Lasrar

Hur gör lasrar ljus?

Om du inte vill veta mer om lasrar kan du sluta läsa nu eller hoppa längre ner på sidan till typer av lasrar.I det här avsnittet går vi igenom samma punkter som i rutan ovan, lite mer detaljerat och lite mer ”teoretiskt”.

Du läser ofta i böcker att ”laser” står för ”Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Det är en komplicerad och förvirrande ordlista, men om du drar det långsamt isär är det i själva verket en mycket tydlig förklaring av hur lasrar skapar sina superstarka ljusstrålar.

Spontanemission

Låt oss börja med ”R:et” i laser: strålning.Den strålning som lasrar skapar har inget att göra med farlig radioaktivitet, det som gör att Geigerräknare klickar, och som atomer spottar ut när de smäller ihop eller faller isär. Lasrar producerar elektromagnetisk strålning, precis som vanligt ljus, radiovågor, röntgenstrålar och infraröd strålning. Den produceras visserligen fortfarande av atomer, men de producerar (”avger”) den på ett helt annat sätt, när elektroner hoppar upp och ner i atomerna. Vi kan tänka oss att elektroner i atomer sitter på energinivåer, som är lite som steg på en stege. Normalt sitter elektronerna på den lägsta möjliga nivån, som kallas atomens grundtillstånd. Om man avfyrar precis rätt mängd energi kan man förflytta en elektron uppåt, till nästa steg på ”stegen”. Detta kallas absorption och i sitt nya tillstånd säger vi att atomen är exciterad – men den är också instabil. Den återgår mycket snabbt till grundtillståndet genom att avge den absorberade energin som en foton (en ljuspartikel). Vi kallar denna process för spontan emission av strålning: atomen avger ljus (sänder ut strålning) helt av sig själv (spontant).

Foto: Alla konventionella former av ljus, från stearinljus till glödlampor och eldflugor till ficklampor, fungerar genom processen med spontan emission. I ett stearinljus exciterar förbränningen (den kemiska reaktionen mellan syre och bränsle, i det här fallet vax) atomerna och gör dem instabila. De avger ljus när de återgår till sitt ursprungliga tillstånd (grundtillstånd). Varje foton som produceras genom spontan emission inuti denna ljuslåga skiljer sig från alla andra fotoner, vilket är anledningen till att det finns en blandning av olika våglängder (och färger), vilket ger ”vitt” ljus. Fotonerna kommer ut i slumpmässiga riktningar, med vågor som inte är i takt med varandra (”ur fas”), vilket är anledningen till att ljuset från ett stearinljus är mycket svagare än laserljus.

Stimulerad emission

Normalt sett skulle ett typiskt gäng atomer ha flerelektroner i sina grundtillstånd än i sina exciterade tillstånd, vilket är en av anledningarna till att atomer inte spontant avger ljus.Men tänk om vi exciterade dessa atomer – pumpade dem fulla av energi – så att deras elektroner var i exciterade tillstånd. I det fallet skulle ”populationen” av exciterade elektroner vara större än ”populationen” i deras grundtillstånd, så det skulle finnas gott om elektroner som var redo och villiga att avge fotoner av ljus. Vi kallar denna situation för en populationsinversion, eftersom de vanliga tillstånden i atomerna byts ut (inverteras). Anta nu också att vi skulle kunna hålla våra atomer i detta tillstånd en liten stund så att de inte automatiskt hoppar tillbaka till sitt grundtillstånd (ett tillfälligt exciterat tillstånd som kallas meta-stabilt tillstånd). Då skulle vi hitta något riktigt intressant. Om vi avfyrade en foton med precis rätt energi genom vårt gäng atomer skulle vi få en av de exciterade elektronerna att hoppa tillbaka till sitt grundtillstånd och avge både den foton vi avfyrade och den foton som producerades av elektronens tillståndsförändring. Eftersom vi stimulerar atomer för att få ut strålning ur dem kallas denna process för stimulerad emission. Vi får ut två fotoner efter att ha satt in en foton, vilket i praktiken fördubblar vårt ljus och förstärker det (ökar det). Dessa två fotoner kan stimulera andra atomer att avge fler fotoner, så snart får vi en kaskad av fotoner – en kedjereaktion – som kastar ut en lysande stråle av rent, koherent laserljus. Vad vi har gjort här är att förstärka ljuset med hjälp av stimulerad emission av strålning – och det är så en laser får sitt namn.

