Laser

Wikipedia

Den här artikeln handlar om ljusstrålen Laser, för båttypen med samma namn, se Laser (båttyp).

LASER är en akronym för "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning). Det är en teknik som genom stimulerad emission skapar ljusstrålar som är enfärgade (monokroma), koherenta (ljusvågorna är i fas), har en riktning och har stark intensitet. Med en laser är det även möjligt att skapa ljuspulser som är mycket korta (ner till i storleksordningen femtosekunder). En Maser bygger på samma princip som en laser, men använder mikrovågor istället för synligt ljus.

Den första användbara lasern konstruerades av Theodore Maiman 1960. Den vanligast förekommande lasertypen är halvledarlasern som förekommer i många hushåll genom att det är en komponent i sådana som föremål som cd- och dvd-läsare och laserskrivare.

Laser (U.S. Air Force)

Lasereffekt under en konsert

Det finns både kontinuerliga och pulsade lasrar. De förra sänder, så länge de är på, ut ljus hela tiden medan de senare bara sänder ut ljus under korta perioder, men då med högre effekt. Genom att utsändningen av ljus kan koncentreras till mycket korta tidsperioder (femtosekunder) kan mycket höga effekter uppnås. Det finns lasrar som när de sänder ut ljus gör det med en effekt i samma storleksordning som mänsklighetens samlade totala energiförbrukning under den korta tidsperioden.

[redigera] Historia

Den första användbara lasern konstruerades av Theodore Maiman 1960 vid Hughes Research Laboratories i Malibu, Kalifornien. Det var en rubinlaser, där det aktiva lasermediet består av en rubinkristall. Rubinlasern ger en röd laserstråle, vilket Maiman förutspått med teoretiska beräkningar. Problemet var att ingen visste exakt hur en laserstråle skulle se ut, och han var inte säker på att han med blotta ögat skulle kunna avgöra om lasern fungerade eller om det röda ljus han såg bara var rött fluorescensljus från spontan emission i rubinkristallen.

Maiman utförde därför två experiment som övertygade honom och hans kolleger om att det verkligen var laserljus de såg. Först mätte han med en fotodetektor längden på ljuspulserna från lasern. Vid spontanemission är fluorescenslivslängden från rubin omkring 3 milisekunder. När laserverkan uppnåtts förkortades pulslängden till hundradelar av detta. Det andra experimentet innebar att mäta bredden på de två röda spektrallinjerna från rubinkristallen. När lasern fungerade smalnade den ena av dessa linjer dramatiskt samtidigt som intensiteten ökade.

Under 1960-talet utvecklades lasrar som använder sig av Q-switching och modlåsning vilket ökade möjligheten att uppnå höga effekter för pulsade lasrar.

[redigera] Skillnader relativt andra ljuskällor

En laser sänder enbart ut ljus i ett begränsat våglängdsintervall, medan till exempel en glödlampa i huvudsak sänder ut svartkroppsstrålning över hela spektret.

En laser har också en liten divergens av det utsända ljuset, detta då de vägar ljuset kan komma ut ur laserna begränsas av kaviteten. Det är möjligt att därigenom fokusera ljuset mycket starkt.

En tredje skillnad är att laserljuset är koherent d.v.s. ljuset ut ur lasern har samma fas. Koherensländen, d.v.s. den sträcka som ljusvågorna ligger väl i fas med varandra, varierar, men ligger oftast 2-10 gånger laserkällans längd. Det innebär att diodlasrar har koherenslängder på någon millimeter, medan gaslasrar för skolbruk har koherenslängder på någon meter. Lasrar som optimerats med avseende på koherens kan ha koherenslängder på tiotals kilometer.

Alla dessa egenskaper, kanske främst det faktum att lasrar enbart sänder ut ljus inom ett begränsat våglängdsintervall, gör dem populära för vetenskapliga ändamål, till exempel för att studera gaser, se laserdiagnostik.

[redigera] Grundläggande teori

En vanlig ljuskälla sänder ut fotoner i alla riktningar och faser över ett brett elektromagnetiskt spektrum (olika våglängder). Lasern, däremot, sänder ut fotoner i fas med varandra i en smal väldefinierad ofta polariserad ljusstråle i en enda våglängd. Laserljus kan koncentreras till en mycket liten yta och därmed bli mycket intensivt, så intensivt att det kan skära genom stål och mineraler. Som en optisk förstärkare kan lasern användas i s.k. optisk kommunikation.

Laserljus kan förekomma över hela det infraröda och synliga spektret. Dock är rött laserljus billigast att framställa och används därför ofta. Det finns en aparatur liknande lasern som istället för synligt ljus använder våglängder i mikrovågsdelen av ljusspektret. Dessa kallas för Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

[redigera] Spontan och stimulerad emission

Av flera orsaker kan en elektron hoppa från en skalnivå till en lägre i en atom eller molekyl, detta leder då till att en foton med en energi motsvarande energiskillnaden mellan de bägge skalen. Detta kallas de-excitation.

Om detta sker utan inverkan av en inkommande foton kallas det för spontan emission. Den utgående fotonen kan då ha vilken riktning som helst.

Vid stimulerad emission får en inkommande foton en av atomens elektroner att de-dexciteras. Till skillnad mot spontan emission avges nu två fotoner som båda är i fas.

[redigera] Linjebreddning

[redigera] Kaviteten

[redigera] Q-switching

[redigera] Metoder för att åstadkomma Q-switching

En äldre metod är att använda en roterande spegel, en annan är att placera ett absorberande material mellan lasermediet och utkopplingsspegeln. Detta material bleks tills det blir transparent.

[redigera] Modlåsning

[redigera] Säkerhet

[redigera] Olika typer av laser

Helium-neonlaser använder som aktivt medium helium och neon och som pumpanordning elektriska urladdningar. Lasern uppnår laserverkan bl.a. vid 632,8 nm. Excitationen uppnås genom kollisioner mellan heliumatomerna. De flesta helium-neonlasrar har låg effekt, 0,5-10 mW.

Dessa klasser har ersatts av en ny klassindelning. Se till exempel statens strålsyddsinstituts hemsida www.ssi.se

Rubinlaser, ljus med våglängd 694 nm, används till exempel för att avlägsna tatueringar och födelsemärken inom läkarvetenskapen.
Halvledarlasrar eller diodlasrar används i "laserpekare", laserskrivare, cd-/dvd-spelare och inom fiberoptisk kommunikation då de är små och billiga att masstillverka.
Koldioxidlaser används för att skära och svetsa i industrin. Den är oftast kraftigt infraröd med en våglängd på ca 10,6 mikrometer. Effekter på hundratals watt är inte ovanliga, men kontinuerliga effekter uppemot 100 000 watt finns.
Ultraviolett laser, ofta s.k. excimerlasrar, används vid tillverkning av halvledare. Eftersom fotonenergin är hög kommer organiska molekyler att slås sönder av strålningen. Detta har medfört att excimerlasern oft använda inom medicin och biologin.
Nd:YAG-laser, pulsad laser med våglängd 1 064 nm. Används för en mängd vetenskapliga ändamål. Ng-YAG lasern är den dominerande lasertypen som används vid materialbearbetning inom den tillverkande industrin, till exempel bilindustrin.
Argonjonlaser
färgämneslaser (Ring Dye Laser)