laser

Verificeret
Artiklens indhold er godkendt af redaktionen.

Laser. Øverst: Laserdiode i forgyldt metalhus med lyslederfiber samt diverse elektriske forbindelsesben. Laserdioder anvendes især til telekommunikation og produceres i Danmark af firmaet Giga A/S. Metalhuset er ca. 30 mm langt. Næstøverst: Indvendig i metalhuset leder to tynde guldtråde med en diameter på 0,025 mm strømmen til selve laserdioden. Den er fremstillet af et krystallinsk halvledermateriale, i dette tilfælde indiumfosfid. Laserdioden er anbragt på en varmeledende, keramisk klods (sort) med en bredde på 0,8 mm. Næstnederst: I det krystallinske indiumfosfidmateriale er der fremstillet en såkaldt bølgeleder (0,002 mm bred), hvor lyset dannes og udbreder sig inde i krystallen, når der sendes strøm igennem dioden. De to blålige lag er n-lag og de to rødlige p-lag. Lyset forlader laserdioden vinkelret på den mørkegrå flade (bølgelederen), som pilen peger på. Nederst: Kraftigt forstørret billede af den med rødt indrammede flade i figuren ovenfor. Bølgelederen (enden af den ses som en lav firkant midt i billedet) er opbygget af mange, meget tynde lag, der danner såkaldte kvantebrønde med elektroner i præcise energitilstande. Herved muliggøres en meget effektiv dannelse af laserlys. I dette tilfælde er der syv kvantebrønde med en indbyrdes afstand på ca. 0,2 mm. De ses som små vandrette linjer på billedet, som er taget med et elektronmikroskop.

laser, klasse af lysgivere, hvor lysudsendelsen sker gennem et kollektivt samspil mellem et stort antal atomare partikler (molekyler, atomer, ioner eller elektroner), i modsætning til konventionelle lysgivere, hvor hver partikel udsender lys uafhængigt af de øvrige.

Laserlysets rumlige og tidslige karakter er bestemt af laserens tekniske udformning. Lyset kan formes til et næsten parallelt strålebundt, der kan anvendes til overførsel af energi eller information over lange afstande. Strålens energi kan samles i en plet på størrelse med lysets bølgelængde, hvorved der skabes en så stor energitæthed, at lyset kan anvendes til at skære i metal. Lyset kan udsendes kontinuert eller som pulser med en varighed ned til nogle få femtosekunder (10-15 s), der kan anvendes til studiet af ultrahurtige fænomener. Den første laser, der blev konstrueret i 1960, udsendte rødt lys, men laserprincippet kan realiseres over et bølgelængdeområde, der rækker fra mikrobølger til røntgenstråling.

Ordet laser er et akronym for Light amplification by Stimulated emission of Radiation.

Laserens historie

Laseren er et produkt af såvel elektroteknikken som atomfysikken.

Elektroteknik og atomfysik

Et afgørende elektroteknisk gennembrud kom i begyndelsen af 1900-t. med opfindelsen af elektronrøret, der muliggjorde kohærent forstærkning af elektromagnetiske bølger, dvs. forstærkning, hvorunder signalets faseinformation er bevaret. Op gennem første halvdel af 1900-t. bredte udnyttelsen af elektromagnetiske bølger til radio og tv sig mod stadig kortere bølgelængder og højere frekvenser, og med udviklingen af radar under og efter 2. Verdenskrig nåede man ned til bølgelængder på under 1 cm. Her nærmede man sig imidlertid en principiel grænse for, hvad der var muligt med elektronrør, og kohærent forstærkning af lys med 10.000 gange kortere bølgelængder lå helt uden for elektroteknikeres forestillingsverden.

Parallelt med og uafhængigt af den elektrotekniske udvikling forløb udviklingen inden for atomfysikken. Niels Bohr viste i 1913, at atomer kun kan eksistere i stationære tilstande karakteriseret ved bestemte energier. Et atom, der befinder sig i en højtliggende energitilstand med energien E2, kan spontant overgå til en lavere tilstand med energi E1, og den energi, der herved bliver frigjort, udsendes som lys ved spontan emission. Lysets frekvens afhænger af energiforskellen, og det udsendes på et tilfældigt tidspunkt og i en tilfældig retning. Omvendt kan et atom, der befinder sig i tilstanden E1, blive sendt op i tilstanden E2 ved absorption af lys med samme frekvens. I 1917 viste Albert Einstein, at hvis Bohrs teori skulle undgå at føre til en konflikt med den klassiske termodynamik, måtte der findes en tredje proces: Et atom, der befinder sig i den energirige tilstand E2, vil, hvis det udsættes for lys med den rigtige frekvens, stimuleres til at overgå til E1, før det når at henfalde ved spontan emission. Den frigjorte energi udsendes da som lys, der har samme fase og udbredelsesretning som det lys, der stimulerede overgangen. Denne proces, der kaldes stimuleret emission, er derfor en mekanisme til kohærent forstærkning af et lyssignal.

Laser. Ordet excimerlaser indgraveret i et menneskehår med en diameter på 0,1 mm vha. fokuseret ultraviolet stråling fra en excimerlaser. Billedet er taget med elektronmikroskop og er stillet til rådighed af Lambda Physik.

