Lasers

Hoe maken lasers licht?

Als dat alles is wat u over lasers wilt weten, kunt u nu stoppen met lezen of verder naar beneden gaan naar soorten lasers. Dit gedeelte gaat over dezelfde punten uit het kader hierboven in een beetje meer detail, en een beetje meer “theoretisch.”

U zult vaak in boeken lezen dat “laser” staat voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Dat is een ingewikkelde en verwarrende mond vol, maar als je het langzaam uit elkaar trekt, is het eigenlijk een heel duidelijke uitleg van hoe lasers hun superkrachtige lichtbundels maken.

Spontane emissie

Laten we beginnen met de “R” van laser: straling.De straling die lasers maken heeft niets te maken met gevaarlijke radioactiviteit, het spul dat geigertellers doet klikken, dat atomen uitspuwen als ze samensmelten of uit elkaar vallen. Lasers maken elektromagnetische straling, net als gewoon licht, radiogolven, röntgenstraling en infrarood. Hoewel het nog steeds wordt geproduceerd door atomen, maken (“zenden”) zij het op een totaal andere manier uit, namelijk wanneer elektronen binnenin hen op en neer springen. We kunnen denken aan elektronen in atomen die op energieniveaus zitten, die een beetje lijken op sporten op een ladder. Normaal zitten de elektronen op het laagst mogelijke niveau, dat de grondtoestand van het atoom wordt genoemd. Als je er precies de juiste hoeveelheid energie instopt, kun je een elektron een niveau hoger zetten, op de volgende sport van de “ladder”. Dat heet absorptie en in zijn nieuwe toestand zeggen we dat het atoom opgewonden is, maar het is ook onstabiel. Het keert heel snel terug naar de grondtoestand door de geabsorbeerde energie af te geven in de vorm van een foton (lichtdeeltje). Dit proces noemen we spontane emissie van straling: het atoom geeft uit zichzelf (spontaan) licht af (zendt straling uit).

Photo: Van kaarsen tot gloeilampen en van vuurvliegjes tot zaklantaarns, alle conventionele vormen van licht werken via het proces van spontane emissie. In een kaars wekt verbranding (de chemische reactie tussen zuurstof en brandstof, in dit geval was) atomen op en maakt ze onstabiel. Zij geven licht af wanneer zij terugkeren naar hun oorspronkelijke (grond)toestand. Elk foton dat door spontane emissie in deze kaarsvlam wordt geproduceerd, is anders dan alle andere fotonen, en daarom is er een mengsel van verschillende golflengten (en kleuren), waardoor “wit” licht ontstaat. De fotonen ontstaan in willekeurige richtingen, met golven die uit de pas lopen met elkaar (“uit fase”), en daarom is kaarslicht veel zwakker dan laserlicht.

Gestimuleerde emissie

Normaal gesproken zou een typische groep atomen meer elektronen in hun grondtoestand hebben dan in hun aangeslagen toestand, wat een van de redenen is waarom atomen niet spontaan licht afgeven.Maar wat als we die atomen zouden aanwakkeren – ze vol zouden pompen met energie – zodat hun elektronen in aangeslagen toestand zouden zijn. In dat geval zou de “populatie” van aangeslagen elektronen groter zijn dan de “populatie” in hun grondtoestanden, zodat er genoeg elektronen zouden zijn die bereid zijn om fotonen van licht te maken. We noemen deze situatie een populatie-inversie, omdat de gebruikelijke toestand in de atomen wordt omgewisseld (omgekeerd). Stel nu eens dat we onze atomen een tijdje in deze toestand kunnen houden, zodat ze niet automatisch terugspringen naar hun grondtoestand (een tijdelijk aangeslagen toestand die bekend staat als een metastabiele toestand). Dan zouden we iets heel interessants vinden. Als we een foton met precies de juiste energie door onze groep atomen zouden schieten, zou een van de aangeslagen elektronen terugspringen naar zijn grondtoestand, waarbij zowel het foton dat we afvuurden als het foton dat geproduceerd werd door de toestandsverandering van het elektron vrijkomt. Omdat we atomen stimuleren om er straling uit te halen, noemen we dit proces gestimuleerde emissie. We krijgen twee fotonen nadat we één foton hebben afgevuurd, waardoor we ons licht verdubbelen en versterken (vermeerderen). Deze twee fotonen kunnen andere atomen stimuleren om meer fotonen af te geven, dus al snel krijgen we een cascade van fotonen – een kettingreactie – die een briljante straal van zuiver, coherent laserlicht uitstraalt. Wat we hier hebben gedaan is licht versterken met behulp van gestimuleerde emissie van straling, en dat is hoe een laser aan zijn naam komt.

