Laser (licht)

Een laser is een lichtbron die in staat is een smalle coherente bundel licht voort te brengen. Het licht van een laser is daardoor meestal monochromatisch, in tegenstelling tot de meeste andere lichtbronnen, die in allerlei richtingen licht uitzenden in een breed spectrum van golflengtes en fasen.

Het woord laser is oorspronkelijk een afkorting van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, in het Nederlands: lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling. Het woord is echter inmiddels zo ingeburgerd dat het niet meer gezien wordt als een afkorting. De Nederlandse Taalunie heeft om die reden besloten dat het woord zonder hoofdletters geschreven moet worden (cf. radar).

Principe

Het principe van de laser berust op de eigenschap van atomen en moleculen met aangeslagen elektronen, die in een energierijkere toestand zitten dan normaal, om bij terugval naar de lager gelegen toestand een foton uit te zenden. Dit proces heet spontane emissie. Treft dit foton een elektron in een ander atoom of molecuul in dezelfde aangeslagen toestand, dan zal ook dit elektron terugvallen, onder uitzending van een foton dat dan 'in de pas loopt' met het eerste. Dit proces heet gestimuleerde emissie.

In het hart van een laser bevindt zich het lasermedium, een materiaal of gasmengsel dat atomen of moleculen heeft die kunnen worden aangeslagen door middel van bijvoorbeeld licht of een elektrische stroom. Licht dat door spontane emissie wordt uitgezonden in het lasermedium wordt elders in het lasermedium versterkt door gestimuleerde emissie. In een lasermedium van beperkte omvang zal slechts een beperkte versterking plaatsvinden totdat het licht het medium verlaat. Om een grote versterking te bereiken plaatst men het lasermedium tussen twee parallelle spiegels, zodat het uitgezonden licht opnieuw en opnieuw door het medium passeert en daarbij steeds verder versterkt wordt. Door een van de spiegels gedeeltelijk doorlatend te maken, wordt een bundel licht geproduceerd.

Behalve gestimuleerde emissie is er ook absorptie van licht door atomen in een laaggelegen toestand. Versterking treedt alleen op als er meer gestimuleerde emissie is dan absorptie, wat het geval is als er meer aangeslagen atomen zijn dan niet-aangeslagen atomen. Deze situatie heet populatie-inversie en voor de gewenste werking van een laser is het nodig dat zo'n populatie-inversie gecreëerd en in stand gehouden kan worden. Meestal wordt dit gedaan met licht van flitslampen (vergelijkbaar met die in een fotoflitser), licht van een andere laser of elektrische stroom (in een halfgeleider- en gaslasers).

Zichtbaar licht bestrijkt het golflengtegebied van 400 tot 70=0 nanometer (nm). Het licht van een laser is meestal monochromatisch, met een bandbreedte van minder dan een nanometer, soms zelfs minder dan een femtometer. Sommige lasers produceren echter een breedbandig spectrum, tot wel 100 nm in het geval van sommige Ti:saffier lasers. De bandbreedte van een laser wordt grotendeels bepaald door hoe smalbandig de energieovergangen van de atomen in het lasermedium zijn, maar ook door de constructie van de laser die erop gericht kan zijn om heel smalle of juist heel brede golflengtegebieden te bestrijken. Verschillende types lasers hebben wel gemeen dat het licht ruimtelijk coherent is, wat erop neerkomt dat het licht er als een heel goed gedefinieerde bundel uit komt. Dit is in tegenstelling tot het licht van een zaklamp, die zelfs met een goede reflector nooit zo'n nauwe bundel als een laser kan produceren.

Ontstaan ==

De eerste lasers werden gemaakt in 1960 (Theodore H. Maiman), hoewel Einstein al veel eerder de theoretische basis ervoor had gelegd toen hij in 1917 zijn ontdekking van de gestimuleerde emissie van fotonen publiceerde.

Lasertypes

Lasers zijn in te delen naargelang:

• het medium: gaslaser, vaste-stoflaser en vloeistoflaser
• de uitgang: continu lasers (CW, Engels Continuous Wave) en gepulste lasers
• de golflengte: infrarood, zichtbaar of ultraviolet
• het vermogen: kan variëren van milliwatts in een laagvermogenlaser tot duizenden watts in een hoogvermogen industriële laser. Typische middelhoge vermogens liggen tussen de 100 milliwatt en 10 watt.
• de pomprichting: in de lengte (longitudinaal) of dwars (transversaal)
• de pompmethode: elektrisch of optisch

Gaslaser

In gaslasers is het medium een gasmengsel, doorgaans opgesloten in een buis, waardoor een elektrische ontlading loopt, vergelijkbaar met die in een TL-buis. Voorbeelden:

• helium-neonlaser: goedkoop, rood 632,8 nm, laag vermogen, CW: supermarktscanners, meettechniek, holografie;
• koolstofdioxidelaser: diep infrarood, 10,6 µm, hoog vermogen, CW of gepulst: metaalbewerking, geneeskunde, tandheelkunde;
• stikstoflaser: hoog vermogen, gepulst.

