Hvordan laver lasere lys?
Hvis du ikke ønsker at vide mere om lasere, kan du stoppe med at læse nu eller springe længere ned på siden til typer af lasere.I dette afsnit gennemgås de samme punkter fra boksen ovenfor lidt mere detaljeret og lidt mere “teoretisk”.
Du vil ofte læse i bøger, at “laser” står for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Det er en kompleks og forvirrende mundfuld, men hvis du tager det langsomt fra hinanden, er det faktisk en meget klar forklaring på, hvordan lasere laver deres superkraftfulde lysstråler.
Spontan emission
Lad os starte med “R” i laser: stråling.Den stråling, som lasere laver, har intet at gøre med farlig radioaktivitet, det, der får geigertællere til at klikke, og som atomer spytter ud, når de smadres sammen eller falder fra hinanden. Lasere laver elektromagnetisk stråling, ligesom almindeligt lys, radiobølger, røntgenstråler og infrarød stråling. Selv om den stadig produceres af atomer, fremstiller (“udsender”) de den på en helt anden måde, nemlig ved at elektroner hopper op og ned i dem. Vi kan tænke på, at elektronerne i atomerne sidder på energiniveauer, som er lidt ligesom trin på en stige. Normalt sidder elektronerne på det lavest mulige niveau, som kaldes atomets grundtilstand. Hvis man affyrer den rette mængde energi, kan man flytte en elektron op på et højere niveau, op på det næste trin på “stigen”. Det kaldes absorption, og i sin nye tilstand siger vi, at atomet er exciteret – men det er også ustabilt. Det vender meget hurtigt tilbage til grundtilstanden ved at afgive den energi, det har absorberet, som en foton (en lyspartikel). Vi kalder denne proces for spontan emission af stråling: Atomet afgiver lys (udsender stråling) helt af sig selv (spontant).
Foto: Fra stearinlys til glødepærer og ildfluer til lommelygter: Alle konventionelle former for lys fungerer gennem processen med spontan emission. I et stearinlys ophidser forbrændingen (den kemiske reaktion mellem ilt og brændstof, i dette tilfælde voks) atomerne og gør dem ustabile. De afgiver lys, når de vender tilbage til deres oprindelige tilstand (grundtilstand). Hver foton, der produceres ved spontan emission i denne stearinlysflamme, er forskellig fra alle andre fotoner, og derfor er der en blanding af forskellige bølgelængder (og farver), hvilket giver “hvidt” lys. Fotonerne kommer ud i tilfældige retninger, med bølger, der er ude af takt med hinanden (“ude af fase”), hvilket er grunden til, at stearinlys er meget svagere end laserlys.
Stimuleret emission
Normalt ville en typisk flok atomer have flereelektroner i deres grundtilstande end i deres exciterede tilstande, hvilket er en af grundene til, at atomerne ikke spontant afgiver lys.Men hvad nu, hvis vi exciterede disse atomer – pumpede dem fulde af energi – så deres elektroner var i exciterede tilstande. I så fald ville “populationen” af exciterede elektroner være større end “populationen” i deres grundtilstand, så der ville være masser af elektroner, som var klar til at lave lysfotonerne. Vi kalder denne situation for en populationsinversion, fordi de sædvanlige tilstande i atomerne er byttet om (inverteret). Lad os nu også antage, at vi kunne holde vores atomer i denne tilstand i et stykke tid, så de ikke automatisk hoppede tilbage til deres grundtilstand (en midlertidigt ophidset tilstand, der kaldes en meta-stabil tilstand). Så ville vi finde noget virkelig interessant. Hvis vi affyrede en foton med den rette energi gennem vores gruppe af atomer, ville vi få en af de exciterede elektroner til at hoppe tilbage til grundtilstanden og afgive både den foton, vi affyrede, og den foton, der blev produceret af elektronens tilstandsændring. Fordi vi stimulerer atomerne for at få stråling ud af dem, kaldes denne proces for stimuleret emission. Vi får to fotoner ud efter at have sendt en foton ind, hvilket effektivt fordobler vores lys og forstærker det (øger det). Disse to fotoner kan stimulere andre atomer til at afgive flere fotoner, så snart får vi en kaskade af fotoner – en kainreaktion – der kaster en strålende stråle af rent, kohærent laserlys ud. Det, vi har gjort her, er at forstærke lyset ved hjælp af stimuleret emission af stråling – og det er sådan, en laser får sit navn.