Artwork: Hoe lasers in theorie werken: Links: Absorptie: Vuur energie (groen) in een atoom en je kunt een elektron (blauw) van zijn grondtoestand naar een aangeslagen toestand verschuiven, wat meestal betekent dat het verder van de kern (grijs) wordt geduwd. Midden: Spontane emissie: Een aangeslagen elektron springt op natuurlijke wijze terug naar zijn grondtoestand, waarbij het een quantum (pakketje energie) afgeeft in de vorm van een foton (groene wiebel). Rechts: Gestimuleerde emissie: Vuur een foton af in de buurt van een groep aangeslagen atomen en je kunt een cascade van identieke fotonen veroorzaken. Eén foton licht brengt er vele op gang, dus wat we hier hebben is lichtversterking (meer licht maken) door gestimuleerde emissie van (elektromagnetische) straling-LASER!

Wat maakt laserlicht zo anders?

Als lasers zo licht maken, waarom maken ze dan één kleur en een coherente straal? Het komt neer op het idee dat energie alleen kan bestaan in vaste pakketjes, die elk een kwantum worden genoemd. Het is een beetje als geld. Je kunt geld alleen hebben in veelvouden van de basiseenheid van je munteenheid, wat een cent, stuiver, roepie, of wat dan ook kan zijn. Je kunt geen tiende van een cent of een twintigste van een roepie hebben, maar je kunt wel 10 cent of 20 roepies hebben. Hetzelfde geldt voor energie, en het is vooral merkbaar binnen atomen.

Net als de sporten op een ladder, bevinden de energieniveaus in atomen zich op vaste plaatsen, met gaten ertussen. Je kunt je voet niet overal op een ladder zetten, alleen op de sporten; en op precies dezelfde manier kun je elektronen in atomen alleen verplaatsen tussen de vaste energieniveaus. Om een elektron van een lager naar een hoger niveau te laten springen, moet je een precieze hoeveelheid (quantum) energie toevoeren, gelijk aan het verschil tussen de twee energieniveaus. Wanneer elektronen terugspringen van hun aangeslagen toestand naar hun grondtoestand, geven ze dezelfde, precieze hoeveelheid energie af, die de vorm aanneemt van een foton licht van een bepaalde kleur. Gestimuleerde emissie in lasers laat elektronen een cascade van identieke fotonen produceren – identiek in energie, frequentie, golflengte – en dat is de reden waarom laserlicht monochromatisch is. De geproduceerde fotonen zijn equivalent aan lichtgolven waarvan de toppen en dalen op één lijn liggen (met andere woorden, ze zijn “in fase”)-en dat is wat laserlicht coherent maakt.

Soorten lasers

Photo: Lasers, zoals de meesten van ons ze kennen: Dit is de laser en de lens waarmee schijfjes in een CD- of DVD-speler worden gescand. De kleine cirkel rechtsonder is een halfgeleiderlaserdiode, terwijl de grotere blauwe cirkel de lens is die het licht van de laser leest nadat het op het glanzende oppervlak van de schijf is teruggekaatst.

Omdat we veel verschillende soorten atomen op veel verschillende manieren kunnen exciteren, kunnen we (theoretisch) veel verschillende soorten lasers maken.In de praktijk zijn er slechts een handvol gangbare soorten, waarvan de vijf bekendste zijn: vaste stof, gas, vloeibare kleurstof, halfgeleider en vezel.

Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen zijn de drie belangrijkste toestanden van de materie en geven ons drie verschillende soorten lasers. Lasers in vaste toestand zijn zoals die ik hierboven heb geïllustreerd. Het medium is zoiets als een robijnstaaf of ander vast kristallijn materiaal, en een flitsbuis die er omheen gewikkeld is pompt de atomen vol energie. Om effectief te werken, moet de vaste stof gedoteerd worden, een proces dat sommige atomen van de vaste stof vervangt door ionen van onzuiverheden, waardoor het precies de juiste energieniveaus krijgt om laserlicht van een bepaalde, precisiefrequentie te produceren. Lasers met vaste stoffen produceren bundels met een hoog vermogen, gewoonlijk in zeer korte pulsen. Gaslasers daarentegen produceren continue heldere stralen met verbindingen van edelgassen (in zogenaamde excimer-lasers) of koolstofdioxide (CO2) als hun medium, opgepompt door elektriciteit. CO2-lasers zijn krachtig en efficiënt en worden meestal gebruikt bij industrieel snijden en lassen. Vloeibare kleurstoflasers gebruiken een oplossing van organische kleurstofmoleculen als medium, opgepompt door iets als een booglamp, een flitslamp, of een andere laser. Hun grote voordeel is dat zij kunnen worden gebruikt om een bredere band van lichtfrequenties te produceren dan lasers in vaste toestand en gaslasers, en zij kunnen zelfs worden “afgestemd” om verschillende frequenties te produceren.

Terwijl lasers in vaste, vloeibare en gasvormige toestand de neiging hebben groot, krachtig en duur te zijn, zijn halfgeleiderlasers goedkope, kleine, chip-achtige apparaten die worden gebruikt in zaken als CD-spelers, laserprinters en barcodescanners. Zij werken als een kruising tussen een conventionele Light-emitting diode (LED) en een traditionele laser. Net als een LED maken zij licht wanneer elektronen en “gaten” (in feite “ontbrekende elektronen”) rondspringen en zich verenigen; net als een laser genereren zij coherent, monochromatisch licht. Daarom worden ze soms laserdiodes (of diodelasers) genoemd. U kunt er meer over lezen in ons aparte artikel over halfgeleiderlaserdiodes.

Fiberlasers tenslotte verrichten hun werk binnen optische vezels; in feite wordt een gedoteerde glasvezelkabel het versterkende medium. Ze zijn krachtig, efficiënt, betrouwbaar, en maken het gemakkelijk om laserlicht overal naartoe te leiden.

Waarvoor worden lasers gebruikt?

Toen Theodore Maiman de eerste praktijklaser ontwikkelde, realiseerden weinig mensen zich hoe belangrijk deze machines uiteindelijk zouden worden. Goldfinger, de James Bond-film uit 1964, bood een verleidelijke glimp van een toekomst waarin industriële lasers als bij toverslag door alles zouden snijden wat op hun pad kwam – zelfs door geheim agenten! Later datzelfde jaar, toen in The New York Times verslag werd gedaan van de toekenning van de Nobelprijs voor natuurkunde aan laserpionier Charles Townes, werd gesuggereerd dat “een laserstraal bijvoorbeeld alle radio- en televisieprogramma’s ter wereld en enkele honderdduizenden telefoongesprekken tegelijk zou kunnen doorvoeren. Het wordt uitgebreid gebruikt voor het bepalen van afstanden en het opsporen van raketten.” Meer dan een halve eeuw later behoren dergelijke toepassingen – precisie-instrumenten, digitale communicatie en defensie – nog steeds tot de belangrijkste toepassingen van lasers.

Foto: Telkens als er een document wordt afgedrukt, stimuleert de laserprinter op uw bureau ziljoenen atomen! De laser in de printer wordt gebruikt om een zeer nauwkeurig beeld van de pagina die u wilt afdrukken op een grote trommel te tekenen, die aangedreven inkt (toner) opneemt en op papier overbrengt.

Gereedschap

Snijgereedschap op basis van CO2-lasers wordt veel gebruikt in de industrie: het is nauwkeurig, gemakkelijk te automatiseren en hoeft, in tegenstelling tot messen, nooit te worden geslepen. Waar vroeger stukken stof met de hand werden gesneden om er bijvoorbeeld spijkerbroeken van te maken, worden stoffen nu gesneden door robotgestuurde lasers. Ze zijn sneller en nauwkeuriger dan mensen en kunnen meerdere diktes stof tegelijk snijden, wat de efficiëntie en productiviteit ten goede komt. Dezelfde precisie is ook belangrijk in de geneeskunde: artsen gebruiken regelmatig lasers op het lichaam van hun patiënten, voor alles van het vernietigen van kankertumoren en het dichtschroeien van bloedvaten tot het corrigeren van problemen met het gezichtsvermogen (bij ooglaseren, het repareren van losgeraakte netvliezen en staarbehandelingen wordt gebruik gemaakt van lasers)

