Laser: sociaal medium avant la lettre

Lasers zijn overal om ons heen, en zijn onmisbaar in ons dagelijkse leven bij toepassingen zoals het snijden en lassen van metalen, in DVD-spelers en laserprinters, om signalen door glasvezels te sturen, of om deeltjes aan elkaar te sinteren bij 3D-printen. En waar zouden science fiction films als Star Wars zijn zonder de laserstraal …


Spiegels en lenzen om laserstralen te reflecteren of af te buigen in de laserprinter

Het woord laser is een afkorting die staat voor light amplification by stimulated emission of radiation, oftewel lichtversterking veroorzaakt door gestimuleerde uitzending van straling. ‘Laser’ is dus een verschijnsel, en niet zozeer een apparaat, hoewel in het dagelijkse spraakgebruik met ‘de laser’ soms het apparaat of de resulterende laserstraal wordt bedoeld. Lasers bestaan al zo’n vijftig jaar, en vanwege hun onderlinge stimulering kun je ze in feite zien als één van de oudste sociale media.
Waar een gloeilamp licht in alle richtingen en met alle kleuren van de regenboog uitzendt, doet een laser precies het andere uiterste: het zendt licht in één richting en met één golflengte uit, met een intense lichtbundel tot gevolg. Hoe laat een laser alle lichtdeeltjes met de neus dezelfde kant op wijzen?

Het ‘apparaat laser’ bestaat uit een versterkend medium – doorgaans een vast materiaal of een gas – tussen twee spiegels dat een versterkend effect heeft op de energie van een externe bron. De toevoer van externe energie gebeurt bijvoorbeeld door het versterkende medium te bestralen met licht van (xenon) flitslampen, licht van andere lasers of door een elektrische stroom door het versterkende medium te laten lopen – in lasertermen de ‘pomp’ genoemd. Als je aan een atoom van dit versterkende medium voldoende energie toevoegt, dan komt het atoom in een ‘aangeslagen’ toestand terecht, waarbij een elektron van de grondtoestand naar een hogere energietoestand verhuist. Het elektron voelt zich hier niet prettig, en wil het liefst terug naar de oorspronkelijke grondtoestand. Het energieverschil tussen de hogere toestand en de grondtoestand komt bij deze spontane teruggang vrij in de vorm van een lichtdeeltje of warmte. Voor zover niets nieuws onder de zon. Maar wat blijkt nu? Als je zo’n atoom met een elektron in de hogere energietoestand bestraalt met een lichtdeeltje met dezelfde energie als het eerder genoemde energieverschil, dan stimuleert dit lichtdeeltje het elektron om terug te vallen naar de grondtoestand, waar ook weer een lichtdeeltje vrijkomt – naast het oorspronkelijke lichtdeeltje dat blijft stralen. Met andere woorden: één lichtdeeltje leidt tot twee lichtdeeltjes, elk met dezelfde energie – en dus ook golflengte van het licht – die ook nog eens in dezelfde richting stralen. Voor een goede laserwerking is het essentieel om veel atomen in de aangeslagen toestand te hebben zitten – dus een goede ‘pomp’ te hebben. Dan kan dit proces zichzelf immers in stand houden: twee lichtdeeltjes leiden tot vier lichtdeeltjes, die op hun beurt weer tot acht lichtdeeltjes leiden, en vervolgens zestien, tweeëndertig, enzovoorts. De parallelle spiegels aan weerszijden van het versterkend medium zorgen voor een ‘extra versterking’ door de lichtdeeltjes weer terug het versterkende medium in te sturen. Als je één van de twee spiegels half-doorlaatbaar maakt, kun je het laserlicht uit het apparaat laten komen en heb je de lichtbron beschikbaar. Je kunt er uiteraard ook voor kiezen om één van de spiegels steeds bliksemsnel weg te halen, maar dat is in de praktijk niet te doen …

Door deze kettingreactie stimuleert één lichtdeeltje dus uiteindelijk de emissie van talloze lichtdeeltjes, allemaal met dezelfde richting en dezelfde golflengte die allemaal met elkaar in de pas lopen – een hele intense, nauwe lichtbundel. Als de kettingreactie na één keer ‘pompen’ afloopt spreken we van een gepulste laser – waarbij opnieuw ‘pompen’ voor een nieuwe puls zorgt. Bij een continue laser blijft het vermogen van het uitgestraalde laserlicht constant, bijvoorbeeld doordat er voortdurend een elektrische stroom door het versterkende medium wordt gestuurd waardoor er steeds nieuwe atomen worden aangeslagen. Het vermogen ven een laser varieert tussen enkele milliwatts – bijvoorbeeld in laserpointers – en meerdere kilowatts – denk hierbij aan lassen en snijden.

Voor toepassingen als het sturen van lichtsignalen door glasvezels, in laserpointers of in DVD’s worden diodelasers gebruikt – in feite de meest gebruikte laser. Een diodelaser is niets anders dan een LED (licht-emitterende diode) die laserlicht produceert. Bij een diodelaser is een halfgeleidermateriaal het versterkende medium. Hiertoe moet je een veel hogere stroom door de diode sturen – enkele tientallen milliampères – dan je door een normale LED zou doen. Als je een lagere stroom door de diodelaser stuurt, dan werkt hij als een gewone LED; er zijn dan immers te weinig atomen in de aangeslagen toestand om als laser te kunnen werken. Bij vastestoflasers bestaat het versterkende medium doorgaans uit vast oxidisch kristal dat die met een zeldzame aarde gedoteerd is, zoals neodymium-gedoteerd yttrium-aluminium-granaat (Nd:YAG oftewel Nd:Y3Al5O12).

Naast vaste materialen kunnen ook gassen de basis vormen voor een laser. Bij een CO2-laser wordt een mengsel van kooldioxide, stikstof en helium in een aangeslagen toestand gebracht door een continue elektrische stroom door het gas te jagen – enigszins vergelijkbaar met een TL-buis – waardoor er vervolgens gestimuleerd lichtdeeltjes worden uitgezonden. Al deze lichtdeeltjes, gezamenlijk de laserstraal genoemd, hebben bij de CO2-laser dezelfde golflengte in het infrarode gebied van 10,6 μm, en stralen allemaal in dezelfde richting. Dit geeft een zeer intense stralingsbundel met enkele kilowatts aan continu vermogen. Behalve het snijden en boren van materialen (zelfs op microschaal) kun je met zo’n krachtige CO2-laser ook metalen aan elkaar lassen. Vaste materialen vormen dus niet zozeer de basis van deze laser, maar een CO2-laser is op zijn beurt wel geschikt om materialen te bewerken. Maar denk ook aan toepassingen binnen de geneeskunde, zoals het verwijderen van tumoren met de laser.