Maseren og den første laser

Forbindelsen mellem den elektrotekniske og den atomfysiske udvikling blev skabt i 1950'erne af den amerikanske fysiker C.H. Townes og uafhængigt heraf af de to sovjetiske fysikere N.G. Basov og A. Prokhorov. Under sit arbejde med at generere mikrobølger med bølgelængder på under 1 mm fik Townes den idé at benytte stimuleret emission fra ammoniakmolekyler til forstærkning. Det førte i 1954 til ammoniakmaseren (maser: fork.f. eng. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Selvom denne første udnyttelse af et atomart system til kohærent forstærkning skete i mikrobølgeområdet, indså Townes, at der intet principielt var til hinder for at benytte samme idé i det optiske område, og sammen med A.L. Schawlow opstillede han i 1958 betingelsesligningerne for en optisk maser, dvs. en lyskilde, der bygger på samme princip som ammoniakmaseren, men som udsender synligt lys. Hermed var startskuddet givet til et intenst kapløb om som den første at bringe idéen til udførelse. Det blev vundet af T.H. Maiman, der den 15. maj 1960 kunne frembringe en tynd stråle af intenst rødt lys fra en rubinkrystal. Maiman ville publicere i det ansete amerikanske tidsskrift Physical Review Letters, hvis redaktion imidlertid ikke havde øje for det epokegørende i hans resultater. Den afviste hans manuskript, som i stedet blev offentliggjort i det britiske Nature den 6. august 1960.

Townes, Basov og Prokhorov delte nobelprisen i fysik i 1964, mens Schawlow fik den i 1981. Maiman modtog aldrig denne hædersbevisning, og amerikaneren Gordon Gould (f. 1920), der i 1957 udtog patent på en gaslaser, måtte gennem 30 års retssager, før hans bidrag til laserens udvikling blev anerkendt.

Den videre udvikling

I den første periode benyttedes betegnelsen optisk maser, men navnet laser brugtes første gang i 1961 og vandt hævd i løbet af få år. Der er nu udviklet en lang række forskellige lasertyper med vidt forskellige egenskaber, og den lyseffekt, der kan genereres, er vokset dramatisk. Mens laseren i det første tiår ofte blev karakteriseret som "en løsning, der savner et problem", har den nu fundet anvendelse på områder, der rækker fra stregkodelæsere i supermarkeder over cd-afspillere til svejserobotter på skibsværfter.

Laseren har medvirket til at ændre vort verdensbillede. I 1970 lykkedes det at fremstille en halvlederlaser, der arbejder kontinuert ved stuetemperatur. Den kunne masseproduceres og blev en afgørende forudsætning for optisk kommunikation og dermed for informationssamfundet. Derimod har visionerne om laserens muligheder i militær sammenhæng vist sig urealistiske, idet grundlæggende fysiske principper altid har stået i vejen for idéer om laseren som det ultimative dødsstrålevåben.

Ved epitaksi kan man i faste stoffer opbygge strukturer, hvor antallet af dimensioner, i hvilke ladningsbærere kan bevæge sig, er begrænset til to (kvantebrønde), én (kvantetråde) eller nul (kvantepunkter). Et kvantepunkt er en faststoffysisk analogi til et enkelt atom, men hvor atomet har sine naturgivne energitilstande, der bestemmer bølgelængden af det lys, de kan udsende, kan kvantepunktets energitilstande kontrolleres gennem valg af materialer og geometri. Kvantebrøndslaseren indgår i masseproducerede forbrugsvarer som cd-afspillere, mens kvantepunktlaseren er under modning til industrielle anvendelser.

Laserens opbygning

Grundelementet i en laser er et aktivt medium, der ved stimuleret emission mellem to energiniveauer — det øvre og det nedre laserniveau — kan forstærke stråling inden for et bestemt bølgelængdeområde. Det aktive medium anbringes i en optisk resonator, der normalt består af to spejle anbragt over for hinanden. På denne måde kan den forstærkede stråling passere mange gange frem og tilbage, således at intensiteten vokser til et niveau, hvor næsten alle atomer afleverer deres energi til lyset ved stimuleret emission. Det ene spejl tillader en lille del af strålingen at passere, således at lys kan kobles ud af laseren.

Forudsætningen for at få forstærkning ved stimuleret emission er, at der er omvendt population, dvs. at der er flest partikler i det øvre niveau. Et system, der overlades til sig selv, vil imidlertid komme i termodynamisk ligevægt med omgivelserne, og dets partikler vil fortrinsvis befinde sig i de laveste energiniveauer. Omvendt population er derfor betinget af, at atomerne af en ydre energikilde pumpes op i det øvre niveau. Denne pumpning kan ske ved en række forskellige mekanismer.

