Laser

Denne artikkelen omhandler lyset. For jolleklassen, se Laser (jolle).

En helium-neon-laser ved Kastler-Brossel i Paris

Rød, grønn og blå laser

Laser (akronym for light amplification by stimulated emission of radiation) (norsk: lysforsterkning ved stimulert strålingsutslipp) er en innretning som forsterker og sender ut elektromagnetisk stråling (i de aller fleste tilfeller er denne strålingen synlig lys). Strålingen har et sett med spesielle egenskaper, som skiller den fra lys fra andre kilder, ved at lyset fra en lasende kilde er koherent og monokromatisk. Det vil si at alle bølger svinger i takt, og at energien i bølgene adderes ved konstruktiv interferens. I tradisjonelle lasere vil også lyskilden avgi lys som propagerer som en tilnærmet planbølge, det vil si at det beveger seg i én bestemt retning og når det slipper ut av det lasende materialet så vil lyset fremstå som en smal lyskjegle med liten divergens. Dette kommer til syne hvis strålen sendes gjennom røyk, tåke eller støv. Den første laseren ble bygget i 1960 av Theodore H. Maiman ved Hughes Research Laboratories, basert på teoretisk arbeid av Charles Hard Townes og Arthur Leonard Schawlow.

Lasere brukes i optiske diskstasjoner, laserskrivere, strekkodeskannere, DNA-sekvenseringsinstrumenter, fiberoptisk og optisk kommunikasjon med ledig plass, produksjon av halvledende brikker (fotolitografi), laserkirurgi og hudbehandlinger, skjære- og sveisematerialer, militær og rettshåndhevelse enheter for merking av mål og måling av rekkevidde og hastighet, og i laserlysskjermer for underholdning. Halvlederlasere i blått til nær-ultrafiolett stråling (UV) har også blitt brukt i stedet for lysemitterende dioder (LED) for å eksitere eller framkalle fluorescens som en hvit lyskilde. Dette tillater et mye mindre emitterende område på grunn av den mye større utstrålingen til en laser og unngår hengende lysdioder; slike enheter brukes allerede i noen lyskastere.

Historie

Gordon Gould, en student ved Columbia University, fant opp konseptet i 1957, men patenterte det aldri, da han trodde at man trengte en fungerende modell å vise patentkontoret. Charles Townes og Arthur Schawlow ved Bell Labs publiserte en artikkel i «Physical Review» i 1958 som beskrev konseptet, og søkte også om et patent. Gould søkte om patentet i 1959, noe som var litt for sent. Tidlig i 1960 fikk Townes og Schawlow patentet sitt, selv om Bell Labs eide rettighetene. I mai samme år ble den første laser demonstrert ved Hughes Aircraft i California av en vitenskapsmann som het Ted Maiman. Dette var starten på en patentstrid som varte til 1977, hvor Gould fikk noen patenter og Bell Labs beholdt resten.

Den første halvlederlaser ble oppfunnet i 1962, en oppfinnelse som brukes svært mye innen telekommunikasjon til å kommunisere langs fiberoptiske kabler. Slike halvlederlasere blir også brukt i forbrukerelektronikk slik som CD- og DVD-spillere.

Teori

Komponenter:
1. Aktivt lasermedium
2. tilført energi
3. Speil (100%)
4. Speil (99%)
5. Laserstråle

En laser bruker energi som er lagret i et atom, ved at en energikilde «pumper» det lasende materialet eller ved at det utløses en kjemisk eller elektrisk prosess, og samtidig som det skjer en stimulert emisjon. Da vil kvanter (eller fotoner) bli utskilt fra atomet når et elektron hopper fra en elektronbane til en annen elektronbane med lavere energinivå.

Ett atom består av flere elektronbaner, jo lenger vekk fra kjernen denne banen er, jo mer energi ligger i et elektron i denne banen. Når et elektron hopper fra en bane til en bane nærmere kjernen, utskilles ett foton (med en gitt energi). Dette fotonet har en helt bestemt bølgelengde, som er bestemt av hvilke baner elektronet hopper mellom. Ved å tilføre energi til atomet, vil et elektron etter en stund oppta energien, og hoppe opp til en bane med et høyere energinivå (elektronet sies da å være eksitert). Etter en stund vil elektronet igjen falle tilbake til sin opprinnelige bane, og avgi et nytt foton (Niels Bohr beskriver dette i teori). I en laser vil energien som blir tilført disse atomene komme fra elektrisitet eller en kjemisk reaksjon.