Artwork: Hur lasrar fungerar i teorin: Vänster: Absorption: Du kan flytta en elektron (blå) från sitt grundtillstånd till ett exciterat tillstånd, vilket vanligtvis innebär att den skjuts längre bort från atomkärnan (grå). I mitten: Spontan emission: En exciterad elektron hoppar naturligt tillbaka till sitt grundtillstånd och avger ett kvantum (energipaket) som en foton (grönt vinglande). Till höger: Stimulerad emission: Avfyra en foton i närheten av ett gäng exciterade atomer och du kan utlösa en kaskad av identiska fotoner. En ljusfoton utlöser många, så vad vi har här är ljusförstärkning (mer ljus) genom stimulerad emission av (elektromagnetisk) strålning-LASER!.

Vad är det som gör laserljuset så annorlunda?

Om det är så lasrar skapar ljus, varför skapar de då en enda färg och en koherent stråle? Det kokar ner till idén att energi endast kan existera i fasta paket, som var och en kallas för ett kvant. Det är lite som pengar. Du kan bara ha pengar i multiplar av den mest grundläggande enheten i din valuta, som kan vara en cent, en penny, en rupee eller vad som helst. Du kan inte ha en tiondel av en cent eller en tjugondel av en rupie, men du kan ha 10 cent eller 20 rupier. Samma sak gäller för energi, och det är särskilt märkbart i atomer.

Likt stegen på en stege finns energinivåerna i atomer på fasta platser, med luckor mellan dem. Du kan inte sätta din fot var som helst på en stege, bara på stegen, och på exakt samma sätt kan du bara flytta elektroner i atomer mellan de fasta energinivåerna. För att få en elektron att hoppa från en lägre till en högre nivå måste man tillföra en exakt mängd (kvantum) energi, som är lika stor som skillnaden mellan de två energinivåerna. När elektroner hoppar tillbaka från sitt upphetsade till sitt grundtillstånd ger de ifrån sig samma exakta energimängd, som tar formen av en ljusfoton av en viss färg. Stimulerad emission i lasrar gör att elektronerna producerar en kaskad av identiska fotoner – identiska i energi, frekvens och våglängd – och det är därför laserljuset är monokromatiskt. De producerade fotonerna är likvärdiga med ljusvågor vars toppar och dalar ligger i linje (med andra ord är de ”i fas”) – och det är det som gör laserljuset koherent.

Typer av lasrar

Foto: Laser – som de flesta av oss känner till dem: Detta är lasern och linsen som skannar skivor i en cd- eller dvd-spelare. Den lilla cirkeln längst ner till höger är en halvledarlaserdiod, medan den större blå cirkeln är linsen som läser av ljuset från lasern efter att det studsat mot skivans blanka yta.

Då vi kan excitera många olika typer av atomer på många olika sätt kan vi (teoretiskt sett) tillverka många olika typer av lasrar.I praktiken finns det bara en handfull vanliga typer, varav de fem mest kända är fast tillstånd, gas, flytande färgämne, halvledare och fiber.