I kontinuert virkende lasere etableres en stationær tilstand, hvor der hele tiden er balance mellem det antal partikler, der tilføres det øvre laserniveau ved pumpning, og det antal, der forlader det på grund af stimuleret emission. Hvis man blokerer for laservirkningen, mens der pumpes, kan der opbygges en meget stor omvendt population, der udløses i form af en intens, kortvarig laserimpuls, når blokeringen ophæves. Denne teknik, der kaldes Q-switching, kan realiseres passivt ved i resonatoren at indsætte en celle med et materiale, der er absorberende, indtil strålingsintensiteten har nået et vist niveau, men derefter bliver transparent; eller den kan realiseres aktivt ved at indsætte en modulator, der lukker for transmission af lys, når den påtrykkes en elektrisk spænding. Den optiske lukker giver mulighed for at forme endnu kortere pulser ved en teknik, der kaldes mode-locking. Hvis den åbnes og lukkes i en takt, der netop svarer til den tid, det tager lyset at gennemløbe resonatoren, tvinger man lysenergien til at løbe som en samlet pakke, hvis udstrækning bliver kortere og kortere, og hvis intensitet bliver kraftigere og kraftigere. Mode-locking og Q-switching er uafhængige principper, og de korteste og mest intense laserpulser opnås, når de to metoder anvendes samtidig.

Klassifikation af lasere

Klassifikation af lasere kan enten tage udgangspunkt i den måde, strålingen genereres på, eller i egenskaberne af den udsendte stråling. Efter tilstandsformen af det aktive medium skelner man mellem gaslasere, væskelasere og faststoflasere, og baseret på pumpemekanismen kan lasere betegnes som elektrisk pumpede, hvor den omvendte population etableres ved at sende en elektrisk strøm gennem det aktive medium; optisk pumpede, hvor pumpningen sker ved absorption af hvidt lys fra en blitzlampe eller af stråling fra en anden laser; gasdynamiske lasere, hvor der skabes omvendt population i en gas, der ekspanderer med overlydshastighed gennem en dyse; og kemiske lasere, hvor molekylerne fødes i det øvre laserniveau, når de dannes i en kemisk reaktion.

Lasertyper og deres bølgelængde
  bølgelængde i µm område type
argonfluorid 0,193 uv excimer
kryptonklorid 0,222 uv excimer
kryptonfluorid 0,248 uv excimer
xenonklorid 0,308 uv excimer
helium-cadmium 0,325 uv metalion
xenonfluorid 0,351 uv excimer
nitrogen 0,337 uv molekylær
helium-cadmium 0,442 violet metalion
kumarin 0,450-0,470 blå farvestof
krypton 0,476 blå ædelgas ion
argon 0,488 blå ædelgas ion
ZnCdSe kvantebrønd 0,490 blå halvleder
ZnCdSe kvantebrønd 0,510 grøn halvleder
argon 0,514 grøn ædelgas ion
krypton 0,528 grøn ædelgas ion
fluorescein 0,530-0,560 grøn farvestof
helium-neon 0,543 grøn neutralt atom
krypton 0,568 gul ædelgas ion
kobber 0,570 gul metaldamp
rhodamin 0,570-0,650 gul-rød farvestof
helium-neon 0,594 gul neutralt atom
helium-neon 0,610 orange neutralt atom
guld 0,627 rød metaldamp
helium-neon 0,633 rød neutralt atom
krypton 0,647 rød ædelgas ion
rubin (Cr:AlO3) 0,694 rød faststof
galliumarsenid (GaAs) 0,63-0,97 rød-nir halvleder
alexandrit (Cr:BeAl2O4) 0,70-0,82 nir faststof
titanium-safir (Ti:Al2O3) 0,7-1,1 nir faststof
InGaAsP 1,0-1,6 nir halvleder
neodymium-yag (Nd:YAG) 1,064 nir faststof
helium-neon 1,152 nir neutralt atom
neodymium-yag (Nd:YAG) 1,33 nir faststof
farvecenter (NaCl) 1,4-1,8 nir faststof
erbium 1,50 nir fiber
Co:MgF2 1,51-2,45 nir faststof
InGaAsP 1,53 nir halvleder
farvecenter (KCl) 2,3-3,3 mir faststof
hydrogenfluorid 2,7-3,2 mir kemisk
helium-neon 3,39 mir neutralt atom
deuteriumfluorid 3,6-4,0 mir kemisk
kvantekaskade 4-11 mir halvleder
bly-tin-tellurid 4-25 mir halvleder
kulmonoxid 5-8 mir molekylær
kuldioxid 9,2-10,8 mir molekylær
dinitrogenoxid 10-11 mir molekylær
methanol 30-1220 fir molekylær
methylfluorid 496 fir molekylær
uv står for ultraviolet
nir står for nær-infrarødt
mir står for midt-infrarødt
fir står for fjern-infrarødt

Tager man i stedet udgangspunkt i egenskaberne for den stråling, der udsendes fra laseren, skelner man mellem kontinuerte og pulsede lasere samt mellem fastfrekvens- og tunbare lasere. Endelig kan man klassificere laseren efter bølgelængdeområdet som infrarød, synlig eller ultraviolet.

Gaslasere

Den første gaslaser, der anvendte en blanding af helium og neon pumpet af en elektrisk udladning, blev udviklet ved Bell Laboratories i USA af A. Javan i 1960.

