Laser (licht)


Een laser is een lichtbron die in staat is een smalle coherente bundel licht voort te brengen. Het licht van een laser is daardoor monochromatisch en directioneel, in tegenstelling tot de meeste andere lichtbronnen, die in allerlei richtingen licht uitzenden in een breed spectrum van golflengtes en fasen. Ook zorgt laserlicht altijd voor een lichtbundel die niet of nauwelijks convergeert of divergeert.

Het woord laser is een acroniem van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, in het Nederlands: lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling. Het woord is echter inmiddels zo ingeburgerd dat het niet meer gezien wordt als een afkorting. Zelfs in het Engels wordt het woord dan ook zonder hoofdletters geschreven (evenals radar).

Inhoud

Principe


Het principe van de laser berust op de eigenschap van atomen en moleculen met aangeslagen elektronen, die in een energierijkere toestand zitten dan normaal, om bij terugval naar de lager gelegen toestand een foton uit te zenden. Dit proces heet spontane emissie. Treft dit foton een elektron in een ander atoom in dezelfde aangeslagen toestand, dan zal ook dit elektron terugvallen, onder uitzending van een foton dat dan in fase loopt met het eerste, zodat coherente en monochromatische straling geproduceerd wordt. Dit proces heet gestimuleerde emissie.

In het hart van een laser bevindt zich het lasermedium, een materiaal of gasmengsel dat atomen heeft die kunnen worden aangeslagen door middel van licht of een elektrische stroom. Licht dat door spontane emissie wordt uitgezonden in het lasermedium, wordt elders in het lasermedium versterkt door gestimuleerde emissie. In een lasermedium van beperkte omvang zal slechts een beperkte versterking plaatsvinden totdat het licht het medium verlaat. Om een grote versterking te bereiken plaatst men het lasermedium tussen twee parallelle spiegels, zodat het uitgezonden licht opnieuw en opnieuw door het medium passeert en daarbij steeds verder versterkt wordt. Door een van de spiegels gedeeltelijk doorlatend te maken, wordt een bundel licht geproduceerd.

Behalve gestimuleerde emissie is er ook absorptie van licht door atomen in een laaggelegen toestand. Versterking treedt alleen op als er meer gestimuleerde emissie is dan absorptie, wat het geval is als er meer aangeslagen atomen zijn dan niet-aangeslagen atomen. Deze situatie heet populatie-inversie en voor de gewenste werking van een laser is het nodig dat zo'n populatie-inversie gecreëerd en in stand gehouden kan worden. Meestal wordt dit gedaan met licht van flitslampen (vergelijkbaar met die in een fotoflitser), licht van een andere laser of elektrische stroom (in een halfgeleider- en gaslaser).

Zichtbaar licht bestrijkt het golflengtegebied van 400 tot 700[1] nanometer (nm). Het licht van een laser is meestal monochromatisch, met een bandbreedte van minder dan een nanometer, soms zelfs minder dan een femtometer. Sommige lasers produceren echter een breedbandig spectrum, tot wel 100 nm in het geval van sommige Ti:saffierlasers. De bandbreedte van een laser wordt grotendeels bepaald door hoe smalbandig de energieovergangen van de atomen in het lasermedium zijn, maar ook door de constructie van de laser die erop gericht kan zijn om heel smalle of juist heel brede golflengtegebieden te bestrijken. Verschillende typen lasers hebben wel gemeen dat het licht ruimtelijk coherent is, wat erop neerkomt dat het licht er als een heel goed gedefinieerde bundel uitkomt. Dit is in tegenstelling tot het licht van een zaklamp, die zelfs met een goede reflector nooit zo'n nauwe bundel als een laser kan produceren.

