En laser er en lyskilde som kan sende ut synlig lys, eller sende ut lys i det ultrafiolette eller infrarøde området av det elektromagnetiske spektrum.
Lyset som sendes ut fra en laser, laserstrålen, kjennetegnes ved at den er meget intens, skarpt avgrenset i retning og ensfarget. Laserlys brukes i teknologi, blant annet til overføring av lyssignaler over store avstander, lesing av strekkoder, samt for å lese DVD- og CD-spillere.
Strålingen som sendes ut fra en laser forsterkes ved en fysisk prosess kalt stimulert emisjon. En maser er nært relatert til en laser, da virkemåten er den samme. I maser står m for mikrobølge. Forskjellen på en maser og en laser er bølgelengden på lyset som sendes ut. Iblant kalles laser også for optisk maser. Masere forsterker signaler som genereres elektronisk, mens den strålingen som forsterkes i lasere oppstår i atomer eller molekyler. Man har ikke noe skarpt skille mellom lasere og masere hva bølgelengde angår.
Virkemåte
Stimulert emisjon
Prinsippet som ligger til grunn for laser er stimulert emisjon, en prosess som først ble beskrevet av Albert Einstein i 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 kvantet 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 kvantet som stimulerer prosessen. Hvis det innen et begrenset område finnes 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 lyset som sendes ut fra vanlige lyskilder, hvor de enkelte atomene sender ut lys helt uavhengig av hverandre. Laserens viktigste egenskaper og anvendelser skyldes at lyset som sendes ut er koherent.
Eksiterte atomer
For at laseren skal fungere, 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 populasjonseinversjon. Dette kan man bare oppnå hvis atomene ikke går øyeblikkelig 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, det vil si ved intens belysning med kortbølget lys.
Virkemåten for laseren blir da slik: Bestemte atomer i et stoff eksiteres for eksempel ved at stoffet utsettes for kortbølget lys. De eksiterte atomene går over i en metastabil tilstand. 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 meter 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.
For at laserstrålen skal kunne brukes, 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.
Pulset laser
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 mikrosekunder (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 megawatt. 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 på grunn av 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 og utførelse
Lasere kan lages av krystallinske stoffer, glass, plaststoffer, væsker og gasser. Størrelsen kan variere fra rør eller staver på flere meter til krystaller på under 0,1 millimeter. Det kjennes flere hundre stoffer som kan brukes som lasere, og det oppdages stadig nye. Disse dekker frekvenser fra det infrarøde til det ultrafiolette. Også røntgenlasere er nå utviklet.
De fleste lasere drives av lys fra gassutladningsnør. 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 rundt én volt, 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. I et europeisk samarbeidsprosjekt er det nå utviklet en røntgenlaser av denne typen.
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, for eksempel ved lesing av strekkoder, 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 på grunn av 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 for eksempel 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, blant annet 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 med mer.
Laser brukes også til å bearbeide overflaten til metaller for å oppnå ønskede egenskaper, for eksempel 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 (2022) 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 brukes til meteorologiske og atmosfæriske studier, blant annet av luftforurensninger som sprer strålen. De brukes 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.
Militær bruk
På grunn av 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. Blant annet 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 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. Lasere hvor dette er mulig er derfor godt egnet til slike undersøkelser.
Holografi
Holografi er en laserteknikk som brukes 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, det vil si 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 fibre, 10–100 mikrometer tykke glasstråder hvor signaler i bølgelengdeområdet omkring én mikrometer kan sendes nesten usvekket over store avstander. Teknikken for bruk av lasere og optiske fibre 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.
Medisinske anvendelser
Laser brukes i medisin, for eksempel til behandling av visse hudsykdommer. Se laserbehandling.
Historie
Prinsippet for virkemåten av laseren ble i 1954 foreslått av Charles Hard Townes og Arthur Leonard Schawlow ved Columbia University, New York og av Nikolaj Basov ved Lebedev-instituttet i Moskva.
Den første laseren som virket, en rubinlaser, ble utviklet av Theodore 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 andre verdenskrig.