Helium-neon-laser

Laservirkningen sker mellem elektroniske niveauer i neonatomet, og den første helium-neon-laser, der samtidig var den første kontinuert virkende laser, udsendte infrarødt lys med bølgelængden 1,1523 μm. Siden er der opnået laservirkning med effekter i området 1-100 mW på yderligere et antal infrarøde bølgelængder samt for rødt, gult, orange og grønt lys. Den røde laser med bølgelængden 0,6328 μm er stadig den mest udbredte gaslaser.

Kuldioxidlaser

I 1964 rapporterede Kumar Patel (f. 1938), ligeledes fra Bell Laboratories, om laservirkning ved bølgelængden 10,6 μm mellem vibrationsniveauer i en gas af kuldioxidmolekyler, og allerede året efter nåede han en kontinuert effekt på 200 W. Hvis en sådan laserstråle fokuseres på en overflade, kan der skabes temperaturer på mange tusinde grader, og hermed var der åbnet for anvendelser af lasere til materialebearbejdning.

I den gasdynamiske kuldioxidlaser skabes den omvendte population ved ekspansion gennem en dyse af varm gas fra forbrænding af kulmonoxid i luft. Gassen strømmer herefter på tværs af resonatoren med så stor hastighed, at molekylerne er ude af det aktive område, så snart de har bidraget til laserprocessen. Herved kan man opnå kontinuerte effekter på op til 50 kW, der er i stand til at gennemskære stålplader med en tykkelse på flere cm.

TEA-kuldioxidlaseren (Transversalt-Exciteret-Atmosfærisk) arbejder ved et tryk på ca. 1 atm. Udladningen etableres i korte impulser mellem specielt formede elektroder på tværs af resonatoren, og strålingen udsendes som impulser med en typisk varighed på 1 μs og en spidseffekt på 10 MW. Andre molekylære gaslasere er baseret på kulmonoxid eller dinitrogenoxid.

FIR-lasere

FIR-lasere (fjern-infrarøde, CH3OH, CH3F). Meget langbølget laserstråling kan genereres ved at udnytte overgange mellem molekylers rotationstilstande. Ved at pumpe en gas af fx methanol med en kuldioxidlaser kan der skabes omvendt population mellem rotationstilstande i en exciteret vibrationstilstand, og det er derved muligt at generere bølgelængder i det fjern-infrarøde område mellem ca. 30 μm og 1,2 mm.

Ionlaser

Ionlaser (argon, krypton). En væsentlig forøgelse af optisk effekt i det synlige område opnåedes i 1964. Ved at sende en kraftig strøm gennem et udladningsrør med argon eller krypton kan man ved en totrinsproces dels ionisere atomerne, dels pumpe ionerne til højtliggende energiniveauer. Herved genereres kontinuert laserstråling på et antal bølgelængder i det ultraviolette eller blågrønne og røde område med effekter op til 10 W.

Laser. Skematisk tegning af gaslaser.

Laser. Skematisk tegning af gaslaser.

Excimerlaser

Excimerlaser (excited dimer, argonfluorid, kryptonfluorid, xenonklorid). Ædelgasser har i grundtilstanden ingen tilbøjelighed til at binde sig til andre atomer. Det gælder imidlertid ikke, hvis en af atomets elektroner er exciteret til et højtliggende niveau. For et molekyle sammensat af fx et xenonatom og et fluoratom gælder det derfor, at det kan eksistere, så længe det er i den exciterede tilstand, men øjeblikkeligt dissocierer, når det falder ned i grundtilstanden. Excimerlaseren pumpes ved at skyde pulser af accelererede elektroner ind i en blanding af de to gasser, der skal kombineres. Overgangene ligger i det ultraviolette område mellem 0,190 μm og 0,351 μm, og i relation til laservirkning har et sådant system den store fordel, at det nedre laserniveau altid er ubesat, hvilket giver mulighed for at opnå høje effekter.

Kemiske lasere

Et karakteristisk aspekt ved de ovenfor omtalte lasere er, at pumpningen kræver tilførsel af elektrisk energi. Specielt i forbindelse med militær anvendelse er nødvendigheden af elektricitet en ulempe, og der har derfor været arbejdet intenst med udvikling af lasere, hvor energien til pumpningen er til stede som kemisk energi. Ved at blande hydrogen og fluor dannes hydrogenfluorid med frigivelse af store energimængder, og en stor del af molekylerne vil derfor dannes i exciterede vibrationstilstande. Laseren udsender stråling i det infrarøde område omkring 3 μm, og der er mulighed for at opnå meget høje kontinuerte effekter på over 100 kW.

Væskelasere

Farvestoflasere (kumarin, rhodamin, fluorescein). For alle gaslasere med undtagelse af excimerlaseren gælder det, at energiniveauerne er skarpe, og at laservirkning derfor kun er mulig på faste frekvenser. Farvestoffer har et meget stort antal tætliggende energiniveauer, og ved opløsning i en transparent væske som fx alkohol får man et medium, der er i stand til at forstærke over et bredt bølgelængdeområde i det synlige område. Pumpningen sker optisk, som regel med lys fra en gaslaser med højere frekvens (ion- eller excimerlaser), og udvælgelsen af emissionsbølgelængden sker ved at erstatte det ene spejl i den optiske resonator med et diffraktionsgitter (se gitter) eller et prisme, hvis orientering bestemmer, hvilken bølgelængde der kastes tilbage mod det andet spejl.

