דור הלייזרים

דור הלייזרים
יצירת לייזרים הוצעה על ידי איינשטיין בשנת 1916 עם תיאוריית "פליטה ספונטנית ומגורה". תיאוריה זו מהווה את הבסיס הפיזי של מערכות לייזר מודרניות. האינטראקציה בין פוטונים לאטומים עשויה להוביל לשלושה תהליכי מעבר: בליעה מגורה, פליטה ספונטנית ופליטה מגורה. כל עוד פליטה מגורה יכולה להיות בת קיימא ויציבה, ניתן להשיג לייזרים. לכן, יש לייצר מכשירים מיוחדים - לייזרים. הרכב הלייזר מורכב בדרך כלל משלושה חלקים עיקריים: חומר העבודה, התקן העירור והמהוד האופטי.

1. חומר עבודה

החומר בלייזר שיכול לייצר אור לייזר נקרא חומר עובד. בנסיבות רגילות, התפלגות המספרים האטומיים בחומר בכל רמת אנרגיה היא התפלגות נורמלית. מספר האטומים ברמת האנרגיה הנמוכה תמיד גדול מזה שברמת האנרגיה הגבוהה יותר. לכן, כאשר אור עובר דרך המצב הנורמלי של החומר הזוהר, תהליך הבליעה דומיננטי, והאור תמיד נחלש. כדי לחזק את האור לאחר שעבר דרך החומר הזוהר ולהשיג הגברת אור, יש צורך להפוך את הפליטה המגורה לדומיננטית. כדי שמספר האטומים ברמת האנרגיה הגבוהה יותר גדול מזה שברמת האנרגיה הנמוכה יותר, התפלגות זו הפוכה להתפלגות הנורמלית ונקראת היפוך מספר חלקיקים.
2. מכשיר עירור
תפקידו של התקן העירור הוא לעורר אטומים ברמת אנרגיה נמוכה יותר לרמת אנרגיה גבוהה יותר, מה שמאפשר לחומר העובד להשיג היפוך מספר חלקיקים. רמות האנרגיה של החומר כוללות את מצב היסוד והמצב המעורר, כמו גם מצב מטא-סטבילי. המצב המטא-סטבילי פחות יציב ממצב היסוד, אך יציב הרבה יותר מהמצב המעורר. באופן יחסי, אטומים יכולים להישאר במצב מטא-סטבילי למשך זמן ארוך יותר. לדוגמה, יוני הכרום (Cr3+) באודם הם בעלי מצב מטא-סטבילי עם אורך חיים בסדר גודל של 10-3 שניות. לאחר שהחומר העובד מעורר ומשיג היפוך מספר חלקיקים, בתחילה, עקב כיווני התפשטות שונים של הפוטונים הנפלטים מקרינה ספונטנית, גם לפוטוני הקרינה המגורה יש כיווני התפשטות שונים, וישנם הפסדים רבים בתפוקה ובבליעה; לא ניתן לייצר פלט לייזר יציב. כדי לאפשר לקרינה המגורה להמשיך להתקיים בנפח המוגבל של החומר העובד, נדרש מהוד אופטי כדי להשיג את הברירה וההגברה של האור.
3. מהוד אופטי
זהו זוג מראות מחזירות אור מקבילות זו לזו המותקנות בשני קצוות החומר העובד, בניצב לציר הראשי. קצה אחד הוא מראה להחזרה מלאה (עם שיעור החזרה של 100%), והקצה השני הוא מראה שקופה חלקית ומחזירת אור חלקית (עם שיעור החזרה של 90% עד 99%).
תפקידי המהוד הם: ① יצירה ותחזוקה של הגברה אופטית; ② בחירת כיוון אור המוצא; ③ בחירת אורך הגל של אור המוצא. עבור חומר עבודה ספציפי, עקב גורמים שונים, אורך הגל בפועל של האור הנפלט אינו ייחודי, ולספקטרום יש רוחב מסוים. המהוד יכול למלא תפקיד של בחירת תדר, מה שמשפר את המונוכרומטיות של הלייזר.