Geschiedenis


Tijdlijn van de laser
1916 Albert Einstein voorspelt gestimuleerde emissie van fotonen.
1928 Rudolf Ladenburg bevestigt het fenomeen van gestimuleerde emissie en negatieve absorptie.
1939 Valentin Fabrikant voorspelt dat gestimuleerde emissie gebruikt kan worden om microgolven te versterken.
1947 Willis Lamb en Robert Retherford tonen gestimuleerde emissie aan in waterstofspectra.
1950 Alfred Kastler ontdekt de methode van optisch pompen.
1953 Charles Townes demonstreert de ammoniakmaser.
1954 Nikolaj Basov en Aleksandr Prochorov publiceren de eerste theoretische analyse van de maser.
1956 Nico Bloembergen bedenkt de drietrapsmaser.
1957 Gordon Gould laat zijn laseridee vastleggen bij een notaris.
1958 Townes en Schawlow vragen het eerste octrooi aan op de laser.
1958 Publicatie van Townes' laserartikel in Physical Review Letters.
1959 Townes leidt de conferentie Quantum Electronics-Resonance Phenomena.
1960 Theodore Maiman bouwt de eerste laser op basis van robijn.
1960 De eerste helium-neonlaser wordt gebouwd door Ali Javan.
1961 De laser wordt toegepast in de oogheelkunde.
1962 Uitvinding van de halfgeleiderlaser door Robert N. Hall.
1964 Uitvinding van de koolstofdioxidelaser door Kumar Patel.
1969 Met een laser wordt de exacte afstand tussen de maan en aarde gemeten.
1970 Uitvinding van de excimerlaser.
1970 Introductie optische vezels voor datacommunicatie met laserlicht.
1974 De eerste barcodescanner in de supermarkt.
1980 De audio-cd-speler verschijnt met een 780 nm infraroodlaser.
1987 Gould wordt 'officieel' erkend als de uitvinder van de laser.
1987 Eerste refractiechirurgie ("ooglaseren") ter verbetering van het gezichtsvermogen.
1995 Gebruikmakend van laserkoeling wordt het eerste bose-einsteincondensaat gemaakt.

De theoretische basis van de laser werd reeds in 1917 aangedragen door Albert Einstein. In het artikel Zur Quantentheorie der Strahlung suggereert Einstein via een afleiding van Plancks stralingswet de mogelijkheid van gestimuleerde emissie van elektromagnetische straling (waaronder licht). Echter, men dacht toen dat het effect in de praktijk te klein zou zijn om waar te nemen.

Maser

Belangrijke doorbraken kwamen pas na de Tweede Wereldoorlog in navolging van het onderzoek naar radarsystemen. In 1951 ontwikkelde de Amerikaanse natuurkundige Charles Townes de eerste ideeën om microgolven op te wekken met behulp van gestimuleerde emissie door populatie-inversie. Samen met zijn promovendi James P. Gordon en Herbert Zeiger demonstreerde Townes in 1953 aan de Columbia-universiteit de ammoniakmaser – een microgolfversterker die door middel van gestimuleerde emissie een gepulste microgolfstraal uitzendt met een golflengte van 1,25 cm. Deze technologie werd maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) genoemd.

In de tussentijd werkten in de Sovjet-Unie de Russische natuurkundigen Nikolaj Basov en Aleksandr Prochorov aan hun versie van de maser. Door twee energieniveaus te gebruiken creëerden ze een maser die een continue output levert in plaats van de gepulste maser van Townes. Voor hun werk ontvingen Townes, Basov en Prochorov in 1964 gezamenlijk de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Echter, de toepassingen van de maser bleven beperkt tot het versterken van zwakke microgolven en toepassing in atoomklokken.

Laser

Samen met zijn zwager Arthur Schawlow ging Townes, beiden werkzaam bij Bell Labs, op zoek naar de mogelijkheid om het maserprincipe uit te breiden naar infrarood en zichtbaar licht. In 1958 dienden Townes en Schawlow een octrooiaanvraag in voor Masers en Masercommunicationsystem inclusief een (theoretische) beschrijving van de laser – die door Townes consequent optische maser werd genoemd.

Gelijktijdig ging promovendus Gordon Gould aan de Columbia-universiteit zelfstandig verder met zijn versie van de laser. Zijn ideeën werkte hij uit op negen pagina's van zijn notitieboekje onder de titel Some rough calculations on the feasibility of a LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zijn notities liet hij op 13 november 1957 registreren bij een notaris, maar hij diende geen octrooiaanvraag in, omdat hij – onterecht – dacht dat hij ook een werkend exemplaar moest kunnen laten zien.

Eind 1958 publiceerden Townes en Schawlow in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters een baanbrekend wetenschappelijk artikel: Infrared and Optical Masers over de theoretische mogelijkheid van een optische maser die werkt bij golflengten van zichtbaar licht. Het artikel zette diverse grote onderzoekscentra aan om de laser te ontwikkelen. Het grootste struikelblok was het vinden van het materiaal met de juiste eigenschappen dat als lasermedium moest dienen. Ook een laserconferentie die onder leiding van Townes in Shawanga Lodge, Catskills, werd georganiseerd en die door alle belangrijke laseronderzoekers werd bezocht, bood in eerste instantie geen gewenst resultaat, hoewel sommige wetenschappers deze conferentie achteraf beschouwden als het keerpunt in de race naar de eerste laser.