I en laser er det da mange atomer med mange eksiterte elektroner. Etter ganske kort tid vil ett eksitert elektron falle tilbake til «normalstilling» og avgi ett foton. Når dette foton passerer et annet eksitert elektron, kan elektronet bli stimulert til selv å falle tilbake til sin «normalstilling», og også avgi et foton. Dette foton vil da ha samme bølgelengde, fase og retning som det foton som var årsak til stimuleringen. Disse fotoner (som nå er blitt to) fortsetter gjennom det lasende materialet, og vil stimulere flere eksiterte elektroner, og energien vil øke betraktelig. Denne strålingen kalles en koherent og monokromatisk stråling.

I en tradisjonell laser er det lasende materialet plassert mellom to speil, hvor det ene lar litt lys lekke gjennom. Mellom disse to speilene vil lyset reflekteres frem og tilbake og for hver passering i det lasende materialet vil flere elektroner avgi sitt foton og forsterke det passerende lyset. Noe av lyset vil slippe ut gjennom speilet som er gjennomtrengbart, mens resten reflekteres tilbake. Lyset som slipper ut vil danne det vi oppfatter som selve laserstrålen.

Bruksområde

Lasere har en lang rekke bruksområder. De vanligste er:

• Telekommunikasjon, ved å sende laserlyspulser inn i optiske fibre for å oppnå høy overføringshastighet eller for å kommunisere over lange avstander med få forsterkere eller helt uten forsterkning underveis.
• Legevitenskapen, i kirurgien brukes laser i operasjoner (f.eks. behandling av øyeskader, eller skjære små snitt). Laser kan også brukes direkte i selve behandlingen (f.eks. behandling av kreft). Lasere brukes også i odontologi og anses som en sikrere og mer presis metode for terapi og kirurgi sammenlignet med konvensjonelle, mekaniske tannprosedyrer. Tatoveringer kan også fjernes med laser.
• Industrien bruker laser til å skjære former i metall (f.eks. stål eller aluminium).
• Måleinstrument i mange forskjellige områder. Laser kan brukes til å måle avstand, hastighet, akselerasjon og rotasjon.
• Forbrukerelektronikk. Alle CD/DVD/Bluray-spillere bruker laser for å avlese informasjonen som er preget på platene. Mange leker har også etterhvert en innebygd laser.
• Undervisning. Enkle små lasere kan brukes til å peke på skjermer med informasjon, og som markering av linjer horisontalt eller vertikalt.
• Bygg og anlegg bruker lasere for å sikre rette linjer og plan, og for å måle opp områder.
• Våpenteknologi, både til markering av bombemål, og i energivåpen for direkte avfyring (MIRACL og FIRESTRIKE).
• Overvåkning. Laseravlytning av rom ved å rette en stråle mot vinduet. Laserapparat for å avsløre skjult optikk slik som kameraer, men også for å påvise refleks i øyne til personell.
• Alarmer som går av ved brutte laserstråler.
• Underholdning. Lasershow på konserter og diskoteker.

Se også

• Maser
• Laseravstandsmåler

Litteratur

• Bertolotti, Mario (1999, overs. 2004): The History of the Laser. Institute of Physics. ISBN 0-7503-0911-3.
• Csele, Mark (2004). Fundamentals of Light Sources and Lasers. Wiley. ISBN 0-471-47660-9.
• Kessler, Andy (2009): How We Got Here: A History of Technology and Markets. HarperCollins e-books, ISBN 0-9727832-2-9.
• Koechner, Walter (1992): Solid-State Laser Engineering. 3. utg., Springer-Verlag. ISBN 0-387-53756-2.
• Siegman, Anthony E. (1986): Lasers. University Science Books. ISBN 0-935702-11-3.

Eksterne lenker

• (en) Lasers – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (nb) Vil lage verdens kraftigste laser, NRK 2. november 2011.
• (nb) «Hva er laser?», Forskning.no 8. november 2002
• (en) A Practical Guide to Lasers for Experimenters and Hobbyists av Samuel M. Goldwasser