Communications

Lasers vormen het fundament van allerlei 21e-eeuwse digitale technologie. Telkens wanneer u uw boodschappen door een barcodescanner van een kruidenierswinkel haalt, gebruikt u een laser om een afgedrukte barcode om te zetten in een nummer dat de computer van de kassa kan begrijpen. Wanneer u een DVD bekijkt of een CD beluistert, weerkaatst een halfgeleiderlaserstraal op de draaiende schijf om het gedrukte gegevenspatroon om te zetten in getallen; een computerchip zet deze getallen om in films, muziek en geluid. Samen met glasvezelkabels worden lasers op grote schaal gebruikt in een technologie die fotonica wordt genoemd – waarbij fotonen van licht worden gebruikt om te communiceren, bijvoorbeeld om grote datastromen heen en weer te sturen over het internet. Facebook experimenteert momenteel met het gebruik van lasers (in plaats van radiogolven) om betere verbindingen te maken met ruimtesatellieten, wat zou kunnen leiden tot hogere datasnelheden en veel betere internettoegang in ontwikkelingslanden.

foto: Zijn laserwapens de toekomst? Dit is het Laser Weapon System (LaWS) van de Amerikaanse marine, dat in 2014 werd getest aan boord van de USS Ponce. Er zijn geen dure kogels of raketten met zo’n laserkanon, alleen een eindeloze voorraad fel gerichte energie. Foto door John F. Williams met dank aan US Navy.

Defense

Het leger is al lang een van de grootste gebruikers van deze technologie, voornamelijk in lasergeleide wapens en raketten.Ondanks de popularisering in films en op tv, bleef het sci-fi idee van laserwapens die een vijand kunnen snijden, doden of verblinden, fantasierijk tot het midden van de jaren tachtig. In 1981 citeerde The New York Times een “militaire laser expert” die zei: “Het is gewoon dwaas. Het kost meer energie om een enkele man te doden met een laser dan om een raket te vernietigen.” Twee jaar later werden langeafstandslaserwapens officieel het fundament van het controversiële Strategisch Defensie Initiatief (SDI) van de Amerikaanse president Ronald Reagan, beter bekend als het “Star Wars programma”. Het oorspronkelijke idee was om in de ruimte gestationeerde röntgenlasers (naast andere technologieën) te gebruiken om inkomende vijandelijke raketten te vernietigen voordat ze de tijd hadden om schade aan te richten, hoewel het plan geleidelijk in rook opging na de ineenstorting van de Sovjet-Unie en het einde van de Koude Oorlog.

Desondanks zijn defensiewetenschappers doorgegaan met het transformeren van op laser gebaseerde raketten van science fiction naar realiteit. De Amerikaanse marine begon in 2014 voor het eerst met het testen van LaWS (Laser Weapon System) aan boord van het schip USS Ponce in de Perzische Golf. Het systeem maakt gebruik van lasers in vaste vorm die worden opgepompt door LED’s, en is ontworpen om vijandelijk materieel goedkoper en preciezer te beschadigen of te vernietigen dan conventionele raketten. De tests bleken succesvol en de marine kondigde contracten aan om in 2018 meer LaWS-systemen te bouwen.Ondertussen gaat de ontwikkeling van ruimtelasers door, hoewel er tot nu toe nog geen zijn ingezet.

Foto: Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië hebben ’s werelds krachtigste laser, de National Ignition Facility (NIF), ontwikkeld voor nucleair onderzoek. Gehuisvest in een 10 verdiepingen hoog gebouw dat een oppervlakte beslaat zo groot als drie voetbalvelden, maakt het gebruik van 192 afzonderlijke laserstralen om tot 500 triljoen watt vermogen te leveren (100 keer meer energie dan elke andere laser), waarbij temperaturen tot 100 miljoen graden worden gegenereerd. NIF kostte in totaal 3,5 miljard dollar en zal naar verwachting de komende 30 jaar geavanceerd nucleair onderzoek mogelijk maken. Links: Een van de twee laserbaaien van de National Ignition Facility. Rechts: Hoe het werkt: Stralen van de laser worden geconcentreerd op een klein bolletje brandstof in een kamer om intense temperaturen te produceren (zoals die diep binnenin sterren). Het idee is om kernfusie te produceren (atomen laten samensmelten) en een enorme hoeveelheid energie vrij te maken. Foto credit: Lawrence Livermore National Laboratory.