מבוך לייזר

מטרות השיעור -

• להבין מה זה לייזר ?  
• מתי הוא הומצא ועל ידי מי ?
• כיצד הוא עובד ? 
• ממה עוצמתו מושפעת ולמה ?
• אילו סוגים שונים של לייזר יש ?
• לאילו שימושים ? 
• מה השוני בין לייזר שחותך ללייזר אשר רק מאיר ?
• מה קורה כאשר קרן הלייזר פוגע במראה ?
• כללי הבטיחות כאשר אנו משתמשים בסמן לייזר.
• האם ישנם חומרים אחרים המשפיעים על קרן הלייזר ?
• בנייה של המבוך.
• התנסות ולמידה תוך פתירת המבוך.

הקנייה של החומר -

לייזר הוא מכשיר הפולט אור בצורה מרוכזת וממוקדת, האור שנפלט ממנו נקרא קרן לייזר.

באנגלית הוא נקרא Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
הגברת האור על ידי פליטה מאולצת של קרינה.
הלייזר הראשון הודגם ב16 במאי 1960 על ידי תיאודור מיימן, פיזיקאי אמריקאי אשר זכה לעיתורים רבים עקב המצאתו.

בפעילות אנו נשתמש בסמן לייזר, הפולט אנרגיה נמוכה יחסית.

 
לשם הבנת פעולתו של הלייזר, עלינו קודם כל להבין מהי קרן אור ?

קרן האור היא בעצם אנרגיה הנעה במרחב.
האור שאנחנו רואים סביבנו מורכב מחלקיקים קטנים הנקראים פוטונים.
הפוטונים נושאים אנרגיה (אלקטרומגנטית), ומזיזים אותה ממקום למקום.

כשנפלט אור במרחב הפוטונים נעים בצורה לא מתואמת, במילים אחרות האור מפוזר ומתפשט לכל עבר.

הלייזר פולט קרן אור שמורכבת מפוטונים הנעים בצורה קוהרנטית (מתואמת).
התנועה המתואמת של הפוטונים, ופליטה של האור בצורה ממוקדת על שטח (או נפח) קטן.
נותנת לקרן הלייזר השפעה גדולה יותר מקרן אור רגילה, צפיפות האנרגיה גבוהה יותר. (אנרגיה חלקי שטח פגיעה).

דוגמה מצוינת היא משחק כדורגל. הפוטונים הוא האוהדים הצועקים בקהל כל אחד משהו אחר
אם ננסה להבין מה כל אחד אומר לא נוכל, (אור הנפלט מרוב המקומות)
לעומת זאת אם כל האוהדים בצורה אחידה יצעקו משהו אחד הוא יהיה יהיה ברור וממוקד ונוכל להבינו (קרן הלייזר).

נוכל לבצע ניסוי דומה בכיתה כדי להציג את ההבדלים, לפני ההסבר שלנו על הנושא -
נקליט את התלמידים בזמן שהם מדברים בצורה חופשית בכיתה,
אחר כך נקליט את הכיתה אומרת משפט קצר ביחד, נשמיע לכל הכיתה את ההבדל.
 

כדי שמכשיר הלייזר יפלוט קרן אור ממוקדת ומרוכזת, אנו צריכים שני רכיבים עיקריים -

1. חומר מגביר -  מעצים את עוצמת האור, יכול להיות מגוון של חומרים שונים.
   כגון אבן אודם סינטטית, תערובת גז, או תערובת נוזלית.
2. מהוד אופטי - גורם לאור לעבור הלוך ושוב בחומר המגביר.
   זוג מראות הפונות אחת מול השנייה, גורמות לאור לעבור דרך המגביר במחזוריות.

כיצד הלייזר עובד ?

סביב החומר המגביר מלופפת נורה בצורת סליל, ברגע שנדליק את הנורה, היא תפלוט את האור לחומר המגביר. האור ינסה לברוח לצדדים ויתקל בשני מראות, יפגע באחת מהן ויפנה לשנייה.
תיווצר תגובת שרשרת של הגברת עוצמת האור + תנועה אחידה של האור (פוטונים).
אחת מהמראות לא מחזירה אור במאה אחוז, לכן חלק מן האור יברח החוצה כקרן לייזר.
 

עוצמתו של הלייזר תלויה בכל הרכיבים שלו, הנורה, החומר המגביר, עוצמת האנרגיה שמזרימים לו.
באופן כללי ככל שהוא מנצל יותר טוב את האור (נצילות גבוהה של אנרגיה), כך יהיה עוצמתי יותר.

אילו שימושים יש ללייזר ?

• פנאי
• הכוונה 
• חיתוך 
• העברת מידע (כגון קורא ברקודים)
• פילוס 
• סימון מטרות
• טיפולים רפואיים
• מערכות יירוט צבאיות (החלפה של כיפת ברזל בעתיד)

מה ההבדל העיקרי בין לייזר שמסוגל לחתוך לאחד שלא ?

לייזר שמסוגל לחתוך מגוון של חומרים עובד על עוצמה גבוהה יותר של חשמל (אנרגיה).
קרן הלייזר שלו יותר קטנה וממוקדת ולכן האפקט שלה על החומר יהיה גדול יותר.
 

מכונת חיתוך לייזר בפעולה

בטיחות ! סמני לייזר - 

מאז 2004 היו מעל 2800 מקרים בהם סמני לייזר כוונו לעבר שמי ארצות הברית.

פגיעה של קרן לייזר כזו בעין יכולה לגרום לעיוורון הבזק, אם זה קורה במצב קריטי בטיסה יכולה להיגרם תאונה קטלנית. עוד פרט מעניין, להרבה מהאוכלוסייה, בערך 18-38 אחוז ישנה תופעה הנקראת עיטוש אופטי, מתעטשים כאשר נחשפים להבזק אור פתאומי.

לכן לעולם לא נכוון לייזר על אדם אחר או על השמים, נשתמש בו בזהירות.

הרכבה והתנסות  - 
 

נרכיב את המבוכים, כדי לייצב את המראות ניתן ליצור עוד רגליים מהחומר העודף שיש לנו.

לאחר ההרכבה ניצור שלבים למשחק.
ראשית על התלמידים להצליח להוציא את קרן הלייזר מחור המבוך בעזרת מראה אחת.

לאחר מכן בעזרת שתים ושלוש, ולבסוף בעזרת 4 או חמש מראות.

תוך כדי משחק נחדד את עקרון ההחזרה של האור שלמדנו בשיעורי האופטיקה השונים,

כגון קליידוסקופ, ופריסקופ. בנוסף נשים לב לעוצמת אור הלייזר שאנו רואים על כל מראה.

ככל שהקרן תפגע ביותר מראות כך תיחלש עוצמת האור שנראה על כל מראה.
המראה לא מושלמת ולכן לא מחזירה 100 אחוז מהאור שמגיע אליה ולכן נראה היחלשות.
 

כאן נוכל לראות את התנהגות קרן הלייזר כאשר היא פוגעת במראות, מים שמן ועוד ..