לייזר כחול

לייזר כחול הוא לייזר הפולט קרינה אלקטרומגנטית באורך גל שבין 405 ל-480 ננומטר, אשר העין האנושית רואה ככחול או כסגול. קרניים כחולות מיוצרות על ידי לייזרים של גז כמו הליום-קדמיום (441.6 ננומטר) וכן ארגון (458 וב-488 ננומטר). לייזרים מוליכים למחצה עם קרניים כחולות מבוססים בדרך-כלל על גליום III ניטריד (GaN בצבע סגול) או אינדיום גליום ניטריד (לעיתים קרובות בצבע כחול אולם יכול להופיע גם בצבעים אחרים). בנוסף, ניתן ליצור לייזר כחול (אך לא סגול) ולייזר ירוק באמצעות הכפלת תדר של לייזר אינפרא אדום מלייזר מוליך-למחצה ומלייזר מוליך-למחצה במצב מוצק (DPSS, ראשי תיבות של Diode Pumped Solid State). לייזרים מולכים למחצה אשר פולטים אורכי גל של 445 ננומטר שכיחים כיום כלייזרים ניידים (לייזר כיס). לייזרים אשר פולטים אורכי גל הקצרים מ-445 ננומטר מופיעים בצבע סגול (אך לפעמים נקראים לייזרים כחולים). הלייזרים הכחולים הנפוצים ביותר הם הלייזרים המשמשים בנגני Blu-ray אשר פולטים באורך גל של 405 ננומטר (אור סגול), שאורך הגל קצר מספיק כדי לגרום לפלואורסצנציה בכמה חומרים אשר יוצרים באותו האופן אור נראה על ידי אור אולטרה סגול. אורך גל הקצר מ-400 ננומטר מסווג כאור אולטרה סגול קרוב. עיקר השימוש בלייזר כחול הוא לרפואה. ניתן ליצור לייזרים אדומים בעזרת גליום ארסניד (GaAs) מוליך למחצה, שבו תריסר שכבות של אטומים הממוקמים כדי ליצור את החלק של הלייזר שיוצרת קרן האור מבורות קוונטיים. באמצעות שיטות דומות לאלה שפותחו עבור סיליקון, המצע יכול להיבנות ללא פגמים (נקעים), ואת האטומים ניתן להניח כך שהמרחקים בין האטומים המרכיבים את הקרקע לבין שמרכיבים את הבורות הקוונטיים זהים. עם זאת, המוליכים למחצה הטובים ביותר ללייזר כחול הם גבישים של גליום ניטריד (GaN) אשר קשים ביותר לייצור ודורשים לחצים בטמפרטורות גבוהות יותר, בדומה לאלו שצריכים לייצור יהלומים 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. עם זאת, חוסר ההתאמה בין המבנים של הספיר והגליום ניטריד יצר יותר מידי פגמים. ה-LED הכחול הראשון על בסיס גליום ניטריד, פותח ב-1972 על ידי הרברט פאול מארושקה וואלי רהינס מאוניברסיטת סטנפורד. ב-1987, חברת Cree פיתחה LED כחול על בסיס צורן קרביד. בהמשך פיתח הממציא היפני שוג'י נקמורה ב-1992, LED כחול בבהירות גבוהה שאפשר את פיתוח ה-LED הלבן העשוי מ-LED כחול המצופה בציפוי פלואורסצנטי צהוב. 4 שנים מאוחר יותר בשנת 1996 המציא את הלייזר הכחול הראשון שמבוסס על מוליך למחצה. נקמורה השתמש בחומר שהופק על הספיר, אם כי מספר הפגמים נשאר גבוה למדי, כדי ליצור לייזר בעל תדר גבוה בלי קושי רב. בשנות ה-90 המוקדמות של המאה העשרים פיתח המכון לפיזיקה ללחץ גבוה באקדמיה הפולנית למדעים בוורשה, בהנהגתו של ד"ר סילבסטר פורובסקי, טכנולוגיה ליצירת גבישי גליום ניטריד באיכות מבנית גבוהה ופחות מ-100 פגמים לסנטימטר רבוע - לפחות פי 1,000 טוב יותר מאשר גביש הנתמך בספיר. עד סוף שנות ה-90, כאשר פותחו לייזרים כחולים מבוססי דיודה או דיודה במצב מוצק (Diode Pumped Solid State), לייזרים כחולים היו לייזרי גז גדולים ויקרים, אשר הסתמכו על היפוך האוכלוסייה בתערובות גזים נדירות, ודרשו זרמים גבוהים וקירור איתן. בשנת 1999 נקמורה ניסה לפתח גבישים פולניים שאורך חייהם גבוה פי 10 מאשר מהלייזרים שפותחו קודם לכן – 3000 שעות במתח של 30 mW. לאחר 10 שנים, הייצרנים 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 גבוה יותר מהשוק. ישנה חברת היי-טק פולנית נוספת אשר יוצרת