Flisor, vätskor och gaser är de tre huvudtillstånden i materien och ger oss tre olika typer av lasrar. Faststadslasrar är som de som jag illustrerade ovan. Mediet är något som en aruby-stav eller ett annat fast kristallint material, och ett blixtrör som är lindat runt det pumpar dess atomer fulla med energi. För att fungera effektivt måste det fasta materialet dopas, en process som ersätter en del av atomerna i det fasta materialet med joner av orenheter, vilket ger det precis de rätta energinivåerna för att producera laserljus med en viss, exakt frekvens. Faststodslasrar producerar högeffektiva strålar, vanligen i mycket korta pulser. Gaslasrar producerar däremot kontinuerliga ljusa strålar med hjälp av ädelgasföreningar (i så kallade excimerlasrar) eller koldioxid (CO2) som medium, som pumpas med elektricitet. CO2-lasrar är kraftfulla och effektiva och används vanligen för industriell skärning och svetsning. Lasrar med flytande färgämnen använder en lösning av organiska färgämnesmolekyler som medium och pumpas av något som liknar en båglampa, en blixtlampa eller en annan laser. Deras stora fördel är att de kan användas för att producera ett bredare band av ljusfrekvenser än fast- och gaslasrar, och de kan till och med ”trimmas” för att producera olika frekvenser.

Medan fast-, vätske- och gaslasrar tenderar att vara stora, kraftfulla och dyra är halvledarlasrar billiga, små, chipliknande enheter som används i t.ex. cd-spelare, laserskrivare och streckkodsskannrar. De fungerar som ett mellanting mellan en konventionell lysdiod (LED) och en traditionell laser. Liksom en lysdiod ger de ljus när elektroner och ”hål” (i själva verket ”felande elektroner”) hoppar runt och förenas, och som en laser genererar de sammanhängande, monokromatiskt ljus. Det är därför de ibland kallas laserdioder (eller diodlaser). Du kan läsa mer om dem i vår separata artikel om halvledarlaserdioder.

För det sista arbetar fiberlaser med sin magi inuti optiska fibrer; i själva verket blir en dopad fiberoptisk kabel det förstärkande mediet. De är kraftfulla, effektiva, tillförlitliga och gör det enkelt att leda laserljuset dit det behövs.

Vad används lasrar till?

När Theodore Maiman utvecklade den första praktiska lasern var det få personer som insåg hur viktiga dessa maskiner skulle bli i slutändan. Goldfinger, James Bond-filmen från 1964, erbjöd en lockande glimt av en framtid där industriella lasrar kunde skära sig som magi genom allt som stod i deras väg – till och med hemliga agenter! Senare samma år, när man rapporterade om tilldelningen av Nobelpriset i fysik till laserpionjären Charles Townes, antydde New York Times att ”en laserstråle skulle till exempel kunna överföra alla radio- och TV-program i världen plus flera hundra tusen telefonsamtal samtidigt”. Den används i stor utsträckning för avståndsmätning och spårning av missiler”. Över ett halvt sekel senare är tillämpningar som dessa – precisionsverktyg, digital kommunikation och försvar – fortfarande bland de viktigaste användningsområdena för laser.

Foto: Varje gång den skriver ut ett dokument stimulerar laserskrivaren på ditt skrivbord zillioner av atomer! Lasern inuti den används för att rita en mycket exakt bild av den sida du vill skriva ut på en stor trumma, som tar upp drivet bläck (toner) och överför det till pappret.

Verktyg

Skärverktyg baserade på CO2-laser används i stor utsträckning inom industrin: de är exakta, lätta att automatisera och behöver, till skillnad från knivar, aldrig vässas. Där tygstycken förr klipptes för hand för att tillverka t.ex. jeans, skärs nu tygerna av robotstyrda lasrar. De är snabbare och mer exakta än människor och kan skära flera tygtjocklekar av tyg på en gång, vilket förbättrar effektiviteten och produktiviteten. Samma precision är lika viktig inom medicinen: läkare använder rutinmässigt laser på sina patienters kroppar för allt från att spränga cancertumörer och bränna blodkärl till att korrigera problem med människors syn (laserögonkirurgi, reparation av lossnade näthinnor och kataraktbehandlingar involverar alla laser).