In sommige gaslasers zijn het geïoniseerde gasatomen:

• Argon-ionenlaser: groen licht, CW, middelmatig vermogen: lasershows, holografie, meettechniek en oogheelkunde;
• Krypton-ionenlaser: rood licht, CW, middelmatig vermogen: lasershows, holografie en meettechniek.

Excimerlasers zijn gaslasers waar combinaties van edelgassen en halogenen geëxciteerde twee-atomige moleculen vormen:

• KrF-laser: ultraviolet, gepulst, middelmatig vermogen: halfgeleiderindustrie en oogheelkunde;
• ArF-laser: idem, kortere golflengte;
• XeCl-laser: ultraviolet, gepulst, middelmatig tot hoog vermogen.

In metaaldamplasers bestaat het gas uit metaalatomen die bij hoge temperatuur dampvormig zijn:

• helium-cadmiumlaser: violet en ultraviolet licht, laag vermogen, CW: holografie en meettechniek;
• koperdamplaser: groen licht, middelmatig vermogen: metaalbewerking.

In chemische lasers worden twee gassen bij elkaar gebracht die reageren tot een molecuul in een aangeslagen toestand:

• Waterstoffluoride-laser: infrarood (circa 3 micrometer), hoge vermogens. Militaire toepassingen.

Kleurstoflaser (dyelaser)

Het medium van een kleurstoflaser, meestal aangeduid met de Engelse term dye laser, is een vloeibare oplossing van een kleurstof. Kleurstoflasers zijn regelbaar in golflengte, hebben een laag tot middelmatig vermogen en bestaan als CW of gepulste lasers. Ze worden gebruikt in de meettechniek of wetenschappelijk onderzoek.

Vaste-stoflaser

Het medium van een vaste-stoflaser is een vaste stof. Meestal is het een glas of een kristallijn materiaal met daarin een kleine concentratie (dotering van een andere stof waarvan de atomen kunnen worden aangeslagen. Dit type vastestoflasers wordt gewoonlijk gepompt door middel van licht uit een gasontladingslamp of van een andere laser. Het medium van een diodelaser, die elektrisch gepompt wordt (zie onder), is ook een vaste stof, maar diodelasers worden meestal als aparte categorie beschouwd.

De meeste vaste-stoflasers worden genoemd naar de dotering, gevolgd door het type materiaal dat gedoteerd is:

• YAG-laser verzamelbegrip voor de drie volgende types
  • Er:YAG-laser infrarood, middelmatig vermogen, CW of gepulst: chirurgie
  • Ho:YAG-laser infrarood, middelmatig vermogen, CW of gepulst: chirurgie
  • Nd:YAG-laser infrarood 1064 nm, hoog vermogen, CW of gepulst: industrie en oogheelkunde
• glaslaser verzamelbegrip voor de drie volgende types
  • Er:glaslaser infrarood, laag vermogen, gepulst: chirurgie
  • Ho:glaslaser infrarood, laag vermogen, gepulst: chirurgie
  • Nd:glaslaser infrarood, laag vermogen, gepulst: meettechniek
• Robijnlaser rood, laag vermogen, CW of gepulst: historisch belang
• Ti:saffierlaser nabij-infrarood, middelmatig vermogen, meestal ultrakorte pulsen: wetenschap
• Nd:YLF-laser infrarood 1053 nm, middelmatig tot hoog vermogen, gepulst: pomplasers voor Ti:saffierlasers in combinatie met frequentieverdubbeling tot 527 nm.
• Nd:YVO₄-laser infrarood 1064 nm, middelmatig vermogen, CW, meestal met frequentieverdubbeling tot 532 nm: pomplasers voor Ti:saffierlasers en ondertiteling van speelfilms.

Diodelaser

Diodelasers hebben een halfgeleider als medium en worden gepompt met een elektrische stroom. Diodelasers zijn vergelijkbaar met LEDs, met het verschil dat een diodelaser een trilholte heeft. Diodelasers zijn vaak erg klein, dat wil zeggen ongeveer een millimeter, bedrading niet inbegrepen.

De golflengtes variëren van 405 nm (blauw-UV) tot 950 nm en langer (infrarood). Ze zijn CW (continuous wave) of gepulst, met lage tot middelhoge vermogens en ze worden gebruikt in: cd/dvd, communicatietechniek, geneeskunde, alarmsytemen, meettechniek, presentatie, als pomplasers voor vastestoflasers (zogenaamde DPSS-lasers). Veel verschillende golflengtes en vermogens mogelijk, showtoepassingen, laserpointerpen in kleine lasershows.

