Laser
Från Rilpedia
- För båtmodellen med samma namn, se Laser (båtmodell).
Laser är en akronym för engelska Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning"). Det är en teknik som genom stimulerad emission skapar ljusstrålar som är enfärgade (monokroma), koherenta (ljusvågorna är i fas), har en riktning och har stark intensitet. Med en laser är det även möjligt att skapa ljuspulser som är mycket korta (ner till i storleksordningen femtosekunder). En maser bygger på samma princip som en laser, men använder mikrovågor istället för synligt ljus.
Den första användbara lasern konstruerades av Theodore Maiman 1960. Den vanligast förekommande lasertypen är halvledarlasern som förekommer i många konsumentprodukter, exempelvis cd- och dvd-läsare, laserpekare och laserskrivare.
|
Lasrar delas vanligen in i kontinuerliga lasrar, som avger en konstant ljusstråle, och pulsade lasrar, där en kontrollerad ljuspuls avges som kan vara mycket kort (femtosekunder) och ha mycket hög effekt (motsvarande mänsklighetens totala effektförbruktning).
Innehåll |
Historia
Den första användbara lasern gjordes vid Hughes Research Laboratories i Malibu av Theodore Maiman år 1960. Den första lasern var en rubinlaser, där lasermediet bestod av en rubinkristall. Rubinlasern ger en röd laserstråle, vilket Maiman förutsagt efter teoretiska beräkningar. Problemet var att ingen visste exakt hur en laserstråle skulle se ut, han visste inte om det skulle vara användbar eller inte men det visade den sig att vara och den gav mycket framgång i senare försök. Maiman var inte säker på att han med blotta ögat skulle kunna avgöra om lasern fungerade eller om det röda ljus han såg bara var rött fluorescensljus från spontan emission i rubinkristallen.
Maiman utförde därför två olika experiment med sina kollegors hjälp som övertygade honom om att det verkligen var laserljus de såg och att det inte var farligt för ögonen. Det första Maiman valde att göra var att mäta längden på ljuspulserna från lasern med en fotodetektor. Vid spontanemission är fluorescenslivslängden från rubin omkring 3 millisekunder. När laserverkan uppnåtts förkortades pulslängden till hundradelar av detta vilket var en stor framgång.
I det andra experimentet valde Maiman och hans kolleger att mäta bredden på de röda ljuspulsernas spektrallinje från rubinkristallen. Vid lasereffekt smalnade en av linjerna dramatiskt samtidigt som intensiteten ökade. Under 1960-talet utvecklades lasrar som använder sig av Q-switching och modlåsning vilket ökade möjligheten att uppnå höga effekter för pulsade lasrar.
Skillnader relativt andra ljuskällor
En laser sänder ut ljus i ett begränsat våglängdsintervall, medan till exempel en glödlampa i huvudsak sänder ut svartkroppsstrålning över hela spektret.
En laser har också liten divergens av det utsända ljuset, eftersom de vägar som ljuset kan komma ut ur lasern begränsas av kaviteten. Därigenom är det möjligt att uppnå en stark fokusering av laserljuset.
En tredje skillnad är att laserljuset är koherent; ljuset ut ur lasern har alltså samma fas. Koherenslängden, det vill säga den sträcka som ljusvågorna ligger väl i fas med varandra, varierar, men ligger oftast på 2-10 gånger laserkällans längd. Det innebär att diodlasrar har koherenslängder på någon millimeter, medan gaslasrar för skolbruk har koherenslängder på någon meter. Lasrar som optimerats med avseende på koherens kan ha koherenslängder på tiotals kilometer.
Alla dessa egenskaper, kanske främst det faktum att lasrar enbart sänder ut ljus inom ett begränsat våglängdsintervall, gör dem populära för vetenskapliga ändamål, till exempel för att studera gaser, se laserdiagnostik.
Grundläggande teori
1. Lasermedium
2. Pumpljus som exciterar lasermediet
3. Helt reflekterande spegel
4. Delvis genomsläpplig spegel
5. Laserstråle
Lasern sänder ut fotoner i fas med varandra i en smal väldefinierad ljusstråle i en enda våglängd, till skillnad från en vanlig ljuskälla som sänder ut fotoner i alla riktningar och faser över ett brett elektromagnetiskt spektrum (olika våglängder). Lasern kan man koncentrera till en liten yta och då blir den därmed mycket intensivare, så ju mindre yta laserljuset kan när den är tillräckligt intensiv skära genom mineraler och stål. Lasern används ofta även inom optisk kommunikation.
Laserljus kan förekomma över hela det infraröda, synliga och ultravioletta spektret ned till röntgenstrålning. Dock är rött laserljus billigast att framställa och används därför ofta. Det finns en apparatur liknande lasern som istället för synligt ljus använder våglängder i mikrovågsdelen av ljusspektret. Dessa kallas för maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Masrarna används som regel inte som källor för mikrovågsstrålning, utan som extremt känsliga förstärkare i till exempel radioastronomiska mottagare.
