הלייזר הוא אחד הכלים המשמעותיים בחיי היומיום שלנו והשימושים בו רבים, החל בקריאת תקליטורים וכלה בטיפולים רפואיים מורכבים. הוא פועל על פי העיקרון של פליטה מאולצת של פוטונים מתוך תווך מגביר.
העיקרון הזה פועל כך: כל לייזר מכיל שני רכיבים חיוניים – מהוד ותווך מגביר. מהוד הוא אזור שבו פוטונים בעלי אורך גל מסוים נעים הלוך ושוב באופן כמעט מושלם, בלי להבלע בקירותיו או להיפלט ממנו החוצה. המהוד הפשוט ביותר שאפשר לדמיין הוא פשוט זוג מראות שמוצבות זו מול זו. פוטון בעל אורך גל שהמכפלה שלו במספר שלם כלשהו שווה למרחק בין המראות, יוכל לנוע ביניהן הלוך ושוב במשך זמן רב עד שייפלט מן המהוד (אף מראה אינה מושלמת, וזהו למעשה עיקרון חשוב בפעולת הלייזר).
הרכיב השני הוא התווך המגביר, שמנצל את עקרון הפליטה המאולצת. התווך המגביר הוא חומר בעל שתי רמות אנרגיה (אם יש לו רמות אנרגיה נוספות, אנו יכולים להתעלם מהן כל עוד נדאג באופן מלאכותי למנוע את אכלוסן). ראשית ישנה רמת היסוד, שבה האלקטרונים של החומר נמצאים בשיווי משקל. הרמה השנייה היא הרמה המעוררת. הפרש האנרגיה ביניהן שווה לאנרגיה של הפוטונים באורך הגל שבו אנו רוצים שהלייזר שלנו יפעל.
כדי להפעיל את הלייזר מפעילים מקור כוח חיצוני ששואב את התווך בצורה מלאכותית למצב שמכונה "היפוך אוכלוסין". במצב הזה רוב האלקטרונים של החומר מאכלסים את הרמה המעוררת ולא את רמת היסוד. האלקטרונים האלה יכולים לחזור באופן טבעי אל רמת היסוד ולפלוט תוך כדי כך פוטונים בכיוונים אקראיים. כדי ליצור לייזר חשוב לקיים שני תנאים: ראשית, יש לדאוג שפליטת הפוטונים לא תהיה אקראית, ושנית יש לתחזק כל העת את מצב היפוך האוכלוסין על ידי הכנסה של אנרגיה חיצונית למערכת.
לייזר נוצר כשמציבים את התווך המגביר בתוך מהוד, כפי שהוסבר לעיל. במצב כזה, הפוטונים שנפלטים מהתווך אינם נעלמים מהמערכת, אלא מתחילים לנוע הלוך ושוב בתוך המהוד, ובדרכם חוצים שוב ושוב את התווך המגביר. המצב הזה מעודד תופעה שנקראת "פליטה מאולצת" – הוא מעודד את האלקטרונים שנמצאים ברמה המעוררת ליפול בחזרה למצב היסוד ולפלוט פוטונים נוספים, בתיאום עם הפוטונים הקודמים שחצו את התווך וגרמו לפליטה המאולצת. כך נבנית קרן רבת עוצמה שבה מספר רב של פוטונים בתוך המהוד. על מנת לאפשר פליטה של הקרן מהמהוד, אחד מצדדיו של המהוד אינו מושלם, אלא פולט אחוז קטן מהקרינה המגיעה אליו. כלומר בתוך המהוד עצמו קיימים פוטונים רבים יותר מאלה שנפלטים החוצה ממנו.
היישומון שלפנינו יאפשר לנו לבנות לייזר מיוחד . מטרת היישומון היא להצליח להשיג לזירה (היווצרות של קרן לייזר) בלי להרוס את הלייזר עצמו. בהצלחה. להפעלת היישומון לחצו על התמונה
הישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו.
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
בניגוד ליישומונים קודמים שבהם נתתי הדרכה מלאה בהפעלת היישומון, הפעם אסתפק במתן קווים מנחים. קחו זאת כאתגר להצליח ולהשיג לזירה. אם הצלחתם, שתפו זאת בפורום. אם לא הצלחתם, אתם מוזמנים להעלות שאלות לפורום ונדון בהן שם. מומלץ להבין קודם איך הלייזר עובד. דרך טובה לעשות זאת היא על ידי צפיה בסרטון על הלייזר ממדור מאגר מדע.
