משתמש:LOGOBlich/לייזר כחול

לייזר כחול הוא לייזר הפולט קרינה אלקטרומגנטית באורך גל של בין 360 ל-480 ננומטר אשר העין האנושית רואה ככחול או כסגול. קרניים כחולות מיוצרות על-ידי הלייזרים של הגז הליום-קדמיום ב 441.6 ננומטר ועל-ידי הלייזרים של היון ארגון ב 458 וב 488 ננומטר.

לייזרים מוליכים למחצה עם קרניים כחולות מבוססים בדרך-כלל על גליום (|||) ניטריד (GaN בצבע סגול) או אינדיום גליום ניטריד (לעיתים קרובות בצבע כחול אולם יכול להופיע גם בצבעים אחרים).

בנוסף, ניתן ליצור לייזר כחול ולייזר סגול באמצעות הכפלת תדר של אורכי לייזר אינפרא אדום [[מלייזר מוליך-למחצה] ומלייזר מוליך-למחצה במצב מוצק (DPSSLs).

לייזרים מולכים למחצה אשר פולטים אורכי גל ב445 ננומטר שכיחים כלייזרים ניידים (לייזר כיס). לייזרים אשר פולטים אורכי גל בפחות מ 445 ננומטר מופיעים בצבע סגול (אך לפעמים נקראים לייזרים כחולים).

הלייזרים הכחולים הנפוצים ביותר הם לייזרים מוליכים למחצה המשמשים blu-ray אשר פולטים 405 ננומטר (אור סגול), שאורך הגל קצר מספיק כדי לגרום לקרינה בכמה כימיקליים, יוצרים באותו האופן קרינה נוספת לתןך אור אולטרה סגול ("אור שחור"). אורך גל הקצר מ 400 ננומטר מסווג כאור אולטרה סגול.

עיקר השימוש בלייזר כחול הינו לרפואה.

היסטוריה

לייזרים מוליכים למחצה

ניתן ליצור לייזרים אדומים בעזרת גליום ארסניד (GaAs) מוליכים למחצה,שבו תריסר שכבות של אטומים הממוקמים בכדי ליצור את החלק של הלייזר שיוצרת קרן האור מבורות קוונטים. באמצעות שיטות דומות לאלה שפותחו עבור סיליקון, המצע יכול להיבנות ללא פגמים הנקראים נקע(הנדסה), ואת האטומים ניתן להניח כך שהמרחקים בין האטומים המרכיבים את הקרקע לבין שמרכיבים את הבורות הקוונטים זהים.

עם זאת, האטומים המולכים למחצה הטובים ביותר ללייזר כחול הם גבישים של גליום ניטריד (GaN) אשר קשים ביותר לייצור ודורשים לחצים בטמפרטורות גבוהות יותר, בדומה לאלו שצריכים לייצור יהולומים סינתטיים, ודורשים שימוש בלחץ גבוה של הגז חנקן. יש קושי בפתרון הבעיות הטכניות, ולכן מאז 1960 חוקרים רצו לשמור על הגז גליום ניטריד על בסיס של האבן ספיר. אבל,חוסר ההתאמה בין המבנים של הספיר וגליום ניטריד יצר יותר מידי פגמים.

הלד הכחול הראשון על בסיס מוליך למחצה, פותח על ידי הממציא היפני שוג'י נאקאמורה ב 1992. ו 4 שנים מאוחר יותר בשנת 1996 המציא את הלייזר הכחול הראשון. נאקאמורה השתמש בחומר שהופק על הספיר, עם כי מספר הפגמים נשאר גבוה למדי, כדי ליצור לייזר בעל תדר גבוה בלי קושי רב.

בשנות ה 90 המוקדמות של המאה ההעשרים פיתח המכון לפיזיקה ללחץ גבוהה באקדמיה הפולנית הלמדעים בוורשה, בהנהגתו של ד"ר סילבסטר פורובסקי, טכנולוגיה ליצירת גבישי גליום ניטריד באיכות מבנית כגבוהה ופחות מ 100 פגמים לסנטימטר רבוע - לפחות פי 1,000 טוב יותר מאשר גביש הנתמך ביותר ספיר.

עד סוף שנות ה 90, כאשר לייזרים כחולים פותחו, לייזרים כחולים היו לייזרי גז גדולים ויקרים, אשר הסתמכו על היפוך האוכלוסיה בתערובות גזים נדירות, ודרשו זרמים גבוהים וקירור איתן.

בשנת 1999 נאקאמורה ניסה גבישים פולניים לפתח לייצר שאורך חיו גבוה פי 10 מאשר מהלייזרים שפותחו קודם לכן - 3000 שעות במתח של 30 mW.

לאחר 10 שנים, הייצרים היפניים תפסו בעלות על ייצור לייזר כחול בתדר של 60 mW מה שאפשר עבור אותם לייזרים לקרוא התקנים (BD-R, Blu-ray ו- BD-RE) במהירות גבוהה יותר. הטכנולוגיה הפולנית זולה יותר מאשר היפנית אולם ליפנים יש נתח גבוהה יותר מהשוק. ישנה חברת היי-טק פולנית נוספת אשר יוצרת גבישים של גליום ניטריד. אבל החברה הזאת לא מייצרת לייזרים כחולים.

בזכות עבודתו של נאקאמורה הוא קיבל את פרס המילניום לטכנולוגיה בשנת 2006 ופרס נובל לפיזיקה בשנת 2014.