Kommunikation

Lasrar utgör grunden för alla typer av digital teknik under det 21:a århundradet. Varje gång du sveper dina inköp genom en streckkodsläsare i en livsmedelsbutik använder du en laser för att omvandla en utskriven streckkod till ett nummer som kassadatorn kan förstå. När du tittar på en dvd eller lyssnar på en cd-skiva studsar en halvledarlaserstråle mot den snurrande skivan för att omvandla det tryckta datamönstret till siffror, och ett datachip omvandlar dessa siffror till filmer, musik och ljud. Tillsammans med fiberoptiska kablar används laser i stor utsträckning i en teknik som kallas fotonik, där fotonljus används för att kommunicera, till exempel för att skicka stora dataströmmar fram och tillbaka över Internet.Facebook experimenterar för närvarande med att använda laser (i stället för radiovågor) för att skapa bättre anslutningar till rymdsatelliter, vilket skulle kunna leda till högre dataöverföringshastigheter och mycket bättre tillgång till Internet i utvecklingsländer.

Foto:

Foto: En av de viktigaste teknikerna för att omvandla data från en dator till en annan: Är laservapen framtiden? Detta är den amerikanska flottans laservapensystem (LaWS),som testades ombord på USS Ponce 2014. Det finns inga dyra kulor eller missiler med ett laservapen som detta, bara ett oändligt utbud av våldsamt riktad energi. Foto av John F. Williams med tillstånd av US Navy.

Defense

Militären har länge varit en av de största användarna av denna teknik, främst i laserstyrda vapen och missiler.Trots att den populariserats i filmer och på TV förblev sci-fi-idén om laservapen som kan skära, döda eller förblinda en fiende fantasifull fram till mitten av 1980-talet. År 1981 citerade New York Times en ”militär laserexpert” med följande ord: ”Det är helt enkelt löjligt. Det krävs mer energi för att döda en enda människa med en laser än för att förstöra en missil”. Två år senare blev långdistanslaservapen officiellt grunden för den amerikanske presidenten Ronald Reagans kontroversiella strategiska försvarsinitiativ (SDI), mer känt som ”Star Wars-programmet”. Den ursprungliga idén var att använda rymdbaserade röntgenlasrar (bland annan teknik) för att förstöra inkommande missiler från fienden innan de hann göra skada, men planen rann gradvis ut i sanden efter Sovjetunionens kollaps och det kalla krigets slut.

Trots detta har försvarsforskare fortsatt att förvandla laserbaserade missiler från science fiction till verklighet. Den amerikanska flottan började först testa LaWS (Laser Weapon System)ombord på fartyget USS Ponce i Persiska viken 2014. Med hjälp av halvledarlasrar som pumpas av lysdioder var systemet utformat för att skada eller förstöra fiendens utrustning billigare och mer exakt än konventionella missiler. Testerna visade sig vara framgångsrika och flottan tillkännagav kontrakt för att bygga fler LaWS-system under 2018.Under tiden fortsätter utvecklingen av rymdlasrar, även om ingen hittills har satts in.

Foto: Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien har utvecklat världens mest kraftfulla laser, National Ignition Facility (NIF), för kärnkraftsforskning. Den är inrymd i en tio våningar hög byggnad som upptar en yta lika stor som tre fotbollsplaner och använder 192 separata laserstrålar för att leverera upp till 500 biljoner watt (100 gånger mer energi än någon annan laser) och genererar temperaturer på upp till 100 miljoner grader. NIF kostade totalt 3,5 miljarder dollar och förväntas driva banbrytande kärnkraftsforskning under de kommande 30 åren. Till vänster: En av de dubbla lasersalarna vid National Ignition Facility. Till höger: Hur den fungerar: Strålar från lasern koncentreras till en liten bränslepellets i en kammare för att åstadkomma intensiva temperaturer (som de som råder djupt inne i stjärnor). Tanken är att åstadkomma en kärnfusion (att få atomer att slå sig samman) och frigöra en enorm mängd energi. Foto: Lawrence Livermore National Laboratory.