היישומון נפתח בצורה שתאפשר לכם ללמוד איך להפעיל אותו. אטום בודד נמצא במרכז מהוד, אך המהוד אינו פעיל. משמאל נמצאת מנורה שתאפשר לכם לקבוע את עוצמת התאורה, כלומר את קצב פליטת הפוטונים, וכן את צבע האור – דהינו האנרגיה. בצד ימין למעלה מופיעה רמת האנרגיה של האטום ואתם יכולים להזיז אותה.
הפעילו את המנורה בקצבים משתנים ותוכלו לראות שכאשר הצבע מתואם עם האנרגיה של האטום, פוטונים נקלטים באטום, מעוררים אותו לרמת אנרגיה גבוה יותר ואז נפלטים ממנו בחזרה. אם בשלב מסוים תלחצו על "הפעל מראות", תוכלו לראות שמראות נוספות למהוד. האור שלכם אינו נכנס אליו יותר, אבל פוטונים שהיו בו קודם פשוט מקפצים בו מצד לצד. תוכלו לשלוט ברמת ההחזרה של מהמראה הימנית. ב-0 אחוז המראה תעביר את כל האור וב-100 אחוז היא תחזיר את כולו. ראו מה קורה כשהפוטונים נעים בתוך המהוד ופוגעים כל העת באטום שבתוכו.
כעת עברו עבור האטום הזה לשלוש רמות אנרגיה. כל עוד המראות אינן פעילות, שתי המנורות יכולות להאיר עליו. שחקו קצת עם המצב הזה. בצד ימין למעלה תוכלו לשנות לא רק את מיקום רמות האנרגיה, אלא גם את משך החיים שלהן, כלומר את הזמן הממוצע שבו האטום נשאר ברמה הזו לפני שהוא פולט פוטון באופן ספונטני (לכיוון אקראי).
עכשיו, כשתפעילו את המראות, תוכלו לראות שפוטונים מהמנורה הימנית יילכדו במהוד, בזמן שפוטונים מהמנורה העליונה יכולים להמשיך להכנס דרך חלקיו השקופים של המהוד. שחקו ק צת במצב הזה וראו מה קורה. שימו לב למד העוצמה המופיע בתחתית המסך. בחלקו העליון תוכלו לראות מהי העוצמה של קרן האור בתוך המהוד ובחלק התחתון תראו מה נפלט החוצה.
כעת עברו לכמה אטומים. במצב הזה נרצה לגרום ללייזר "ללזור". כלומר להביא את העוצמה במד העוצמה למצב של פליטת קרן לייזר. תוכלו לצפות איך הלייזר מתנהג כפוטונים או כגל (צד ימין למטה). זה, אם כן, האתגר שלכם – להגיע ללזירה. להלן כמה רמזים איך זה יכול להתבצע:
- זיכרו את העקרונות של פעולת הלייזר ונסו להגיע למצב של היפוך אוכלוסין. חישבו איך אפשר לעשות את זה. כדי לבצע היפוך אוכלוסין יש להכניס אנרגיה לתווך המגביר. חישבו מהו התווך המגביר שלכם ומהו מקור האנרגיה החיצוני.
- אינכם רוצים שהלייזר יעבוד באותו צבע כמו המנורה החיצונית. שימו לב הפוטונים שהמנורה הזו שולחת מצביעים כלפי מטה, בעוד אתם רוצים שהתווך יפלוט פוטונים ימינה
- המראות אמנם יכולות לעזור לכם לכלוא פוטונים במהוד ולהגביר את עוצמת הלזירה, אולם אתם צריכים לשחרר חלק מהאור שך הלייזר החוצה. אם תשחררו אנרגיה רבה מדי, הלייזר יפסיק לפעול. אם לא תשחררו אנרגיה כלל, הלייזר לא יעבוד ואולי אף יתפוצץ.
נסו אם כן לבצע לזירה. אם תצליחו, כתבו לנו על כך בפורום
אתגר נוסף – אחרי שהצלחתם לבצע לזירה, האם תוכלו לחזור על כך גם במצב של אטום בודד?
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