Faststoflasere

Den første laser var en faststoflaser med chromioner indlejret i en krystal af aluminiumoxid (rubin) som aktivt medium.

Laser. Svejsning af 12 mm stålplade med to kuldioxidlasere, der kan levere hhv. 17 og 10 kW kontinuert effekt. Her ses de optiske moduler, der koncentrerer effekten inden for et område med en diameter på 0,7 mm.

Rubinlaser

Den blev pumpet optisk af hvidt lys fra en blitzlampe, der var snoet som en spiral omkring rubinstangen, og den optiske resonator blev dannet af stangens endeflader, der var planparallelle og belagt med sølv for at give høj refleksion.

Neodymiumlaser

Skønt rubinlaseren stadig anvendes til specielle formål, er den langt overskygget af neodymiumlaseren, hvor det aktive medium er neodymiumioner, der er indlejret i en matrix af glas eller af mineralet yttrium-aluminium-granat (YAG). I lighed med rubinlaseren pumpes den optisk, og den kan give en kontinuert effekt på op til 10 W ved bølgelængden 1,06 μm. Ved Q-switching kan en neodymiumlaser frembringe pulser med spidseffekt op til 109 W, og pulslængden kan ved mode-locking komme ned på ca. 10-13 s.

Fiberlasere

Fiberlasere bygger på samme princip, men de ioner, der udgør det forstærkende medium, er her indlejret i en optisk fiber. De reflekterende elementer, der afgrænser den optiske resonator, dannes ved at indskrive diffraktionsgitre i fiberen vha. ultraviolet lys, der påvirker brydningsforholdet. Særlig interesse knytter sig til erbiumdoterede fibre, der ved optisk pumpning med halvlederlasere på 970 nm giver forstærkning omkring bølgelængden 1,5 μm. Teknikken giver mulighed for i den samme fiber at indbygge et antal forskellige resonatorer, således at man med samme pumpelaser kan generere forskellige bølgelængder. Endvidere kan den del af fiberen, der følger efter resonatoren, benyttes til forstærkning af lasereffekten.

Titanium-safir-laseren og farvecenterlaseren

Titanium-safir-laseren og farvecenterlaseren er faststoflasere, der er analoge til farvestoflaseren og pumpes optisk, typisk med en neodymium:YAG-laser. Titanium-safir-laseren kan afstemmes kontinuert til bølgelængder i det nær-infrarøde område mellem 0,7 μm og 1,1 μm, mens farvecenterlaseren, hvis aktive medium består af krystaldefekter i en saltkrystal, findes i to versioner, der kan afstemmes i områder omkring hhv. 1,6 μm og 3 μm.

Halvlederlaseren

Halvlederlæseren adskiller sig i udformning radikalt fra andre faststoflasere. Den består normalt af et fladt, kasseformet stykke af halvlederen galliumarsenid på størrelse med et lille sandskorn. Det aktive område, der har en tykkelse på kun ca. 0,1-0,3 μm, afgrænses af områder, hvor der er tilsat varierende mængder af aluminium. Omvendt population i denne såkaldte heterostruktur etableres ved at sende en elektrisk strøm på tværs af det aktive område. Bølgelængden ligger i det nær-infrarøde område ved ca. 0,84 μm, men kan udstrækkes til intervallet 0,63 μm til over 2 μm ved tilførsel af varierende mængder af aluminium, indium, arsen, fosfor eller antimon. Halvlederlaseren har den højeste virkningsgrad af alle lasere. Den kan udsende effekter på op til 1 W og kan frekvensafstemmes ved variation af strøm eller temperatur.

For konventionelle halvlederlasere er bølgelængden bestemt af energistrukturen for de indgående halvledere, og igennem mange år betød det en begrænsning til det røde og det nær-infrarøde område. Ved at kombinere anvendelsen af halvlederen bly-tin-tellurid med køling til under −196 °C lykkedes det ganske vist at fremstille lasere i det midt-infrarøde område med bølgelængder op til 25 μm, men alle forsøg på at fremstille lasere til det grønne og blå område var forgæves.

I begyndelsen af 1990'erne blev det muligt at dyrke så perfekte og så tynde lag af halvledere, at elektronernes energistruktur blev bestemt ikke alene af de naturgivne egenskaber ved stofferne, men også af lagenes geometriske udformning. Hermed var det muligt at omgå de tidligere begrænsninger, og i 1992 kunne det japanske firma SONY annoncere den første blå halvlederlaser, hvor det aktive område er formet som en såkaldt kvantebrønd af halvlederen zink-cadmium-selenid. I kvantekaskadelaseren, der er udviklet ved Bell Laboratories i 1994, er dette princip videreudviklet til en grad, hvor det alene er geometrien, der bestemmer elektronernes energistruktur. Ved at opbygge en serie af lag med nøje kontrollerede tykkelser på nogle få nm er det muligt at konstruere lasere til vilkårlige bølgelængder mellem 4 μm og 11 μm.