Artwork: Sådan fungerer lasere i teorien: Til venstre: Absorption: Skyd energi (grøn) ind i et atom, og du kan flytte en elektron (blå) fra dens grundtilstand til en exciteret tilstand, hvilket normalt betyder, at den skubbes længere væk fra kernen (grå). I midten: Spontan emission: En exciteret elektron vil naturligt springe tilbage til sin grundtilstand og afgive et kvantum (energipakke) som en foton (grønt vrikkebillede). Til højre: Stimuleret emission: Affyr en foton i nærheden af en flok exciterede atomer, og du kan udløse en kaskade af identiske fotoner. En foton lys udløser mange, så vi har her lysforstærkning (fremstilling af mere lys) ved stimuleret emission af (elektromagnetisk) stråling – LASER!.
Hvad gør laserlys så anderledes?
Hvis det er sådan, lasere fremstiller lys, hvorfor fremstiller de så en enkelt farve og en sammenhængende stråle? Det koger ned til den idé, at energi kun kan eksistere i faste pakker, som hver især kaldes et kvantum. Det er lidt ligesom med penge. Man kan kun have penge i multipla af den mest grundlæggende enhed i ens valuta, som kan være en cent, en penny, en rupee eller hvad som helst. Man kan ikke have en tiendedel af en cent eller en tyvendedel af en rupee, men man kan have 10 cent eller 20 rupees. Det samme gælder for energi, og det er særligt mærkbart inde i atomerne.
Som trinene på en stige ligger energiniveauerne i atomerne på faste steder med huller mellem dem. Man kan ikke sætte sin fod hvor som helst på en stige, kun på trinene; og på nøjagtig samme måde kan man kun flytte elektroner i atomer mellem de faste energiniveauer. For at få en elektron til at springe fra et lavere til et højere niveau skal man tilføre en præcis mængde (kvantum) energi, der svarer til forskellen mellem de to energiniveauer. Når elektronerne springer tilbage fra deres exciterede tilstand til deres grundtilstand, afgiver de den samme præcise energimængde, som har form af en foton af lys af en bestemt farve. Stimuleret emission i lasere får elektronerne til at producere en kaskade af identiske fotoner – identiske med hensyn til energi, frekvens og bølgelængde – og det er derfor, laserlyset er monokromatisk. De producerede fotoner svarer til lysbølger, hvis toppunkt og lavpunkt er på linje med hinanden (med andre ord er de “i fase”) – og det er det, der gør laserlyset kohærent.
Typer af lasere
Foto: Lasere – som de fleste af os kender dem: Dette er den laser og den linse, der scanner diskene i en cd- eller dvd-afspiller. Den lille cirkel nederst til højre er en halvlederlaserdiode, mens den større blå cirkel er den linse, der aflæser lyset fra laseren, efter at det er prellet af på den blanke overflade af disken.
Da vi kan excitere mange forskellige slags atomer på mange forskellige måder, kan vi (teoretisk set) lave mange forskellige slags lasere.I praksis findes der kun en håndfuld almindelige typer, hvoraf de fem mest kendte er faststof-, gas-, væskefarve-, halvleder- og fiberlasere.