הודות לפיתוח מוקדם של קבוצות רבות, כולל, במיוחד, הקבוצה של הפרופסור איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה באנאן שביפן, נוצרו סדרות של המצאות של לייזרים מוליכים למחצה כחולים וסגולים שהביא פיתוח מסחרי גדול מאוד. השכבה הפעילה של הלייזרים של חברת ניצ'יה מיוצרת על ידי קירות או נקודות קוונטים של גליום ניטריד שנוצרו באופן אקראי לחלוטין ובאמצעות הרכבה עצמית. המצאה חדשה אפשרה פיתוח של לייזר כחול, סגול ואולטרה סגול (UV) אשר לא היו זמינים קודם לכן, ופתחו את הדרך ליישומים (אפליקציות) באיכות גבוהה כגון: HD DVD ו-Blu-ray. אורך הגל הקצר מאפשר ללייזר לקרוא דיסקים המכילים מידע רב.

הירושי אמאנו, איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה זכו בפרס נובל לשנת 2014 בפיזיקה "להמצאת לייזרים מוליכים למחצה בעלות אור כחול, אשר אפשרו מקורות אור לבן וחוסכים באנרגיה".

התפתחות נוספת של הטכנולוגיה הובילה ליצור המוני של הלייזר. כיום, על מנת לייצר לייזרים כחולים משתמשים במשטח ספיר המכוסה בשכבה של גליום ניטריד, ועל מנת לייצר לייזרים כחולים מוליכים למחצה משתמשים בשכבה של גבישים של גליום ניטריד.

לייזר מוליך למחצה במצב מוצק

מצביעי לייזר כחול, אשר הפך לזמין בשנת 2006, יש להם את אותו בסיס מובנה כ DPSS לייזרים ירוקים. הלייזרים הנופוצים ביותר םולטים אור בתדר של 473 ננומטר, אשר מיוצר על ידי הכפלת תדירות בתדר של 946 ננומטר של קרינת לייזר. ממוליך למחצה שאוב Nd: YAG או Nd: YVO4 גביש. גבישים מסוג nd: YVO4 מיוצרים ברך כלל באורך גל השכיח ביותר של 1064 ננומטר, אך עם ציפוי מראות רפלקיבי ניתן ליצרו גם באורכי גל שונים, כגון: אורך גל של 946 ננומטר בשימוש של לייזר כחול. עבור גבישי BBO משתמשים בצריכת חשמל גבוהה ומכפילי תדר, עבור צריכות חשמל נמוכות יותר משתמשים בKTP. התוצרים הם עד 5000 mW. הפקת 473 ננומטר בקינה של לייזר אינה יעילה, מכיוון שאחרי בדיקות מעבדה הראו שהמרת 946 ננומטר יעיל בכ10 עד 15 אחוזים. אך לפעמים, בתוצאות מעשיות, התוצאה יכולה להיות נמוכה יותר. בשל היעילות הנמוכה של המרה זה, השימוש בלייזרים מוליכים למחצה של 1000 mW יכול להפוך לכל היותר ל150 mW של אור כחול.

לייזרים כחולים יכולים להיווצר ישירות גם על ידי מוליך למחצה InGaN, אשר מייצרים אור כחול ללא הכפלת תדר. לייזרים בתדר של 445 ננומטר עד 456 ננומטר זמינים כרגע בשוק הפתוח. המכשירים בהירים באופן משמעותי ביותר מ445 ננומטר, שכן אורך גל ארוך יותר קרוב לרגישות השיא של העין האנושית. המחירים של מכישרים מסחריים כמו מקרני לייזר ירדו על לייזרים מוליכים למחצה. לייזרים סגולים עשויים להיות בנויים עם מוליכים למחצה גליום ניטריד (GaN) כאמור. עם זאת, כמה לייזרים סגולים "חזקים" שפועלים בתדר של 404-405 ננומטר (120 MW) נהיו זמינים כאשר הם מבוססים על גליום ניטריד, ניתן להשתש בטכנולוגיה הזו גם בתדירות הכפלת תדר החל מוואט אחד, 808 ננומטר, של הלייזר גליום ארנסטיד אינפרא אדום, מוליך למחצה עם הכפלת תדר ישירה. בלי הליזר nd: YVO4 שנותן גל ארוך יותר.

מראה

לייזר הסגול 405 ננו-מטר (בין אם הוא מורכב מהגליום ניטריד או דיודות הלייזר של GaAs) אינו כחול, אלא נראה לעין כסגול, צבע שעינו האנושית בעלת רגישות מוגבלת מאוד. כאשר הצביע על חפצים לבנים רבים (כגון נייר לבן או בגדים לבנים אשר נשטפו אבקות כביסה מסוימים) המראה החזותי של לייזר נקודות השינויים מ סגול לכחול, בשל הקרינה של צבעים בהירים .

עבור יישומי תצוגה אשר חייב להופיע "כחול אמיתי", אורך גל של 445-450 ננומטר נדרש. עם ההתקדמות בייצור, מכירות מסחריות של עלות נמוכה לייזר מקרנים, 445 ננומטר IngaN לייזר דיודות ירדו במחיר.

שימושים בלייזר כחול

תקשורת

אחסון נתונים אופטי על תקליטור - טכנולוגיית ה-Blu-ray מבוססת על לייזר כחול, שבאמצעות אורך הגל הקצר שלו, שקצר מזה של הלייזר האדום, מאפשר אחסון מידע בצפיפות גבוהה יותר.

ציוד אלקטרוני

אבחון רפואי

אלקטרואופטיקה