Vrije-elektronenlaser

• Vrije-elektronenlaser gepulst, militair, wetenschap

Nieuwe typen lasers spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van nieuwe methoden van onderzoek en nieuwe technische toepassingen. De kleinste lasers (niet groter dan een zoutkorrel) kunnen de bouwstenen worden van optische computers die werken met de snelheid van het licht. Lasers met ultrakorte laserpulsen kunnen ingezet worden bij het onderzoeken (en in de toekomst ook heel precies beïnvloeden) van zeer snel verlopende (bio-)chemische processen. Lasers met een ultrahoog vermogen kunnen ingezet worden bij het bewerkstelligen van thermonucleaire fusie.

Veiligheid

Omdat laserlicht, in tegenstelling tot licht van lampen en de zon, de vorm heeft van een nauwe, zich weinig verspreidende bundel, kan het gevaarlijk zijn. Ten eerste kan ook op grote afstand vrijwel het hele vermogen van de laser door de pupil het netvlies bereiken, terwijl de intensiteit van het licht van andere bronnen snel afneemt met de afstand. Bovendien concentreert de ooglens het laserlicht op een zeer klein gebiedje van het netvlies. Deze twee effecten maken dat laserlicht bij relatief kleine vermogens (enkele milliwatts) tot oogbeschadigingen kunnen leiden, door plaatselijke verhitting of door chemische reacties vergelijkbaar met zonnebrand. Dit geldt ook voor infraroodlasers die niet zichtbaar zijn, maar wel schade kunnen veroorzaken.

Lasers die worden verkocht moeten voorzien zijn van een classificatie-aanduiding die aangeeft hoe gevaarlijk de laser is, in een getal van 1 (ongevaarlijk) tot 4 (zeer gevaarlijk), die gedefinieerd zijn in officiële richtlijnen.

De klasses zijn

• Class 1 - de laser is ongevaarlijk, hetzij door een laag vermogen, dan wel door een afscherming die ervoor zorgt dat het licht de ogen niet kan bereiken. De lasers in cd-branders hebben een vrij hoog vermogen, maar zijn klasse 1 om laatstgenoemde reden. Lasers in streepjescodelezers vallen ook onder deze klasse omdat de laserbundel zo snel beweegt dat er nooit een gevaarlijke hoeveelheid licht in het oog kan komen.
• Class 2 - de laser is ongevaarlijk bij normaal gebruik, omdat de reflex om het oog te sluiten voorkomt dat er een oogschade optreedt. Dit zijn zichtbaar-licht-lasers met vermogens tot 1 mW, zoals de meeste laserpointers. Enkele seconden in een dergelijke laser staren kan wel tot (kleine) oogbeschadigingen leiden.
• Class 2M - vergelijkbaar met Class 2, onder de voorwaarde dat er geen instrumenten als lenzen gebruikt worden die het licht zouden kunnen concentreren.
• Class 3M (ook wel Class IIIa) - de laser kan in principe tot oogschade leiden binnen, zelfs als de ogen direct worden gesloten, maar het risico op ernstige oogschade is klein. Dit zijn lasers die zichtbaar licht uitstralen tot 5 mW. Sommige laserpointers hebben deze klasse, al zijn ze in Nederland wettelijk verboden.
• Class 3B- de laser kan bij blootstelling direct ernstige oogschade veroorzaken. Vermogens van 5 tot 500 mW en lasers met onzichtbare golflengtes bij lagere vermogens. De interne lasers in cd- en dvd-branders vallen onder deze categorie wanneer de behuizing van de brander wordt geopend. Diffuus licht van dit type laser is niet schadelijk.
• Class 4 - Behalve de ogen kan de laser ook de huid beschadigen. Alle hogere vermogens. Ook diffuus licht afkomstig van de laser kan de ogen beschadigen.

Bovenstaande vermogens zijn indicaties voor continue lasers. Voor gepulste lasers en voor lasers met onzichtbare golflengtes gelden andere grenswaarden. Lasers zijn voornamelijk gevaarlijk wanneer de bundel direct of via een reflectie van een spiegelend oppervlak het oog raakt. De lichtvlek van een laser die op een mat, niet-glanzend oppervlak valt, kan hinderlijk fel zijn, maar is doorgaans niet direct schadelijk bij vermogens tot enkele watts. Voor mensen die werken met lasers in klassen 3B en 4 zijn er veiligheidsbrillen die licht van de golflengte van de laser absorberen. Lasers met verschillende golflengtes vereisen daardoor ook verschillende typen veiligheidsbrillen. Alle LASERS t/m Class3B, zijn toegestaan in Nederland. Het is echter verboden om te handelen in Class 3A of hogere vermogen lasers. Klasse 3B lasers zijn uitsluitend voor personen van 18 jaar en ouder. Verder is het niet toegestaan om Class 3B lasers in het openbaar te gebruiken.

Toepassingen

Zie: Toepassingen van lasertechniek

Zie ook

• Frequentiekamlaser