Laser, betegnelse på lyskilder hvor strålingen forsterkes ved stimulert emisjon. Ordet er dannet etter mønster av maser, hvor m står for mikrobølge. Iblant kalles laser også for optisk maser.
En laser kan sende ut synlig lys, eller virke i det ultrafiolette eller infrarøde området. Man har ikke noe skarpt skille mellom lasere og masere hva bølgelengde angår. Masere forsterker signaler som genereres elektronisk, mens den stråling som forsterkes i lasere oppstår i atomer eller molekyler.
Lyset som sendes ut fra en laser, laserstrålen, kjennetegnes ved at den er meget intens, skarpt avgrenset i retning og ensfarget.
Virkemåte
Til grunn for virkemåten ligger stimulert emisjon, en prosess som først ble beskrevet av Albert Einstein 1917. Et atom i eksitert tilstand kan bli kvitt sin overskuddsenergi ved utsendelse av elektromagnetisk stråling (lys). Utsendelsen kan skje som spontan emisjon uten noen ytre påvirkning, eller som stimulert emisjon. Betingelsen for stimulert emisjon er at atomet påvirkes av et strålingskvant med samme frekvens eller energi som det kvant som kan sendes ut. Det er karakteristisk for prosessen at lyskvantet som frigjøres, ikke bare får samme frekvens, men også sendes ut i samme retning og med samme fase som det kvant som stimulerer prosessen. Finnes det innen et begrenset område mange atomer som er eksitert til samme energinivå, vil et enkelt kvant først kunne stimulere emisjon fra et atom, og de to kvantene man da får, kan stimulere ny emisjon slik at det dannes en kaskade av lyskvanter. Til sammen vil disse utgjøre en plan bølge av ensfarget stråling. Man har altså fått forsterket det opprinnelige lyssignalet, og man får lys som er kvalitativt forskjellig fra det lys som sendes ut fra vanlige lyskilder, hvor de enkelte atomer sender ut lys helt uavhengig av hverandre. Laserens viktigste egenskaper og anvendelser skyldes at lyset som sendes ut er koherent.
For at laseren skal kunne funksjonere, er det ikke tilstrekkelig at det finnes en del eksiterte atomer. Det er et generelt prinsipp innen fysikken at en prosess som kan gå én vei, også kan gå den motsatte. Når et eksitert atom kan avgi energi, vil et atom i grunntilstanden kunne absorbere energi om det treffes av et kvant som fører med seg den rette energimengden. Betingelsen for å få forsterket lyssignalet ved stimulert emisjon, er at det finnes så mange flere atomer i den høyeste enn i den laveste energitilstanden at emisjonen dominerer i forhold til absorpsjonen. Man må ha en såkalt populasjonsinversjon. Dette kan man bare oppnå hvis atomene ikke går momentant tilbake til grunntilstanden ved spontan emisjon. Tilstanden må være metastabil. Dessuten må man stadig eksitere nye atomer. Dette gjøres enten ved hjelp av elektroner som akselereres i et elektrisk felt og støter mot atomene, eller ved optisk pumping, dvs. ved intens belysning med kortbølget lys.
Virkemåten for laseren blir da slik: Bestemte atomer i et stoff eksiteres f.eks. ved at stoffet utsettes for kortbølget lys. De eksiterte atomene går over i en metastabil tilstand (fluorescenstilstand). Fra en slik tilstand kan de gå tilbake til grunntilstanden ved spontan emisjon, men sannsynligheten for dette er liten. Når et enkelt kvant frigjøres ved spontan emisjon, kan dette stimulere emisjon fra andre atomer og laserstrålen bygges opp.
En forutsetning for å få bygd opp en stråle er at det utsendte kvantet får bevege seg langt i stoffet før det unnslipper. Dette kan oppnås på to måter. Man kan lage laseren som en lang stav og får laserstrålen i stavens lengderetning. Man har laget lasere opptil 200 m lange. Mer praktisk er det å forlenge lysveien ved å plassere stoffet mellom to parallelle speil eller å gi to motstående, parallelle sider et speilende belegg. Lys som beveger seg vinkelrett på speilene, kastes frem og tilbake og forsterkes, mens lys som beveger seg på skrå eller på tvers, forsvinner ut. Strålene som kastes frem og tilbake kan oppfattes som stående bølger, og man får valgt ut frekvensen til lyskvantene slik at avstanden mellom speilene blir et helt antall halve bølgelengder. Laseren tilsvarer da en hulromsresonator for mikrobølger som anvendes ved masere.
For at laserstrålen skal kunne anvendes, må den slippe ut av stoffet. Dette får man til ved å gjøre det ene speilet halvgjennomsiktig, slik at noen få prosent av strålen slipper gjennom ved hver refleksjon. Man kan også ved spesielle blendemekanismer sørge for at strålen bare slipper gjennom i meget korte tidsintervaller eller etter at den har bygd seg opp til meget høy intensitet.