גבישים של גליום ניטריד, אך היא אינה מייצרת לייזרים כחולים. בזכות עבודתו של נקמורה הוא קיבל את פרס טכנולוגיית המילניום (אנ') בשנת 2006 ופרס נובל לפיזיקה בשנת 2014. הודות לפיתוח מוקדם של קבוצות רבות, 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 קוונטיות 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 תקליטורי HD DVD ו-Blu-ray. אורך הגל הקצר מאפשר ללייזר לקרוא תקליטורים המכילים מידע בצפיפות גבוהה יותר משניתן היה לפני כן. הירושי אמאנו, איסמו אקסאקי ושוג'י נקמורה זכו בפרס נובל לשנת 2014 בפיזיקה "על המצאת דיודות פולטות אור יעילות בעלות אור כחול, אשר אפשרו ליצור מקורות אור לבן חסכניים באנרגיה". הזכייה לוותה בביקורות, כיוון שהיו מדענים שהציגו לפניהם דיודות פולטות אור כחולות, וכי וועדת הפרס, התעלמה לחלוטין ממאמצי הפיתוח הנרחבים שהובילו לפיתוח הדיודה הראשונה שפלטה אור נראה. 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. מצביעי לייזר כחולים, אשר הפכו לזמינים בשנת 2006, בנויים, בדומה ללייזרים ירוקים, בתצורת Diode Pumped Solide State. כלומר: המקור הראשוני הוא לייזר דיודה אינפרא אדום באורך גל של 808 ננומטר, שעובר דרך גבישים שממירים את אורך הגל שלו לכחול. הלייזרים הנפוצים ביותר פולטים אור בתדר של 473 ננומטר, אשר מיוצר על ידי המרת התדר של הלייזר הראשי מ-808 ננומטר ל-946 ננומטר על ידי גביש מסוג Nd:YAG, ואז חלוקת התדר ל-473 ננומטר על ידי גביש בטא בריום בוראט (BBO) או גביש ליתיום תלת-בוראט (LBO). התוצרים יכולים להגיע לעוצמות של עד 5000 mW. לייזרים של 473 ננומטר אינם יעילים, מכיוון שאחרי בדיקות מעבדה הראו שהמרת 946 ננומטר יעילה רק בכ-10 עד 15 אחוזים, ובתוצאות מעשיות, התוצאה הייתה נמוכה יותר. בשל היעילות הנמוכה של המרה זו, השימוש בלייזרים מוליכים למחצה של 1000 mW יכול להפוך לכל היותר ל-150 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. הלייזרים הנ"ל נראים בהירים באופן משמעותי מלייזרים של 405 ננומטר, שכן אורך גל ארוך יותר וקרוב יותר לרגישות השיא של העין האנושית. המחירים של מכשירים מסחריים כמו מקרני לייזר(אנ'), ירדו בזכות לייזרים אלו, שמחירם זול יותר מלייזרים כחולים מסוג DPSS. הלייזר הסגול הפולט באורך גל של 405 ננו-מטר (בין אם הוא מורכב מגליום-ניטריד או גאליום-ארסן) אינו כחול, אלא נראה לעין כסגול, צבע שהעין האנושית בעלת רגישות מוגבלת מאוד. כאשר הלייזר מכוון לעבר על חפצים לבנים רבים (כגון נייר לבן או בגדים לבנים אשר כובסו באמצעות אבקות כביסה מסוימות) המראה החזותי של הנקודה של הלייזר משתנה מסגול לכחול, בשל הפלואורסצנציה של החומר שעליו הלייזר מוקרן. עבור יישומי תצוגה אשר מחייבים "כחול אמיתי", נדרש אורך גל של 445–450 ננומטר. עם ההתקדמות בייצור, וכן הופעתם של מקרנים זולים המשתמשים בלייזרים בשביל להציג תמונה, ירד המחיר של דיודות לייזר מסוג אינדיום גאליום ניטריד באורך גל של 445 ננומטר. 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 Nobel Shocker: RCA Had the First Blue LED in 1972, IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News (באנגלית) "Oregon tech CEO says Nobel Prize in Physics overlooks the actual inventors". OregonLive.com (באנגלית אמריקאית). נבדק ב-2018-01-18. About Cree LED, Cree LED (באנגלית אמריקאית) "Nobel Prize: Inventor of red LED criticises committee for overlooking". The Independent (באנגלית בריטית). 2014-10-08. נבדק ב-2018-01-18.