Feststoffer, væsker og gasser er de tre vigtigste stoftilstande – og giver os tre forskellige typer lasere. Faststoflasere er som dem, jeg illustrerede ovenfor. Mediet er noget som en gubinstang eller et andet fast krystallinsk materiale, og et blitzrør, der er viklet rundt om det, pumper dets atomer fulde af energi. For at virke effektivt skal det faste stof være doteret, en proces, der erstatter nogle af de faste atomers atomer med ioner af urenheder, hvilket giver det de helt rigtige energiniveauer til at producere laserlys med en bestemt, præcis frekvens. Faststoflasere producerer stråler med høj effekt, typisk i meget korte pulser. Gaslasere derimod producerer kontinuerlige lyse stråler ved hjælp af ædelgasforbindelser (i det, der kaldes excimerlasere) eller kuldioxid (CO2) som medium, pumpet af elektricitet. CO2-lasere er kraftige og effektive og anvendes typisk til industriel skæring og svejsning. Væskefarvestoflasere anvender en opløsning af organiske farvestofmolekyler som medium, der pumpes af noget som en buelampe, en flashlampe eller en anden laser. Deres store fordel er, at de kan bruges til at producere et bredere bånd af lysfrekvenser end faststof- og gaslasere, og de kan endda “indstilles” til at producere forskellige frekvenser.
Mens faststof-, væske- og gaslasere har tendens til at være store, kraftfulde og dyre, er halvlederlasere billige, små, chip-lignende enheder, der bruges i f.eks. cd-afspillere, laserprintere og stregkodescannere. De fungerer som en blanding af en konventionel lysemitterende diode (LED) og en traditionel laser. Ligesom en lysdiode skaber de lys, når elektroner og “huller” (i praksis “manglende elektroner”) hopper rundt og samles; ligesom en laser genererer de sammenhængende, monokromatisk lys. Derfor kaldes de nogle gange for laserdioder (eller diode-lasere). Du kan læse mere om dem i vores særskilte artikel om halvlederlaserdioder.
Endelig virker fiberlasere deres magi inden i optiske fibre; et doteret fiberoptisk kabel bliver faktisk det forstærkende medium. De er kraftfulde, effektive og pålidelige og gør det nemt at lede laserlyset derhen, hvor der er brug for det.
Hvad bruges lasere til?
“… ingen af os, der arbejdede på de første lasere, havde forestillet os, hvor mange anvendelsesmuligheder der i sidste ende ville være… De involverede personer, der hovedsageligt er motiveret af nysgerrighed, har ofte kun få ideer om, hvor deres forskning vil føre hen.”
Charles Townes, How the Laser Happened, 1999.
Da Theodore Maiman udviklede den første praktiske laser, var der kun få mennesker, der var klar over, hvor vigtige disse maskiner ville blive i sidste ende. Goldfinger, James Bond-filmen fra 1964, gav et fristende glimt af en fremtid, hvor industrielle lasere kunne skære sig som magi gennem alt på deres vej – selv hemmelige agenter! Senere samme år, da New York Times rapporterede om tildelingen af Nobelprisen i fysik til laserpioneren Charles Townes, antydede den, at “en laserstråle f.eks. kunne overføre alle verdens radio- og tv-programmer plus flere hundrede tusinde telefonopkald samtidig. Den anvendes i vid udstrækning til afstandsmåling og sporing af missiler.” Mere end et halvt århundrede senere er applikationer som disse – præcisionsværktøjer, digital kommunikation og forsvar – fortsat blandt de vigtigste anvendelser af lasere.
Foto: Hver gang den udskriver et dokument, stimulerer laserprinteren på dit skrivebord ivrigt zillioner af atomer! Laseren i den bruges til at tegne et meget præcist billede af den side, du ønsker at udskrive, på en stor tromle, som opsamler det tændte blæk (toner) og overfører det til papiret.
Værktøj
Skæreværktøjer baseret på CO2-lasere anvendes i vid udstrækning i industrien: de er præcise, nemme at automatisere og skal i modsætning til knive aldrig slibes. Hvor stofstykker tidligere blev skåret i hånden for at fremstille f.eks. denimjeans, skæres stofferne nu af robotstyrede lasere. De er hurtigere og mere præcise end mennesker og kan skære flere tykkelser stof på én gang, hvilket forbedrer effektiviteten og produktiviteten. Den samme præcision er lige så vigtig inden for lægevidenskaben: Læger bruger rutinemæssigt lasere på deres patienters kroppe til alt fra at sprænge kræftsvulster og ætsning af blodkar til at korrigere problemer med folks syn (laserøjenkirurgi, reparation af løsrevne nethinder og behandling af grå stær involverer alle lasere).