Når strålen bygger seg opp, kan populasjonsinversjonen bli ødelagt. Strålen dør da raskt ut. Men så lenge laseren belyses, vil nye atomer eksiteres og prosessen gjenta seg periodisk. Man får en pulset laser. Pulslengden vil være av størrelsen μs (10−6 s) og repetisjonsfrekvensen kan være omkring 1000 per sekund. Lysintensiteten i hver puls kan bli meget stor, i de sterkeste laserne noen MW. Med blenderanordninger kan man komme opp i en effekt som er 1000 ganger så stor, men pulsens varighet blir da tilsvarende mindre. For ikke å komme opp i urimelig høye temperaturer utsettes slike lasere bare for korte, intense lysglimt, slik at man får en enkel eller noen få pulser mellom hver hvileperiode.
I noen lasere ødelegges ikke populasjonsinversjonen når strålen bygges opp. Det innstiller seg en likevekt mellom atomer som eksiteres pga. belysning utenfra, og de som deeksiteres ved stimulert emisjon. Dette gir en kontinuerlig laserstråle. Den vil være betydelig svakere enn strålen fra en pulset laser. Effekten er oftest bare noen få watt, omtrent som lyset fra en lommelykt, men det er fremstilt kontinuerlige lasere, CO2-lasere, med effekt på nær 10 kW.
Typer, utførelse
Lasere kan lages av krystallinske stoffer, glass, plaststoffer, væsker og gasser. Størrelsen kan variere fra rør eller staver på flere m til krystaller på under 0,1 mm. Det kjennes flere hundre stoffer som kan brukes som lasere, og det oppdages stadig nye. Disse dekker frekvenser fra det infrarøde til det ultrafiolette, og det eksperimenteres med lasere som skal virke i røntgenområdet.
De fleste lasere drives av lys fra gassutladningsrør. I gasslasere kan man eksitere atomene i et separat utladningsrør og la dem strømme inn i laseren. I halvlederlasere, diodelasere, eksiteres atomene av et elektrisk felt, og den elektriske energien går direkte over til laserstrålen. Halvlederlasere er små, effektive og har lang levetid. De kan ha sider på under 0,1 mm, arbeider ved en spenning på ca. 1 V, og lysutbyttet er stort i forhold til den elektriske effekten. De egner seg godt for kommunikasjon, spesielt for bruk i satellitter. Men effekten fra en enkel laser er likevel liten i forhold til det man trenger i telesatellitter hvor det også kreves lang levetid.
Det ble i 1980-årene utviklet en teknikk hvor flere halvlederlasere ble laget som tynne striper plassert ved siden av hverandre i noen få mikrometers avstand. Et slikt sett av lasere kan samstemmes. Dermed økes stråleeffekten. Mens en enkel laser bare gir en effekt på under 0,1 W ved kontinuerlig bruk, kan sett av laserstriper gi en effekt på flere watt. Ved kontinuerlig bruk ved lavere effekt kan de ha en levetid på flere år.
Fri-elektron-lasere
Fri-elektron-lasere var en annen nyutvikling i 1970- og 1980-årene. Her foregår lysemisjonen fra en elektronstråle som sendes gjennom magneter med vekslende feltretning, slik at strålen avbøyes vekselvis mot høyre og venstre. Ved avbøyningen sender den ut bremsestråling som kan stimuleres av fotoner med en bestemt frekvens, på samme måte som strålingen fra et atom. Frekvensen avhenger av elektronenes hastighet. Ved hjelp av store elektronakseleratorer vil det her være mulig å oppnå laserstråling i det ultrafiolette området og antagelig også i røntgenområdet.
Organiske lasere
Organiske lasere lages av organiske fargestoffer løst i væske eller plast. De har den egenskapen at frekvensen avhenger av konsentrasjon og dimensjoner. Også de kan derfor avstemmes slik at de svinger med en valgt frekvens.
Anvendelser
Laserlyset eller laserstrålen har funnet anvendelse på en rekke områder hvor man på forskjellige måter nyttiggjør seg lysets koherens. Den koherente strålen lar seg begrense meget sterkt i rommet. Den egner seg derfor for overføring av lyssignaler over store avstander. Laser har mange anvendelser i dagliglivet, f.eks. ved lesing av strek-koder, i DVD- og CD-spillere og i laserskrivere.
Lasere brukes også i ramanspektroskopi som igjen har mange anvendelser.
Når en laserstråle absorberes i stoff, får man pga. den store energikonsentrasjonen en sterk lokal oppvarming. Et hvilket som helst fast stoff kan bringes til å fordampe eller forbrenne når det treffes av en laserstråle. Men den totale energioverføringen kan likevel være så liten at omgivelsene ikke tar skade. Man kan f.eks. bruke lasere for å bore hull i diamanter, og man kan dirigere strålen slik at hullet får den form man måtte ønske. I elektronisk industri brukes lasere til sveising, bl.a. av deler som befinner seg i lufttomme glassbeholdere. De brukes til mikroboring og for å brenne bort overflødig stoff og derved oppnå riktig størrelse på elektriske motstander og kondensatorer m.m. Laser brukes også til å bearbeide overflaten til metaller for å oppnå ønskede egenskaper, f.eks. skarpe kanter med stor holdbarhet. Ved å sende strålepulsene fra en rekke sterke lasere som arbeider synkront mot samme punkt i en dråpe av flytende deuterium, håper man å oppnå høy nok temperatur til å få i gang fusjon. Metoden har hittil (2005) ikke ført frem, men regnes som en av de teknikker man kan komme til å nyttiggjøre seg ved frigjøring av fusjonsenergi. Se for øvrig laserbearbeiding.
