע), משרעת (קשורה לעוצמת האור) ופאזה (המייצגת את הקשר בין נקודת ההתחלה של הגל לזמן הייחוס).

אנשים יכולים לתעד את אורך הגל והמשרעת רק על ידי שימוש בשיטת הצילום הרגיש, כך שלא משנה כמה היא מציאותית, ההסתכלות על התמונה תמיד שונה מהסתכלות על הסצנה האמיתית.

ללייזר יש קוהרנטיות גבוהה והוא יכול לקבל את כל המידע של מרחב גלי הפרעות כולל פאזה. לכן, באמצעות הולוגרפיה לייזר, כל המידע של האובייקט המצולם מתועד על סרט הנגטיב, וניתן לקבל את התמונה התלת מימדית המציאותית של האובייקט המצולם. משוכפל באמצעות עקיפה אור.

להולוגרמה יש מאפיינים של הדמיה תלת מימדית וניתן להקליט אותה שוב ושוב, וכל נגטיב הולוגרפי קטן יכול לשחזר את התמונה התלת מימדית השלמה של האובייקט. זה יכול להיות בשימוש נרחב במחקר מדעי כגון התערבות מדויקת, בדיקות לא הרסניות, פוטואלסטיות הולוגרפית, ניתוח מיקרו מתח וניתוח רטט.

ביניהם, נעשה שימוש נרחב באינטרפרומטריה הולוגרפית לחקר תהליך הבעירה של גז, אופן הרטט של חלקים מכניים, איכות ההדבקה של מבנה חלת הדבש ובדיקת פגמים תת עוריים של צמיגי רכב. יתר על כן, השימוש בהולוגרפיה כאמצעי אנטי- סימן זיוף עבור סחורות וכרטיסי אשראי יצרה תעשייה. צילום יצירות אמנות יקרות עם הולוגרפיה לא רק גורם לאנשים להרגיש במקום, אלא גם מספק בסיס אמין ומציאותי לתיקון יצירות אמנות. הטלוויזיה ההולוגרפית המתפתחת תוסיף גם הנאה חדשה לחייהם של אנשים.

3.יישום לייזר בתחום הרפואי

יישום הלייזר ברפואה מתחלק לשתי קטגוריות: אבחון לייזר וטיפול בלייזר. הראשון לוקח את הלייזר בתור נושא המידע והשני לוקח את הלייזר בתור נושא האנרגיה.

בהיבט של אבחון הלייזר, הלייזר יכול לחדור לעומק הרקמה לצורך אבחון, לשקף ישירות את מצב הרקמות ולהוות בסיס מספק לאבחון הרופאים.

בטיפול בלייזר, טכנולוגיית הלייזר הפכה לאמצעי יעיל לטיפול קליני ולטכנולוגיית מפתח לפיתוח אבחון רפואי. היא פותרת בעיות רבות וקשות ברפואה, כגון חתך קטן בניתוחי לייזר, נזק מועט או ללא נזק לרקמות, ומעט תופעות רעילות ותופעות לוואי. כיום, תחומי היישום הקליניים של הלייזר כוללים תיקון קוצר ראייה, תיקון רשתית, תיקון עששת, ניתוח זעיר פולשני מולקולרי ועוד. כיום, מחקר היישום המעולה של רפואת הלייזר בא לידי ביטוי בעיקר בהיבטים הבאים: טיפול פוטודינמי לסרטן; טיפול בלייזר במחלות לב וכלי דם; קרטופלסטיקה בלייזר אקסימר; קוסמטולוגיה בלייזר; אנדוסקופיה בלייזר; ניתוח לפרוסקופי בלייזר; ניתוח תורסקופי בלייזר; ניתוח ארתרוסקופי בלייזר; ליטוטריפסיה בלייזר; ניתוח לייזר; יישום לייזר בניתוח לייזר; כירורגיית פה ולסת ורפואת שיניים; טיפול בלייזר חלש וכו'. נכון לעכשיו, הטיפול בלייזר שמר על רמה גבוהה תנופת פיתוח חזקה וחזקה בהיבטים רבים, כגון מחקר בסיסי, פיתוח טכנולוגיה חדשה, פיתוח וייצור ציוד חדש.