Fri-elektron-laser

Mens alle de ovenfor omtalte lasere er baseret på stimuleret emission ved overgang mellem bundne energitilstande, skabes den elektromagnetiske stråling i fri-elektron-laseren ved direkte omdannelse af bevægelsesenergi fra en accelereret stråle af frie elektroner. Elektronstrålen påtrykkes en bølgebevægelse ved at passere igennem et periodisk varierende magnetfelt, og energi overføres til strålingsfeltet ved stimuleret emission fra de accelererede elektroner. Med fri-elektron-lasere kan der genereres høje effekter fra det infrarøde til det ultraviolette område, og bølgelængden kan varieres kontinuert, da den er bestemt af elektronernes hastighed.

Røntgenlaser

En laser, der udsender stråling i røntgenområdet, kan i princippet realiseres ved at anvende atomkerner som aktivt medium. Strålingen fra de ekstremt kraftige lasere, der er bygget med henblik på laserfusion, fokuseres på metaltråde, hvorved der skabes et plasma, hvori betingelserne for omvendt population mellem kerneniveauerne er tilstede. Det resulterer i korte pulser af kohærent røntgenstråling med bølgelængder ned til ca. 10 nm.

Laserlysets egenskaber og anvendelser

De karakteristiske egenskaber ved laserlyset er en høj grad af tidslig kohærens, dvs. at lyset bevarer sin karakter af en perfekt bølge over lange tidsrum, og en høj grad af rumlig kohærens, dvs. at dets regelmæssige bølgekarakter udstrækker sig over en stor del af rummet på tværs af strålens udbredelsesretning. Tidslig og rumlig kohærens er principielt uafhængige egenskaber, og hver for sig eller i kombination leder de til en lang række anvendelser, der ikke er mulige med lys fra konventionelle lyskilder.

Den tidslige kohærens afspejler, at lyset er monokromatisk, dvs. at energien er koncentreret inden for et meget snævert frekvensinterval. I det synlige område betyder det, at laserlyset giver et intenst og mættet synsindtryk af spektrets rene farver. Lysets rumlige kohærens er grundlaget for strålens fokuserbarhed og retningsbestemthed, dvs. at den vha. linser eller hulspejle kan formes med meget lille spredning eller alternativt, at den kan fokuseres inden for et meget snævert område. Imidlertid gælder det, at produktet af strålens mindstediameter og dens spredningsvinkel er konstant og omtrent lig lysets bølgelængde. Denne sammenhæng er afgørende for anvendelserne, fordi de to egenskaber derved ikke kan realiseres samtidig. Det var i høj grad derfor, laseren var uanvendelig som stjernekrigsvåben, idet en laserstråle, der bevæger sig over lange afstande med lille spredning, ikke samtidig kan give den høje energikoncentration, der er nødvendig for at ødelægge målet.

Afstandsmåling og sigtning

Under den 11. Apollomission i 1969 anbragte astronauterne et spejl på Månen, og afstanden fra Jorden er siden da blevet bestemt ved at måle tur-retur-flyvetiden for laserpulser. For at gøre spredningsvinklen lille bliver laserstrålen sendt ud gennem et teleskop, således at strålens diameter, når den forlader Jorden, er ca. 20 cm svarende til en spredningsvinkel på ca. 1 buesekund. I en mere jordnær sammenhæng udnyttes laserstrålens retningsbestemthed til sigteudstyr, der anvendes fx ved bygning af broer og tunneler. Samme egenskab er også basis for en af de vigtigste militære anvendelser: En laserstråle rettes mod et fjendtligt fly, og det tilbagespredte lys anvendes til at styre et missil mod målet.

Bølgelængdestabiliteten er basis for, at laseren ved interferometri kan anvendes til at udmåle længder på op til mange km med en nøjagtighed svarende til få bølgelængder.

Litografi

Når laserstrålen er fokuseret mest muligt, er al energien koncentreret inden for et areal af udstrækning som bølgelængden. Denne egenskab udnyttes ved fotolitografisk fremstilling af mikroelektroniske kredsløb eller til optisk skrivning og læsning af information, fx på cd og i forbindelse med laserprintere. For at kunne tegne de tyndeste linjer og for at kunne pakke informationen så tæt som muligt benytter man til disse formål lasere med en kort bølgelængde.

Bearbejdning

Fokuserbarheden er også vigtig, når laseren anvendes til materialebearbejdning, men afhængigt af sammenhængen stilles her yderligere krav til lasereffekten. Som industrielle svejserobotter anvender man derfor på trods af den relativt lange bølgelængde højeffektive kuldioxidlasere, mens udstyr til fx at bore mikrometerstore huller i diamanter anvender ultraviolet stråling fra excimerlasere.

Medicinske anvendelser

Medicinske anvendelser omfatter fx operationer i blodrige organer, hvor blodtabet kan reduceres, idet små blodkar automatisk lukkes ved varmepåvirkningen. En nethinde, der har løsnet sig, fx som en følgevirkning af sukkersyge, kan med en fokuseret laserstråle punktsvejses til øjets bagside. Da den fokuserede stråle har en stor spredningsvinkel, kan strålen sendes gennem øjets linse uden at beskadige denne.

