laser

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.

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: forkortelse for 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 (1920-2005), der i 1957 udtog patent på en gaslaser, måtte gennem 30 års retssager, før hans bidrag til laserens udvikling blev anerkendt.

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.

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.

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.

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 (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 (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.

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.

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.

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.

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 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 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.

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.

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.

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.

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 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.

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 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.

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.

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. Fra 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.

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.

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.