איור: יישום לייזר בסטומטולוגיה

4.עיבוד לייזר

שימוש בעוצמה הגבוהה (בהירות) של הלייזר, הממוקד קרן לייזר יכול לפלוט אנרגיית אור של 100J בתוך 1 ms, וזה מספיק כדי להמיס או לאדות את החומר בזמן קצר, כדי לעבד את החומרים בעלי מאפיינים שונים שקשה לעבד, כגון ריתוך, קידוח, חיתוך, טיפול בחום, ליטוגרפיה , וכו.

לעיבוד לייזר יש את היתרונות של דיוק גבוה, עיוות קטן, ללא מגע וחיסכון באנרגיה. תחומי היישום שלו יכולים כמעט לכסות את כל תעשיית ייצור המכונות, לרבות מכונות כרייה, תעשייה פטרוכימית, חשמל, רכבת, רכב, בניית ספינות, מתכות, ציוד רפואי, תעופה, כלי מכונות, ייצור חשמל, הדפסה, אריזה, עובש, תרופות ועוד תעשיות. הבלאי והקורוזיה של חלקי מפתח וציוד מדויק ניתנים לתיקון ואופטימיזציה על ידי טכנולוגיית חיפוי לייזר, שהפכה לכלי רב עוצמה להפוך שחיתות לקסם.

5. מדידת דיוק

מדידה מדויקת עושה שימוש במאפיינים של מונוכרומטיות לייזר טובה, קוהרנטיות חזקה וכיווניות טובה. בהשוואה לממדי טווח אחרים, לטווח לייזר יש את היתרונות של מרחק זיהוי ארוך, דיוק גבוה, אנטי הפרעות, סודיות טובה, נפח קטן ומשקל קל. מד הטווח שולח דופק אופטי, המשתקף מהמטרה הנמדדת, ולאחר מכן חוזר למערכת המקבלת כדי למדוד את מרווח הזמן בין השידור לקליטה.

ללייזר יש גם בהירות גבוהה וגם קוהרנטיות גבוהה, מה שהופך את אפקט הדופלר של האור שניתן ליישם במדידת מהירות.לידר היא מערכת מכ"ם הפולטת קרן לייזר כדי לזהות את המיקום, המהירות ומאפיינים נוספים של המטרה. מבחינת עקרון העבודה , אין הבדל מהותי בין לידאר למכ"ם מיקרוגל: שדר אות זיהוי (קרן לייזר) למטרה, ולאחר מכן השווה את האות המתקבל המוחזר מהמטרה (הד היעד) עם האות המשודר. לאחר עיבוד נאות, ניתן לקבל את המידע הרלוונטי של המטרה, כגון מרחק מטרה, אזימוט, גובה, מהירות, יחס אפילו צורה ופרמטרים נוספים, על מנת לזהות, לעקוב ולזהות כלי טיס, טילים ומטרות אחרות. הוא ממלא תפקיד חשוב בתחום הצבאי והפך לנשק רב עוצמה לניטור סביבתי.

בנוסף, זיהוי גל הכבידה משתמש גם באינטרפרומטריית לייזר כדי לזהות ישירות את גל הכבידה בפס התדרים הבינוני והנמוך, ולצפות בקרינת גלי הכבידה הנוצרת מהתמזגות של חורים שחורים כפולים וגרמי שמים עם יחס מסה מרבי. כמו תהליכי קרינת גלי כבידה קוסמיים אחרים.

לייזר הוא אחת ההמצאות החשובות ביותר של האנושות במאה ה-20. היישומון של טכנולוגיית לייזר נחדר באופן נרחב לכל ההיבטים של התעשייה, החקלאות, הצבא, הרפואה ואפילו החברה. היא משחקת תפקיד חשוב יותר ויותר בהתקדמות החברה האנושית ומשנה פלאים את עולמנו.