הידעת? באמצעות גביש ניתן לשנות את צבעה של אלומת לייזר
11/07/2017
מעשה בקרן לייזר אדומה אשר נכנסה לתוך גביש, אך יצאה ממנו כשחלקה בכלל כחול! אולם לא מדובר בסתם צבע כחול, אלא באורך גל קצר פי שניים בדיוק מאורך הגל של הקרן הנכנסת. תופעה זו נראית תמוהה למדי שכן פוטונים, אותם חלקיקים הנושאים את השדה האלקטרומגנטי, אינם נוטים להגיב זה עם זה. משמעות הדבר היא שהגביש בו השתמשנו הוא בעל תכונה אשר הצליחה לקחת פוטון בעל אנרגיה מסוימת ולהמירו בפוטון בעל אנרגיה הכפולה מזו של הפוטון הנכנס. כיצד הדבר קורה?
כאשר שדה אלקטרומגנטי פוגע בחומר, מטבעו הוא ינהל תגובה כלשהי עם החלקיקים הטעונים בו, כלומר האלקטרונים וגרעיני האטומים. מכיוון שגל אלקטרומגנטי מורכב משדות המבצעים תנודות מחזוריות בזמן, הגל למעשה גורם לאלקטרונים בחומר לרעוד (המודל המתאר את התופעה נקרא מודל לורנץ). בקירוב הפשוט ביותר, תנועה זו של האלקטרונים הינה מחזורית ובעלת אותו זמן מחזור כמו הגל האלקטרומגנטי. מכיוון שהאלקטרונים מואצים שוב ושוב, הם קורנים ויוצרים גל המצטרף לגל הנכנס.
בפועל, תנודות האלקטרונים בחומר מושפעות רבות מאופן סידור האטומים בחומר. למעשה, ישנם סוגים מסוימים של גבישים אשר יגרמו לאלקטרונים לרטוט באופן שאינו הרמוני! במקרה כזה, תנודת האלקטרונים תורכב מכמה תדרים האופייניים לחומר. במקרה שלנו, אלו יהיו כפולות של התדר המקורי של הגל הנכנס.
משמעות הדבר היא שהאלקטרונים הרוטטים מסוגלים לייצר לא רק גל בתדר המקורי, אלא גם גלים בעלי כפולות של אותו תדר - קרינה בעלת תדר בתחום האדום של הספקטרום תומר בחלקה בקרינה בעלת תדר בתחום הכחול של הספקטרום. תופעה זו ניתנת לפירוש באופן נוסף - שני פוטונים מהגל הפוגע מתחברים ליצירת פוטון בעל אנרגיה כפולה ולכן גם תדר כפול, כל זאת בנוכחות הגביש. לתופעה זו ניתן השם יצירת הרמונית שנייה והיא אחת מהתופעות האופטיות הלא-לינאריות הראשונות שהתגלו.
הכותרת שלעיל נראית תמוהה למדי, אולם בין השניים קיים קשר מעניין. רובנו מכירים את הרומן שבין חתולים לקרני לייזר, כאשר היום ניתן לקנות ברשת לייזרים במגוון רחב של אורכי גל. המעניין בלייזרים הללו הוא שכולם משתמשים בעקרון יצירת ההרמוניה השנייה. למעשה, הלייזר שהמתקן שקנינו מייצר הינו לרוב בתחום האינפרא-אדום, אך גביש לא ליניארי ממיר את אותו אורך גל לתחום הנראה. בשלב זה נעיר שלייזרים זולים לרוב פולטים קרינה בהספק גבוה בתחום האינפרא אדום, וזאת מכיוון שלא קיים בהם מסנן הסופג את הקרינה הנ"ל. משמעות הדבר היא שלייזר המוגדר כפולט קרינה בעלת הספק של כ-5 מיליוואט (סוג 1) עשוי לפלוט בפועל הרבה יותר, לכן לעולם אל תכוונו לייזר מכל סוג שהוא לעיניים של אדם אחר, גם אם נדמה שהוא אינו פולט קרינה בהספק גבוה!
נסיים עם אנקדוטה משעשעת: בפעם הראשונה בה נצפתה התופעה, כתם הלייזר בעל התדר הכפול היה קטן מאוד לעומת כתם הלייזר המקורי. כאשר שלחו החוקרים את המאמר לפרסום עם התמונה המכילה את שני הכתמים, אחד מעורכי הירחון חשב בטעות שהכתם בעל התדר הכפול היה למעשה לכלוך בשל גודלו הקטן, ולכן מחק אותו!
לקריאה נוספת:
סטודנט לדוקטורט בהנדסת חשמל בטכניון. חוקר מצב מוצק מתקדם ואלקטרואופטיקה קוונטית. מתעניין בכל מה שקשור להנדסה, בפרט, אוירונאוטיקה, חלל והדפסת תלת מימד.
