[clight amplification by stimulated emission of radiation], m. (-s), apparaat dat een smalle gerichte bundel licht dat zeer intens en vrijwel monochromatisch en coherent is, uitzendt.
Een laser kan infrarood, zichtbaar of ultraviolet licht uitzenden.
PRINCIPE. In een systeem in evenwicht (verzameling van atomen of moleculen, kristal) worden de bezettingen van de energieniveaus gegeven door een verdelingsfunctie (b.v. de Boltzmann-verdeling). Deze houdt o.m. in, dat het aantal deeltjes in een hoog energieniveau kleiner is dan het aantal deeltjes in een lager energieniveau. Deze verdeling komt tot stand door botsingen tussen de deeltjes en door absorptie en emissie van straling. In de evenwichtstoestand is het aantal overgangen tussen twee niveaus door absorptie en emissie gelijk. De absorptie is evenredig met de intensiteit van de invallende straling.
De emissie bestaat uit twee termen: de eerste, de spontane emissie, is slechts afhankelijk van de atoomeigenschappen (overgangswaarschijnlijkheid); de tweede term, de gestimuleerde emissie, is evenredig met de intensiteit van de invallende straling. In formule:
BnmNnP = AmnNm + BmnNmP, waarin Bmn en Amn evenredigheidsconstanten zijn (Einstein-coëfficiënten), Nn en Nm de bezettingen van het benedenniveau n en bovenniveau m en P de intensiteit van de straling bij de frequentie, corresponderend met de overgang n—m; tevens geldt Bnm = Bmn.
Omdat doorgaans Nm veel kleiner is dan is gestimuleerde emissie bij systemen in evenwicht meestal van weinig belang. Men kan echter (door speciale methoden van excitatie) toestanden realiseren, waarin Nm groter is dan Nn. Bij zulke nietevenwichtstoestanden zegt men, dat een bezettingsinversie bestaat. Doorloopt een lichtbundel zon medium, dan wordt hij weliswaar verzwakt door absorptie, maar nog meer versterkt door de gestimuleerde emissie. Er treedt laserwerking op. Deze mogelijkheid is in 1958 door C.H.Townes en A.
L.Schawlow aangegeven, als uitbreiding van de reeds bekende microgolf-versterking (maser).
UITVOERING
Een bezettingsinversie kan op verschillende manieren (met behulp van elektrische energie, stralingsenergie en chemische energie) in verschillende media verkregen worden. Om de lichtweg in het medium, en daarmee de optische versterking, te vergroten, sluit men het actieve medium vrijwel steeds op in een optische resonator, m.n. een Fabry-Pérot interferometer. De twee (ca. 98 % reflecterende en 2% doorlatende) spiegels van de interferometer zorgen dat de lichtbundel het medium vele malen doorloopt, alvorens naar buiten te treden. In de interferometer ontstaan staande lichtgolven, echter slechts met zodanige golflengten, dat precies een heel aantal halve golflengten op de lengte van de interferometer begrepen is.
Zo kunnen b.v. binnen het door het dopplereffect bepaalde profiel van een spectraallijn van het gas een aantal veel smallere interferometer-resonanties een plaats vinden (afb.). Bij enkele metaaldamplasers (Pb,Mn,Cu) is de versterking zo groot (ca. een factor 10 per cm), dat eenmalig doorlopen van het medium reeds maximale versterking geeft en optische opsluiting dus niet nodig is. Men spreekt dan van superradiantie.
1. Kristallasers. Door een sterke lichtflits wordt het bovenniveau van een overgang door absorptie volgepompt. Meestal geschiedt dit via een derde niveau, zoals in de robijnlaser (afb.2 en 3), een kristal van Al203 met 0,05 % Cr. Vlak na de flits treedt dan laserwerking op. Op deze wijze werkt de eerste, in 1960 door T.H.Maiman geconstrueerde laser. Met robijnlasers zijn piekvermogens van de orde van 108 W bereikt in pulsen van 10"s s bij een golflengte van 694 nm (rood). Men heeft ook continu werkende lasers vervaardigd die een vermogen van enige watts produceren. Een tweede belangrijke kristallaser is de YAG (Yttrium Aluminium Garnet)-laser. In het kristal Y3Al2015 is een fractie van de Y3+-ionen vervangen door neodymium (Nd3+)-ionen die de feitelijke laserwerking dragen. Met deze laser zijn vermogens van 1013 W in pulsen van ca. 10-11 s bij een golflengte van ca. 1 𝜇.m (infrarood) gerealiseerd.
2. Gaslasers. Het bovenniveau van een overgang kan ook door (inelastische) botsingen selectief bevolkt worden vanuit een ander atomair systeem. Men kan dit verkrijgen met behulp van een gasontlading in een mengsel van gassen, b.v. helium en neon (afb.4). Het bestaan van metastabiele niveaus bevordert het ontstaan van een inversie. Behalve in neutrale gassen is ook laserwerking verkregen in geïoniseerde gassen. B.v. de Ar+-laser met de voornaamste lijnen bij 488 nm (blauw) en 514 nm (groen). Continue vermogens tot 100 W zijn bereikt. Ook metaaldampen van elementen als tin, lood, zink en cadmium kunnen laserwerking vertonen, de laatste o.a. bij 325 nm (ultraviolet). Om voldoende dampspanning te krijgen wordt de damp verhit tot enige honderden graden Celsius. Ook moleculaire gaslasers, die berusten op een inversie in de vibratie- en rotatieniveaus, behoren tot dit type. Door het tamelijk kleine energieverschil tussen de vibratie- en rotatieniveaus werken deze lasers doorgaans in het infrarode deel van het spectrum (5--300 𝜇m). De meest bestudeerde molecuullaser is de C02-laser, met voornaamste werking bij 10,6 𝜇m. Mede dankzij het hoge rendement van 10—20 % zijn vermogens (bij continue werking) van tientallen kilowatt straling bereikt.
