הלייזר ושימושו

המונח LASER נגזר מהמשפט Light by Amplification Stimulated Emission of Radiation

דהיינו, הגברת אור המתקבלת בתהליך של פליטה מאולצת של קרינה. תהליך זה מקנה לאלומת הלייזר שתי תכונות חשובות: קוהרנטיות ומונוכרומטיות.

 אלומת הלייזר הינה אלומת "אור" בעלת צבע מוגדר, המשוגרת לכיוון מוגדר וידוע במרחב. התוצאה המעשית מתבטאת ביכולת לבצע עבודה יעילה עם אלומת לייזר, מה שלא ניתן (או קשה מאוד) לבצע עם מקורות האור האחרים. הסיבה לכך נובעת מחוקי האופטיקה השולטים על אלומת האור העוברת דרך עדשה אופטית. כידוע, עדשה מסוגלת למקד אלומת אור, העוברת דרכה, על מטרה הנמצאת במישור המוקד של העדשה, לכתם בעל קוטר מזערי. צפיפות הספק (או אנרגיה) האלומה על המטרה, נמצאת ביחס ישר להספק (או אנרגיה) אלומת האור העוברת דרך העדשה, וביחס הפוך לריבוע קוטר המוקד, שיוצרת האלומה על המטרה. לפיכך, כל מרכיבי אלומת הלייזר, בהיותם בעלי אורך גל זהה ואותה זווית פגיעה בעדשה, יתמקדו במרחק המוקד המוגדר לעדשה, ויצרו כתם בעל קוטר מזערי. התוצאה המעשית מכך היא שבאמצעות עדשה ניתן לאסוף את כל התפוקה של אלומת הלייזר, ולייצר על מטרה (המוצבת במישור המוקד של העדשה) צפיפות הספק גבוהה, לאין שיעור, מצפיפות ההספק שיכולה להיות מושגת ממקורות האור האחרים.

צפיפות אנרגיה והספק אלומת הלייזר

אחת התכונות המייחדות את אלומת הלייזר ממקורות האור האחרים היא יכולתה להציג צפיפות הספק (או אנרגיה) גבוהה ביותר. תכונה זו מיושמת ביעילות לחיתוך חומרים, אבל אותה תכונה גורמת לאלומת הלייזר להיות מסוכנת במקרה של פגיעה בגוף האדם, במיוחד בעיניו.

צפיפות ההספק מבטאת את עוצמת שטף ההספק, ונמדדת ביחידות של וואט לסמ"ר (2W/cm). אלומת לייזר בהספק נומינלי של W 10, ניתן למקד לכתם זעיר, שקוטרו 0.2 מ"מ בלבד, ובו צפיפות הספק אדירה בערך של 23∙104 W/cm. בלייזרים פולסיים ניתן להגיע בקלות לצפיפות הספק (הספק שיא בתוך הפולס) בערכים של 2W/cm 109 ואף יותר.

מהותה של אלומת הלייזר

קרינת הלייזר, על כל סוגיה, משתייכת לתחום הקרינה האלקטרומגנטית, שבה השדה החשמלי והשדה המגנטי מתקדמים כשהם מצומדים וניצבים זה לזה.

מערכות הלייזר, הרלוונטיות לשימושים השונים של הלייזר, מפיקות קרינה בתחום האופטי, הכולל את קרינת האולטרה סגול, האינפרה אדום, והתחום הנראה הנמצא בתווך שביניהם.

קרינת האולטרה סגול  UV הינה בעלת אורכי הגל הקצרים ביותר בתחום האופטי - מ-400nm )אולטרה סגול קרוב( ועד 10nm (אולטרה סגול עמוק).

אורכי הגל בתחום הנראה נעים בין 400nm (סגול) ל- 700nm (אדום).

בתחום האינפרה אדום אורכי הגל ארוכים יותר, החל מ-700nm (אינפרה אדום קרוב) ועד 1mm (קצה האינפרה אדום הרחוק).

