לפני שנסביר על לייזר סיליקון, נסביר תחילה איך בעצם מיצרים אור באופן כללי. יש הרבה דברים שיוצרים אור כמו אש וחימום חזק של חומרים (כמו חימום של חוט להט במנורות להט ו'הלוגן', וחימום היסודות על פני השמש שגורמים להם לפלוט אור), מעבר זרם חשמלי דרך גז – כמו בברקים במנורות פלורסצנט וניאון, ויש גם מנורות לֶד – בהם אור נפלט בנקודת המעבר של זרם חשמלי בין שני חומרים (ראו הסבר נוסף על מנורת לד בסוף התשובה). מהו בעצם הגורם המשותף לכל ההתקנים שיוצרים אור? מה יוצר את האור בהם?
ובכן – כל החומרים בנויים מאטומים, במרכז כל אטום גרעין עם מטען חשמלי חיובי שסביבו נמצאים אלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי. האלקטרונים לא נמצאים 'סתם' מרחפים מסבים סביב הגרעין, כל אלקטרון נמצא במסלולון מיוחד הנקרא 'אורביטל' שמאופיין בצורה מרחבית (קראו כאן מה צורת מסלולי האלקטרונים באטום) וברמה אנרגטית ייחודית. אור נוצר על ידי כך שאלקטרון עובר מסלול – מאורביטל בעל אנרגיה גבוהה לאורביטל בעל אנרגיה נמוכה, בזמן המעבר הזה – נפלט פוטון של אור. לרוב – צריך בשלב הראשון לספק לאלקטרון אנרגיה כדי לגרום לו לעבור מאורביטל באנרגיה נמוכה, בו הוא נמצא מלכתחילה, לאורביטל בעל אנרגיה גבוהה (למשל על ידי חום, חשמל, אנרגיה כימית) ואז בשלב השני האלקטרון עובר מהרמה הגבוהה לרמה הנמוכה, ופולט אור, כפי שניתן לראות בתרשים הבא:
יצירת אור: בשלב הראשון אלקטרון מקבל אנרגיה ועולה לרמת אנרגיה גבוהה, בשלב שני - האלקטרון נופל חזרה לרמה נמוכה, ופולט אור לייזר – או באנגלית LASER, ראשי תיבות של Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - "הגברת אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה", בקישור הבא אפשר לקרוא בהרחבה על עקרונות הפעולה של לייזרים ומאפייניהם. . בקיצור – מאפייני הלייזר זה אור בעל צבע אחיד (או, יותר מדוייק, בעל תחום צר מאוד של אורכי גל הקובעים הצבע), קוהרנטי (כלומר כל הגלים המרכיבים את האור באותה פאזה יחסית, בדר"כ כל הגלים עולים ויורדים באותו זמן) – וקרני האור מקבילות זו לזו. הלייזר – כמו כל מקור אור, מיוצר על ידי 'עירור' של אלקטרונים באטום (על ידי אספקת אנרגיה) ויצירה של אור כאשר האלקטרונים חוזרים למסלולם המקורי.
סיליקון (צורן בעברית) – הוא אבן בניין חשובה בתעשיית המחשבים, רוב השבבים מהם בנויים מחשבים או טלפונים ניידים עשויים ממנו. שבבי המחשב מסיליקון פועלים על חשמל (אלקטרונים) בלבד, אולם אמצעי תקשורת מודרניים רבים פועלים על פוטונים (אור) שנעים בתוך סיבים אופטיים (שלהם יתרונות רבים בהעברת מידע על פני מידע שנע כחשמל בתוך חוטי חשמל) ויש צורך טכנולוגי לשלב בין העולמות הללו, אולם עד לפני 6 שנים לא הצליחו בכך (לא הצליחו לגרום לסיליקון לפלוט אור בצורה קלה). ב-5-6 השנים האחרונות הוצעו שני פתרונות המאפשרים להפוך את הסיליקון למקור לייזר (=מקור אור חזק שאפשר יהיה להשתמש בו כמקור אור לסיב אופטי):
1. לייזר סיליקון היברידי (היברידי=בן כלאיים, כלומר מורכב ממקורות שונים) – כפי שהשם מרמז, בלייזר סיליקון היברידי, חיברו לסיליקון חומרים שפולטים אור כאשר עובר בהם זרם חשמלי (חומרים הדומים לאלו הנמצאים במנורות לד, כמו גאליום ארסניד). כאשר חשמל שעובר מהסיליקון אל החלק ההיבדרידי הופך לאור. כלומר אי אפשר לומר שזה באמת 'לייזר סיליקון' כי הסיליקון עצמו לא פולט את האור, רק משמש כמוליך חשמלי שמפעיל חומר אחר שפולט אור.
מבנה לייזר סיליקון היבדרידי (החלק פולט האור נמצא מעל הסיליקון, מופיע בצבע כתום), תמונה באדיבות ויקיפדיה.
2. לייזר ראמאן סיליקון. מתבסס על 'אפקט ראמאן' שנמצא שקיים בסיליקון. באפקט ראמאן – אור פוגע באלקטרונים של חומר, מעורר אותם לרמה גבוהה, ואז האלקטרונים 'נופלים' חזרה לרמה אנרגטית אחרת ממה שהתחילו בה (בשונה למצב המתואר בציור הראשון בתשובה זו, שם האלקטרון חוזר בדיוק לאותה רמה בה התחיל), כתוצאה מכך האור שנפלט הוא באנרגיה שונה (=בצבע שונה) מהאור ששימש לעירור הראשוני. מצחיק לציין שכדי שלייזר ראמאן יעבוד חובה שיהיה מקור לייזר אחר שיעורר את האטומים. לייזר סיליקון ראמאן עובד בדיוק ככה – ישנו מקור של לייזר חיצוני שמאיר על סיליקון וגורם לו לפלוט אור בעצמו. בשנת 2005 פתחו צוות משותף של חוקרים מארה"ב וממעבדות אינטל בישראל את לייזר הסיליקון, שנתיים מאוחר יותר שכללו את המצאתם (מעבר משימוש במראות לשימוש במעגל בו האור עובד בתוך הסיליקון וכך מושגת הגברת העוצמה הנחוצה לליזר) כפי שאפשר לראות בתמונות הבאות, הלקוחות מתוך המאמרים שפורסמו בנושא:
המבנה משנת 2005
המבנה משנת 2007
קישור למאמרים: לייזר סיליקון שנת 2005 ו-שנת 2007.
אם מתייחסים לבעיה הטכנולוגית, נראה לי שעדיין דרושה עבודה רבה בכדי לצמד ביעילות שבבי סיליקון להתקנים אופטיים, והשלב הנוכחי של המחקר הוא עדיין 'הוכחה של היתכנות' ולא מוצר שאפשר כבר להשתמש בו.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