3. Chemische lasers. Inversies kunnen ook optreden na een chemische reactie. Het reactieprodukt wordt dan in een aangeslagen toestand gevormd. Een van de nog schaarse chemische lasers is atomaire jooddamp, dat in een aangeslagen toestand ontstaat na fotolyse van CF3J. Er treedt laserwerking op bij 1315 nm (infrarood).
4.Halfgeleiderlasers. Inversies zijn ook verkregen in de overgangslaag van bepaalde types p—n-diodes (b.v. GaAs met Zn verontreinigd). De laserwerking treedt op in het vlak van de grenslaag.
5.Vloeistoflasers. Enige groepen organische kleurstoffen, o.a. polymethinen en xanthenen vertonen fluorescentie over een breed spectraalgebied. Bij plaatsing in een optische resonator kan de fluorescentie overgaan in laserwerking in een zeer nauw golflengtegebied (afb.5). Men kan de resonantie afstembaar maken met behulp van een draaibaar rooster of een Fabry-Pérot interferometer en aldus de golflengte van de laserwerking naar believen veranderen, in principe (met achtereenvolgens verschillende kleurstoffen) over het gehele zichtbare gebied.
EIGENSCHAPPEN VAN LASERSTRALING
De eigenschappen van de laserstraling worden deels bepaald door het overheersen van de gestimuleerde emissie, deels door de eigenschappen van de interferometer. Een gestimuleerd uitgezonden foton heeft dezelfde richting en fase als het stimulerende foton. Daardoor zijn alle fotonen in één (interferometer) resonantie in fase: m.a.w. de straling in één resonantie (Eng. mode) is coherent. Door de bouw van de interferometer zullen slechts de modes die evenwijdig of bijna evenwijdig aan de optische as zijn laserwerking vertonen. In een gaslaser kan men één mode isoleren.
De uittredende bundel heeft dan een zeer kleine openingshoek, die wordt bepaald door de buiging aan het uittreevenster. Een laserbundel met een golflengte van 1 p., die via een telescoop met een doorsnee van 1 m op de maan gericht wordt, zou, zonder turbulenties in de aardatmosfeer, een doorsnee hebben van slechts 400 m. De turbulentie in de atmosfeer maakt echter, dat de doorsnee minimaal 2 km is.
De spectrale breedte van de lijn is kleiner dan zowel de natuurlijke breedte van de emissielijn als de spectrale breedte van de gebruikte interferometer. De intensiteit (= de stralingsenergie per seconde, per eenheid van oppervlak en per eenheid van ruimtehoek) van een laserbundel is groot wegens de zeer kleine ruimtehoek die de bundel inneemt en de mogelijkheid, die men daardoor heeft om met een lens de bundel op een zeer klein gebiedje te concentreren.
TOEPASSINGEN
De verschillende bijzondere eigenschappen vinden, apart of in combinaties, in snel toenemende mate toepassing in onderzoek, onderwijs en techniek. De grote coherentie en monochromaticiteit maken de laser bij uitstek geschikt als lichtbron in interferometrische toepassingen. De optische meting van snelheden, afstanden, oneffenheden in oppervlakken enz. kan thans vaak 10-100 maal nauwkeuriger uitgevoerd worden. Zo kunnen b.v. aardkorstbewegingen gemeten worden met een nauwkeurigheid van 1 mm op 10 km. Bij grote bouwwerken als bruggen, schepen en tunnels past men voor het aligneren van de onderdelen veelvuldig lasers toe.
In het onderwijs zijn talrijke proeven over buiging en interferentie van licht vrijwel moeiteloos in projectie te demonstreren. Ook de holografie is te danken aan de uitvinding van de laser.
Een laserbundel kan ook gebruikt worden als draaggolf voor communicatiedoeleinden. Door de korte golflengte van de straling en de coherentie kunnen zeer veel gesprekskanalen (in theorie tot 108) in één bundel ondergebracht worden. In tegenstelling tot radio en televisie moet echter de zender uiterst nauwkeurig op de ontvanger worden gericht (met het voordeel dat de berichten niet afgeluisterd kunnen worden).
De hoge intensiteit van de laserstraling kan voor een aantal doeleinden gebruikt worden. Wetenschappelijk is van belang, dat de elektrische veldsterkte in de bundel vergelijkbaar wordt met de veldsterkte in het inwendige van atomen. Hierdoor treden een aantal niet-lineaire optische effecten op. Een van deze effecten is de frequentieverdubbeling van de invallende straling. Zo wordt een bundel van 694 nm van de robijnlaser in bepaalde kristallen gedeeltelijk omgezet in straling van de dubbele frequentie, dus van 347 nm.
De thermische effecten van de laserbundels met groot vermogen worden gebruikt voor zulke verschillende doeleinden als netvliescoagulatie, het boren van gaten in metalen platen en diamant, het snel verdampen van kleine hoeveelheden materiaal om het geschikt te maken voor chemische analyse en zeer nauwkeurige vacuümlastechnieken. Ook het inleiden van thermonucleaire reacties met lasers, in plaats van met kernsplijtingsreacties, wordt onderzocht.
Militaria. De laser wordt in een aantal hypermoderne wapensystemen van de VS en de USSR op experimentele basis toegepast om doelen op te sporen of te markeren, of om geleide wapens te besturen. Het wordt mogelijk geacht, dat de laser in de toekomst ook als vernietigingswapen zal kunnen worden gebruikt.
LITT. H.G.Freie en A.L.Schawlow, Lasers (1967); O.Svelto, Principles of lasers (1976).