Kommunikation
Lasere udgør fundamentet for alle former for digital teknologi i det 21. århundrede. Hver gang du fører dine indkøb gennem en stregkodescanner i en købmandsbutik, bruger du en laser til at konvertere en trykt stregkode til et tal, som kassecomputeren kan forstå. Når du ser en dvd eller lytter til en cd, preller en halvlederlaserstråle af på den roterende skive for at omdanne det trykte datamønster til tal; en computerchip omdanner disse tal til film, musik og lyd. Sammen med fiberoptiske kabler anvendes lasere i vid udstrækning i en teknologi, der kaldes fotonik – der bruger lysfotonerne til at kommunikere, f.eks. til at sende store datastrømme frem og tilbage over internettet.Facebook eksperimenterer i øjeblikket med at bruge lasere (i stedet for radiobølger) til at skabe bedre forbindelser til satellitter i rummet, hvilket kunne føre til højere datahastigheder og meget bedre internetadgang i udviklingslandene.
Foto: Er laservåben fremtiden? Dette er US Navy’s Laser Weapon System (LaWS),som blev testet om bord på USS Ponce i 2014. Der er ingen dyre kugler eller missiler med et laservåben som dette, men blot en uendelig forsyning af voldsomt rettet energi. Foto af John F. Williams med tilladelse fra US Navy.
Defense
Militæret har længe været en af de største brugere af denne teknologi, primært i laserstyrede våben og missiler.På trods af dens popularisering i film og på tv forblev den sci-fi idé om laservåben, der kan skære, dræbe eller gøre en fjende blind, fantasifuld indtil midten af 1980’erne. I 1981 gik The New York Times så langt som til at citere en “militær laserekspert”, der sagde “Det er bare fjollet. Det kræver mere energi at dræbe en enkelt mand med en laser end at ødelægge et missil.” To år senere blev langtrækkende laservåben officielt grundlaget for den amerikanske præsident Ronald Reagans kontroversielle strategiske forsvarsinitiativ (SDI), bedre kendt som “Star Wars-programmet”. Den oprindelige idé var at bruge rumbaserede røntgenlasere (blandt andre teknologier) til at ødelægge indkommende fjendtlige missiler, før de havde tid til at gøre skade, men planen blev efterhånden afblæst efter Sovjetunionens sammenbrud og afslutningen af den kolde krig.
Så har forsvarsforskere fortsat med at forvandle laserbaserede missiler fra science fiction til virkelighed. Den amerikanske flåde begyndte først at teste LaWS (Laser Weapon System)om bord på skibet USS Ponce i Den Persiske Golf i 2014. Ved hjælp af faststoflasere, der pumpes af lysdioder, blev det designet til at beskadige eller ødelægge fjendtligt udstyr billigere og mere præcist end konventionelle missiler. Testene viste sig at være vellykkede, og flåden annoncerede kontrakter om at bygge flere LaWS-systemer i 2018.I mellemtiden fortsætter udviklingen af rumlasere, selv om ingen af dem indtil videre er blevet indsat.
Foto: Forskere på Lawrence Livermore National Laboratory i Californien har udviklet verdens kraftigste laser, National Ignition Facility (NIF), til atomforskning. Den har til huse i en 10 etagers bygning med et areal på størrelse med tre fodboldbaner og bruger 192 separate laserstråler til at levere op til 500 trillioner watt (100 gange mere energi end nogen anden laser) og genererer temperaturer på op til 100 millioner grader. NIF kostede i alt 3,5 milliarder dollars og forventes at drive banebrydende nuklearforskning i de næste 30 år. Til venstre: Et af de to laserskakter i National Ignition Facility. Til højre: Sådan fungerer det: Laserstråler koncentreres på en lille brændselspille i et kammer for at frembringe intense temperaturer (som dybt inde i stjerner). Ideen er at skabe kernefusion (at få atomerne til at slå sig sammen) og frigive en enorm mængde energi. Foto: Lawrence Livermore National Laboratory.