Lasere nyttes til meteorologiske og atmosfæriske studier, bl.a. av luftforurensninger som sprer strålen. De nyttes til sikting og nivellering. Istedenfor å sikte over store avstander med kikkert, sender man ut en laserstråle og ser hvor den treffer. Eventuelle hindringer i siktelinjen markeres av strålen og kan lett fjernes.
TH/ARi
Militær bruk
Pga. den store energitettheten i strålen kan det være farlig å utsette seg for direkte lys fra en laser. Selv over store avstander kan strålen være farlig. Den kan rettes mot vitale deler av en maskin eller organisme og ødelegge disse. Laserstrålen omtales derfor iblant som dødsstråle. Den har betydelig militær interesse. Bl.a. vurderes den for bruk i forsvarssystemer mot rakettvåpen for å ødelegge disse på et tidlig tidspunkt etter oppskyting.
I de hittil nevnte anvendelser er det den store energikonsentrasjonen innenfor et skarpt avgrenset område som utnyttes. Strålens koherens, det forhold at alt lys sendes ut i samme fase eller som et kontinuerlig bølgetog, anvendes til spesielle undersøkelser av atomstrukturer i fysikk og kjemi. Brillouinspredning, en effekt som oppstår ved spredning av lys og som skyldes atomenes varmebevegelse, og ramanspredning, som oppstår når lyskvantene avgir en liten del av sin energi til molekylene, er effekter som teoretisk var velkjente, men som eksperimentelt var meget vanskelige å påvise så lenge man ikke hadde sterke koherente lyskilder til disposisjon. Begge effekter anvendes nå i forbindelse med lasere til undersøkelse av atombevegelse og atom- og molekylstrukturer. Det er her viktig å kunne velge frekvensområde. Avstembare lasere er derfor godt egnet til slike undersøkelser.
Holografi
Holografi er en laserteknikk som nyttes for romlig gjengivelse av bilder.
For telekommunikasjon utnyttes lasere prinsipielt på samme måte som ved radiooverføring. Informasjon formidles via en laserstråle ved at strålen moduleres, dvs. ved at man på en kontrollert måte varierer en av bølgens egenskaper som amplitude, frekvens, fase, polarisasjon eller forplantningsretning. Man kan formidle langt mer informasjon via laser enn med radio- og mikrobølger. Laserkommunikasjon begrenses ved at strålen absorberes og spres i luft. Bare enkelte bølgelengder i det infrarøde området synes å kunne brukes for å formidle signaler i luft over store avstander om man skal holde signalstyrken på et ufarlig nivå. Derimot vil laseren egne seg for kommunikasjon i verdensrommet. Den kan også nyttes i lukkede systemer hvor strålen sendes gjennom lufttomme rør, rør fylt med en gass hvor absorpsjonen er liten eller gjennom optiske fibrer, 10–100 μm tykke glasstråder hvor signaler i bølgelengdeområdet omkring 1 μm kan sendes nesten usvekket over store avstander. Teknikken for bruk av lasere og optiske fibrer for overføring av informasjon over store avstander har vært i sterk utvikling siden 1980-årene. Telefonsystemer som bygger på fiberoptiske laser er i bruk i mange byer rundt i verden.
Medisinsk anvendelse
Laser brukes i medisin, f.eks. til behandling av visse hudsvulster, ved operasjoner på lever og hjerne og ved øyeoperasjoner. Størst anvendelse har laser fått sammen med endoskop, som gjør det mulig å behandle blødninger og svulster i mage-tarm-kanalen, i urinblæren og luftveiene uten vanlig operasjon, samt i behandlingen av «trange» blodårer. Slike laserinngrep er smertefrie og leder ikke til blødninger. Også netthinneløsning kan behandles med laser. Strålen sendes da inn i øyet, og man «punktsveiser» netthinnen fast til årehinnen. Også ved øyekomplikasjoner hos pasienter med diabetes (diabetisk retinopati) og ved blødninger i netthinnen, har laserbehandling fått stor anvendelse.
Historie
Prinsippet for virkemåten av laseren ble 1954 foreslått av C. H. Townes og A. L. Schawlow ved Columbia University, New York og av N. G. Basov ved Lebedev-instituttet i Moskva. Den første laseren som virket, en rubinlaser, ble utviklet av T. H. Maiman i USA 1960. Med de mange anvendelsesområder laseren har fått, må oppfinnelsen regnes som en av de betydeligste som er gjort innen fysikken etter den annen verdenskrig.