Om zo snel mogelijk een werkende laser te ontwikkelen brak Gould voortijdig zijn promotiewerk af en trad hij in dienst van de Technical Research Group (TRG) die met Goulds ontwerp een belangrijk defensiecontract had binnengehaald. Toen hij achter zijn misser kwam, diende Gould in april 1959 alsnog een eerste octrooiaanvraag in op de laser. Hij was echter te laat. Omdat Townes en Schawlow eerder in juli 1958 een vergelijkbare aanvraag hadden ingediend, werd Goulds aanvraag door het Amerikaans patentenbureau afgewezen. Een bijna dertig jaar lange patentenoorlog volgde, waarin Gould na talloze verloren rechtszaken in 1987 uiteindelijk toch aan het langste eind trok en enkele belangrijke laseroctrooien op zijn naam kreeg – goed voor enkele miljoenen dollar aan inkomsten per jaar.

In 1960 werd de allereerste functionele laser geconstrueerd. Theodore Maiman, werkzaam bij het bescheiden Hughes Research Laboratories bleek de grote onderzoekscentra voor te zijn. Samen met zijn assistent demonstreerde hij op 16 mei 1960 een robijnlaser die dieprode lichtpulsen afvuurde met een golflengte van 694 nm. Als lasermateriaal gebruikte hij een synthetisch vervaardigd robijnkristal (aluminiumoxide verontreinigd met chroomoxide); een materiaal waarvan Schawlow eerder had gezegd dat het zeker niet ging werken.

De aankondiging van de laser veroorzaakte in de pers een hele commotie, met voorpaginaverhalen over een 'dodende straal'. Al snel rees de vraag wat men met de laser kon doen. Maimans assistent Irnee D'Haenens noemde de laser zelfs gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. In een persconferentie somde Maiman vijf mogelijke toepassingsgebieden op: versterken van licht, onderzoek van materie, vergroten van het aantal communicatiekanalen, communiceren in de ruimte en concentreren van licht voor toepassingen in de chemie, de industrie en de geneeskunde. Vijftig jaar na dato is van deze vijf alleen de communicatie in de ruimte (nog) niet van de grond gekomen – net zo min als de 'dodende straal' uit de kranten van 1960.

Lasertypen


Lasers zijn in te delen naargelang:

Gaslaser

In gaslasers is het medium een gasmengsel, doorgaans opgesloten in een buis, waardoor een elektrische ontlading loopt, vergelijkbaar met die in een tl-buis. Voorbeelden:

In sommige gaslasers zijn het geïoniseerde gasatomen:

Excimerlasers zijn gaslasers waar combinaties van edelgassen en halogenen geëxciteerde twee-atomige moleculen vormen:

In metaaldamplasers bestaat het gas uit metaalatomen die bij hoge temperatuur dampvormig zijn:

In chemische lasers worden twee gassen bij elkaar gebracht die reageren tot een molecuul in een aangeslagen toestand:

Kleurstoflaser (dyelaser)

Het medium van een kleurstoflaser, meestal aangeduid met de Engelse term dye laser, is een vloeibare oplossing van een kleurstof. Kleurstoflasers zijn regelbaar in golflengte, hebben een laag tot middelhoog vermogen en bestaan als CW of gepulste lasers. Ze worden gebruikt in de meettechniek of wetenschappelijk onderzoek.

Vastestoflaser

Het medium van een vastestoflaser is een vaste stof. Meestal is het een glas of een kristallijn materiaal met daarin een kleine concentratie (dotering) van een andere stof waarvan de atomen kunnen worden aangeslagen. Dit type vastestoflasers wordt gewoonlijk gepompt door middel van licht uit een gasontladingslamp of van een andere laser. Het medium van een diodelaser, die elektrisch gepompt wordt (zie onder), is ook een vaste stof, maar diodelasers worden meestal als aparte categorie beschouwd.

De meeste vastestoflasers worden genoemd naar de dotering, gevolgd door het type materiaal dat gedoteerd is:

Diodelaser

Diodelasers hebben een halfgeleider als medium en worden gepompt met een elektrische stroom. Diodelasers zijn vergelijkbaar met leds, met het verschil dat een diodelaser een trilholte heeft. Diodelasers zijn vaak erg klein, dat wil zeggen ongeveer een millimeter, bedrading niet inbegrepen.

De golflengtes variëren van 375 nm (blauw-UV) tot 950 nm en langer (infrarood). Ze zijn CW (continuous wave) of gepulst, met lage tot middelhoge vermogens en ze worden gebruikt in: cd/dvd, communicatietechniek, geneeskunde, alarmsystemen, meettechniek, presentatie, als pomplasers voor vastestoflasers (zogenaamde DPSS-lasers). Veel verschillende golflengtes en vermogens mogelijk, showtoepassingen in kleine lasershows, laserpointers.