Vha. optiske fibre kan laserlyset føres frem til vanskeligt tilgængelige steder og fx benyttes til at pulverisere nyresten eller galdesten, så operative indgreb undgås. Se også laserbehandling og laserkirurgi.

Laserfusion

En ekstrem anvendelse af den rumlige og tidslige kontrol af laserlyset afspejler sig i projekter, der sigter imod at producere energi ved fusion.

Grundvidenskabelig forskning

Grundvidenskabelig forskning udnytter, at lys, der rammer en partikel, påvirker den med en kraft, der går i den retning, hvor lysintensiteten er størst. Et system af fokuserede laserstråler er derfor i stand til at indfange enkelte atomer og holde på dem i så lang tid, at der kan udføres eksperimenter på dem. Med en fokuseret laserstråle kan man tillige konstruere en "optisk pincet", der i biologisk forskning benyttes til at manipulere enkelte celler uden at beskadige dem.

I 1997 lykkedes det ved MIT at observere laserstråling ved bølgelængden 791 nm fra bariumatomer, der en ad gangen passerer igennem en optisk resonator med 99,9997% reflekterende spejle. Betydningen heraf er rent grundvidenskabelig, men den parallelle udvikling inden for faststoflasere har vidtrækkende teknologiske implikationer.

Holografi

Andre anvendelser af den rumlige kohærens omfatter optisk mønstergenkendelse og holografi, hvor man ved anvendelse af laserlys er i stand til at optage og gengive tredimensionale billeder af genstande.

Kommunikation

Lysets veldefinerede og stabile frekvens betyder, at laserstrålen på samme måde som radiobølger kan kodes med information og anvendes til kommunikation. Da kapaciteten vokser med frekvensen, er informationsmængden imidlertid langt større for laserlys end for radiobølger. I 1997 fremstilles laserdioder, der muliggør en transmissionshastighed på ti gigabit pr. sekund svarende til, at hele informationsindholdet i et bind af Den Store Danske Encyklopædi, tekst såvel som billeder, kan overføres på en enkelt laserstråle i løbet af 6 s.

International længdestandard

Frekvensen for en laser afhænger af afstanden mellem resonatorens spejle, og den relative stabilitet af fx en helium-neon-laser er normalt begrænset af dens mekaniske stabilitet til ca. 10-8. Vha. et elektronisk servokredsløb, der styrer positionen af et af spejlene, kan frekvensen imidlertid låses til en absorptionslinje i jodmolekylet, hvorved frekvensstabiliteten forbedres til ca. 10-12. Den tilsvarende bølgelængde, der har den samme relative stabilitet, repræsenterer den mest nøjagtige og reproducerbare længde, der kan etableres, og den bruges derfor som internationalt anerkendt længdestandard, se meter.

Stofanalyse

Laserstråling, der passerer igennem en gas af molekyler, vil blive absorberet, hvis frekvensen falder sammen med en mulig energiovergang i molekylet, men ellers passere uhindret. Da hvert molekyle har sit helt individuelle sæt af energiniveauer, kan absorption af laserstråling give information om, hvilke molekyler der findes i strålegangen.

I lidar (Light Detection And Ranging) sendes korte pulser fra en laser, hvis frekvens er afstemt til et bestemt molekyle, ud i atmosfæren. En del af strålingen spredes af støvpartikler i luften tilbage mod senderen, og ved at analysere, hvordan svækkelsen af pulsen afhænger af ankomsttidspunktet, dvs. af hvor langt ude tilbagespredningen er sket, kan man kortlægge fordelingen af det pågældende molekyle i atmosfæren. Lidar er et specielt eksempel på anvendelsen af lasere til spektroskopi, hvor stof af enhver art undersøges gennem dets absorption af stråling med bestemte bølgelængder. Da laseren er i stand til at generere langt mere effekt på en given frekvens end en klassisk lyskilde, opstår der en helt ny klasse af fænomener, se fx laserspektroskopi og ulineær optik.

Lasersikkerhed

Laserlys har egenskaber, der gør, at det under visse omstændigheder er farligere end almindeligt lys. Der er derfor udarbejdet internationalt accepterede retningslinjer for klassifikation af lasere i fareklasser og for, hvilke sikkerhedsforskrifter der skal overholdes. For lys, der rammer øjet, knytter faremomentet sig specielt til, at det af linsen vil blive fokuseret på nethinden, hvor den høje energitæthed kan føre til ødelæggelse af synsceller. Der gælder derfor den ufravigelige regel, at man aldrig må se direkte ind i en laserstråle. For synligt laserlys med kontinuert effekt under 1 mW er risikoen dog lille, idet øjets reflekser normalt vil indsnævre pupillen og aktivere øjenlåget, før der er sket skadevirkninger. Sådanne lasere kan derfor anvendes uden specielle sikkerhedsforanstaltninger. For ultraviolet eller infrarødt laserlys, der ikke aktiverer øjets forsvarsmekanismer, og for lys fra pulsede lasere, der udsendes på så kort tid, at reflekserne ikke når at blive udløst, gælder skærpede krav til sikkerheden. For højere effekter vokser risikomomentet, og allerede ved 1 W kan en fokuseret laserstråle give alvorlige hudlæsioner. Man skal derfor altid sørge for, at strålen fysisk er ude af stand til at nå utilsigtede områder, og øjnene skal beskyttes med specialbriller, der absorberer laserstrålingen.