הגל האלקטרומגנטי המכיל את מנת האנרגיה הבסיסית בתחום האופטי, נקרא פוטון. הפוטון נושא אנרגיה ("מנת קרינה" בסיסית) התלויה בתדירות (f) הספציפית שלו.ערך אנרגיה זה (Ep) ניתן לחישוב לפי הנוסחה: (Ep = h*f = h(c/l

כאשר h מייצג את הערך 6.626·²⁷ 10-erg∙sec, הידוע בשם קבוע פלנק (על שם הפיזיקאי Max Planck).

משמעות הקשר היא שהאנרגיה שמכיל פוטון גדלה, ככל שגדלה תדירות התנודה של הפוטון f. באותו אופן, ניתן לומר שאנרגיית הפוטון גדלה, ככל שאורך הגל (l) שלו מתקצר. פוטונים בתחום האולטרה סגול נושאים את האנרגיה הגבוהה ביותר בתחום האופטי, ומשום כך הם מהווים פוטנציאל סיכוני שיש לנקוט באמצעי הגנה מפניו.

המניע העיקרי בפיתוח סוגים שונים של לייזרים הוא קבלה של אורכי גל שיתאימו לשימוש זה או אחר. למעשה, אורך הגל הוא הפרמטר העיקרי המבדיל בין הלייזרים השונים, והתאמת השימוש הנתון נקבעת לפי אורך הגל. מרבית הלייזרים מפיקים אלומה, המאופיינת ע"י אורך גל יחיד, הנקבע ממבנה רמות האנרגיה שבתווך הלזירה. ישנם לייזרים שבתווך הלזירה שלהם נוצרים תנאים להפקה של שני אורכי גל, ולפעמים גם יותר. בנוסף, ניתן לקבל מאורכי הגל הקיימים אורכי גל אחרים באמצעות הכפלה הרמונית (HG) ומתנדים פרמטריים (OPO).

אלומת הלייזר ורכיבים אופטיים במעבדה

הסיכון הטמון באלומת הלייזר נובע מיכולתה להציג צפיפות הספק גבוהה במיוחד. כאשר אלומת לייזר פוגעת ברכיבים אופטיים, נוצרים יחסי גומלין ביניהם, באופן שמאפייניה של אלומת הלייזר עשויים להשתנות. הדבר עשוי להשפיע על כיוון המשך התקדמותה של האלומה ו/או שינוי צפיפות ההספק שבתוך האלומה. לכן, בהערכת הסיכונים, יש חשיבות לדעת מהם השינויים החלים במאפייני האלומה כתוצאה מפגיעתה ברכיבים אופטיים שעשויים להימצא במעבדה.

משטחים מחזירים ומפזרים

אלומת הלייזר עשויה לפגוש, במהלך התקדמותה, משטחים החוסמים את התקדמותה בכיוון המקורי ומפנים אותה לכיוון (או לכיוונים) אחר. תוצאות המפגש בין אלומת הלייזר והמשטח תלויות באורך הגל של אלומת הלייזר ובאופי המשטח. קיימים שני סוגי החזר: החזרת ראי (Specular Reflection) או החזרה מפוזרת (Diffused Reflection).

החזרת ראי

החזרת ראי מתקבלת כאשר המשטח המחזיר מלוטש היטב, עד כדי כך שאי הרגולריות של המשטח קטנה מאורך הגל של אלומת הלייזר. בדרך כלל, נדרש ליטוש בדרגת אי רגולריות נמוכה מ- l/4, דהיינו כ- 0.15 mm עבור אלומת לייזר בתחום נראה. בתחום האינפרה אדום, מקובל להשתמש במראות מתכתיות מלוטשות המצופות בשכבה דקה של כסף או זהב כדי לשפר את יעילות ההחזר.

החזרה מפוזרת

החזרה מפוזרת מתקבלת כאשר אי הרגולריות של המשטח המחזיר גדולה מאורך הגל של אלומת הלייזר. לגבי אלומת לייזר בתחום הנראה, אי רגולריות בשיעור של כ-5 mm, די בה כדי שתגרום להחזרה מפוזרת. האלומה המוחזרת מפוזרת למחצית המרחב, עם משקל עוצמה יחסי לפונקציית הקוסינוס.