Vrije-elektronenlaser

Nieuwe typen lasers spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van nieuwe methoden van onderzoek en nieuwe technische toepassingen. De kleinste lasers (niet groter dan een zoutkorrel) kunnen de bouwstenen worden van optische computers die werken met de snelheid van het licht. Lasers met ultrakorte laserpulsen kunnen ingezet worden bij het onderzoeken (en in de toekomst ook heel precies beïnvloeden) van zeer snel verlopende (bio-)chemische processen. Lasers met een ultrahoog vermogen kunnen ingezet worden bij het bewerkstelligen van thermonucleaire fusie.

Veiligheid


Omdat laserlicht, in tegenstelling tot licht van lampen en de zon, de vorm heeft van een nauwe, zich weinig verspreidende bundel, kan het gevaarlijk zijn. Ten eerste kan ook op grote afstand vrijwel het hele vermogen van de laser door de pupil het netvlies bereiken, terwijl de intensiteit van het licht van andere bronnen snel afneemt met de afstand. Bovendien concentreert de ooglens het laserlicht op een zeer klein gebiedje van het netvlies. Deze twee effecten maken dat laserlicht bij relatief kleine vermogens (enkele milliwatts) tot oogbeschadigingen kunnen leiden, door plaatselijke verhitting of door chemische reacties vergelijkbaar met zonnebrand. Dit geldt ook voor infraroodlasers, waarvan het licht niet zichtbaar is, maar wel schade kan veroorzaken.

Lasers die worden verkocht moeten voorzien zijn van een classificatie-aanduiding die aangeeft hoe gevaarlijk de laser is, in een getal van 1 (ongevaarlijk) tot 4 (zeer gevaarlijk), die gedefinieerd zijn in officiële richtlijnen.[2] De klassen zijn:

Bovenstaande vermogens zijn indicaties voor continue lasers. Voor gepulste lasers en voor lasers met onzichtbare golflengtes gelden andere grenswaarden. Lasers zijn voornamelijk gevaarlijk wanneer de bundel direct of via een reflectie van een spiegelend oppervlak het oog raakt. De lichtvlek van een laser die op een mat, niet-glanzend oppervlak valt, kan hinderlijk fel zijn, maar is doorgaans niet direct schadelijk bij vermogens tot enkele watts. Voor mensen die werken met lasers in de klassen 3B en 4 zijn er veiligheidsbrillen die licht van de golflengte van de laser absorberen. Lasers met verschillende golflengtes vereisen daardoor ook verschillende typen veiligheidsbrillen.

Alle lasers t/m klasse 3B zijn toegestaan in Nederland. Het verhandelen van klasse 3R, 3B en 4 laserpointers aan consumenten is niet toegestaan. Het verhandelen van klasse 2, 2M, 3R, 3B en 4 lasergadgets is niet toegestaan.[3]

Toepassingen


Zie Toepassingen van lasertechniek voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Zie ook


Zie de categorie Lasers van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.









Categorieën: Straling | Laser | Fysische optica




Staat van informatie: 28.09.2021 07:08:14 CEST

oorsprong: Wikipedia (Auteurs [Geschiedenis])    Licentie: CC-BY-SA-3.0

Veranderingen: Alle afbeeldingen en de meeste ontwerpelementen die daarmee verband houden, zijn verwijderd. Sommige pictogrammen werden vervangen door FontAwesome-Icons. Sommige sjablonen zijn verwijderd (zoals 'artikel heeft uitbreiding nodig') of toegewezen (zoals 'hatnotes'). CSS-klassen zijn verwijderd of geharmoniseerd.
Specifieke Wikipedia-links die niet naar een artikel of categorie leiden (zoals 'Redlinks', 'links naar de bewerkpagina', 'links naar portals') zijn verwijderd. Elke externe link heeft een extra FontAwesome-Icon. Naast enkele kleine wijzigingen in het ontwerp, werden mediacontainer, kaarten, navigatiedozen, gesproken versies en Geo-microformats verwijderd.

Belangrijke opmerking Omdat de gegeven inhoud op het gegeven moment automatisch van Wikipedia wordt gehaald, was en is een handmatige verificatie niet mogelijk. Daarom garandeert LinkFang.org niet de juistheid en actualiteit van de verkregen inhoud. Als er informatie is die momenteel verkeerd is of een onjuiste weergave heeft, aarzel dan niet om Neem contact op: E-mail.
Zie ook: Afdruk & Privacy policy.