Spontan och stimulerad emission
En atom eller molekyl som utsätts för ljus av lämplig våglängd kan ta upp ljusenergi i form av fotoner och därmed övergå till en högre energinivå. I lasersammanhang kallas detta att atomen eller molekylen pumpas. Pumpljuset kan komma från en blixtlampa eller från en annan laser. Av flera orsaker kan den sedan hoppa från den högre energinivån till en lägre; detta leder då till att en foton med en energi motsvarande energiskillnaden mellan excitationsnivåerna emitteras. Detta kallas de-excitation. Beroende på om övergångarna ligger mellan elektroniska nivåer (det vill säga att elektronernas struktur i atomen eller molekylen ändras) eller inom rotations- och vibrationsband kommer den emitterade fotonens våglängd att ligga mellan synligt ljus och infrarött.
Om detta sker utan inverkan av en inkommande foton kallas det för spontan emission. Den utgående fotonen kan då ha vilken riktning som helst.
Vid stimulerad emission får en inkommande foton en av atomens elektroner att de-exciteras. Till skillnad mot spontan emission avges nu två fotoner som båda är i fas.
Linjebreddning
 |
Detta korta avsnitt behöver utökas. |
Kaviteten
En optisk kavitet består av två speglar som placeras på varsin sida av lasermediet. Laserljuset kommer därför att passera genom mediet upprepade gånger. Den ena spegeln reflekterar inte riktigt allt ljus, så det ljus som lämnar kaviteten genom denna spegel bildar den synliga laserstrålen.
Q-switching
Q-switching är ett sätt att skapa korta laserpulser med mycket hög effekt, som bygger på att kaviteten görs ogenomskinlig. En äldre metod för att åstadkomma Q-switching är att använda en roterande spegel, en annan är att placera ett absorberande material mellan lasermediet och utkopplingsspegeln. Detta material bleks tills det blir transparent.
Modlåsning
|
Detta korta avsnitt behöver utökas. |
Säkerhetsklasser
Beroende på laserstrålens effekt, utbredning samt våglängd klassificieras lasern enligt en internationell skala.
- Klass 1 Effekten är låg och orsakar inte ögonskador.
- Klass 1M Orsakar inga skador om strålen inte samlas med hjälp av optik.
- Klass 2 Synlig laser som förmår ögat att blinka innan skador uppkommer.
- Klass 2M Synlig spridd laser som kan skada ögat om strålen samlas optiskt.
- Klass 3R Gränsfall för vad som skadar ögat. Laserstrålar som tillfällig träffar ögat ger inga skador.
- Klass 3B Laserstrålen får inte träffa ögat men reflekterat ljus är ofarligt.
- Klass 4 Både reflekterat ljus och tillfällig exponering är farligt för ögat. Kan även skada hud och orsaka brand.
Tidigare har lasrar klassificierats enligt äldre klasser som inte varit internationellt samstämmiga, äldre lasrar är givetvis märkta enligt det gamla systemet.
Olika typer av laser
- Helium-neonlaser använder som aktivt medium helium och neon och som pumpanordning elektriska urladdningar. Lasern uppnår laserverkan bland annat vid 632,8 nm. Excitationen uppnås genom kollisioner mellan heliumatomerna. De flesta helium-neonlasrar har låg effekt, 0,5–10 mW.
- Rubinlaser, ljus med våglängd 694,3 nm, används till exempel för att avlägsna tatueringar och födelsemärken inom läkarvetenskapen.
- Halvledarlasrar eller diodlasrar används i "laserpekare", laserskrivare, cd-/dvd-spelare och inom fiberoptisk kommunikation då de är små och billiga att masstillverka.
- Koldioxidlaser används för att skära och svetsa i industrin. Den är oftast kraftigt infraröd med en våglängd på cirka 10,6 mikrometer. Effekter på hundratals watt är inte ovanliga, men kontinuerliga effekter uppemot 100 000 watt finns.
- Excimerlaser ger strålning i det ultravioletta området. De används bland annat inom tunnfilmstekniken och halvledarindustrin. Eftersom fotonenergin är hög kommer organiska molekyler att slås sönder av strålningen. Detta har medfört att excimerlasern ofta används inom medicin och biologin.
- Nd:YAG-laser, pulsad laser med våglängd 1 064 nm. Används för en mängd vetenskapliga ändamål. Ng-YAG lasern är den dominerande lasertypen som används vid materialbearbetning inom den tillverkande industrin, till exempel bilindustrin.
- Argonjonlaser kan ge laserstrålning av ett flertal våglängder inom det synliga området (samt några i UV och IR), de starkaste vid 488 nm och 514 nm. Det främsta användningsområdet är idag optisk spektroskopi.
- Färgämneslaser (Dye Laser)
Se även
Externa länkar
- SSM, Statens Strålskyddsmyndighet, Laser
- Wikimedia Commons har media som rör Laser
Källor
- Principles of Lasers, Svelto, O. 1998. New York: Plenum Press
- SSM Laserklasser