Vind tre bøger i Den Store Danskes quiz.

Gå til quiz.

 

Find bøger

   
   Find Lydbøger
hos Storytel
   Find bøger
bogpriser.dk
   Studiebøger
pensum.dk
   Læs e-bøger
hos Ready

 

© Dette billede må du ...

Laser. Ordet excimerlaser indgraveret i et menneskehår med en diameter på 0,1 mm vha. fokuseret ultraviolet stråling fra en excimerlaser. Billedet er taget med elektronmikroskop og er stillet til rådighed af Lambda Physik.

© Dette billede må du ...

Laser. Svejsning af 12 mm stålplade med to kuldioxidlasere, der kan levere hhv. 17 og 10 kW kontinuert effekt. Her ses de optiske moduler, der koncentrerer effekten inden for et område med en diameter på 0,7 mm.

© Dette billede må du ...

Laser. Øverst: Laserdiode i forgyldt metalhus med lyslederfiber samt diverse elektriske forbindelsesben. Laserdioder anvendes især til telekommunikation og produceres i Danmark af firmaet Giga A/S. Metalhuset er ca. 30 mm langt. Næstøverst: Indvendig i metalhuset leder to tynde guldtråde med en diameter på 0,025 mm strømmen til selve laserdioden. Den er fremstillet af et krystallinsk halvledermateriale, i dette tilfælde indiumfosfid. Laserdioden er anbragt på en varmeledende, keramisk klods (sort) med en bredde på 0,8 mm. Næstnederst: I det krystallinske indiumfosfidmateriale er der fremstillet en såkaldt bølgeleder (0,002 mm bred), hvor lyset dannes og udbreder sig inde i krystallen, når der sendes strøm igennem dioden. De to blålige lag er n-lag og de to rødlige p-lag. Lyset forlader laserdioden vinkelret på den mørkegrå flade (bølgelederen), som pilen peger på. Nederst: Kraftigt forstørret billede af den med rødt indrammede flade i figuren ovenfor. Bølgelederen (enden af den ses som en lav firkant midt i billedet) er opbygget af mange, meget tynde lag, der danner såkaldte kvantebrønde med elektroner i præcise energitilstande. Herved muliggøres en meget effektiv dannelse af laserlys. I dette tilfælde er der syv kvantebrønde med en indbyrdes afstand på ca. 0,2 mm. De ses som små vandrette linjer på billedet, som er taget med et elektronmikroskop.

Viser 4 af 4 billeder

Filer

FilTilføjet af 
[+388059.801.svg (83.2 kB)

Laser. Skematisk tegning af gaslaser.

Admin

05/02/2009

[+393982.801.svg (70.46 kB)

Laser. Ordet excimerlaser indgraveret i et menneskehår med en diameter på 0,1 mm vha. fokuseret ultraviolet stråling fra en excimerlaser. Billedet er taget med elektronmikroskop og er stillet til rådighed af Lambda Physik.

Admin

05/02/2009

[+399036.801.svg (245.23 kB)

Laser. Øverst: Laserdiode i forgyldt metalhus med lyslederfiber samt diverse elektriske forbindelsesben. Laserdioder anvendes især til telekommunikation og produceres i Danmark af firmaet Giga A/S. Metalhuset er ca. 30 mm langt. Næstøverst: Indvendig i metalhuset leder to tynde guldtråde med en diameter på 0,025 mm strømmen til selve laserdioden. Den er fremstillet af et krystallinsk halvledermateriale, i dette tilfælde indiumfosfid. Laserdioden er anbragt på en varmeledende, keramisk klods (sort) med en bredde på 0,8 mm. Næstnederst: I det krystallinske indiumfosfidmateriale er der fremstillet en såkaldt bølgeleder (0,002 mm bred), hvor lyset dannes og udbreder sig inde i krystallen, når der sendes strøm igennem dioden. De to blålige lag er n-lag og de to rødlige p-lag. Lyset forlader laserdioden vinkelret på den mørkegrå flade (bølgelederen), som pilen peger på. Nederst: Kraftigt forstørret billede af den med rødt indrammede flade i figuren ovenfor. Bølgelederen (enden af den ses som en lav firkant midt i billedet) er opbygget af mange, meget tynde lag, der danner såkaldte kvantebrønde med elektroner i præcise energitilstande. Herved muliggøres en meget effektiv dannelse af laserlys. I dette tilfælde er der syv kvantebrønde med en indbyrdes afstand på ca. 0,2 mm. De ses som små vandrette linjer på billedet, som er taget med et elektronmikroskop.

Admin

05/02/2009

Nyhedsbrev

Om artiklen

Seneste 3 forfattere
Redaktionen
13/12/2013
Uffe Rasmussen
04/07/2009
Redaktionen
15/05/2009
Oprindelig forfatter
JOH
31/01/2009

© Gyldendal 2009-2014 - Powered by MindTouch Deki