Laser: Definition, virkemåde og anvendelser
Lær hvad en laser er, hvordan den fungerer og dens anvendelser inden for medicin, industri og forskning – en klar, præcis og letforståelig guide.
En laser er en maskine, der fremstiller en forstærket, ensfarvet lyskilde med en enkelt farve. Den producerer lys, der er både monokromatisk (næsten kun én bølgelængde), kohærent (bølgerne er i fase) og ofte kollimeret (bevægelsen i én retning), så lyset danner en smal, intenst fokuseret stråle.
Hvordan virker en laser?
En laser bygger på princippet om stimuleret emission. Et aktivt materiale — det kan være en gas, en væske, en krystal eller en halvleder — tilføres energi (pumpeenergi), så flere atomer eller molekyler bringes i en ophidset tilstand. Når et ophidset atom falder tilbage til et lavere energiniveau, udsendes et foton. Hvis dette foton rammer et andet ophidset atom, kan det få det til at udsende et nyt foton med samme fase, retning og bølgelængde — det kaldes stimuleret emission.
Forstærkningen sker i et optisk resonator, typisk mellem to spejle. Det lys, der reflekteres frem og tilbage, bliver forstærket for hver gennemgang, og en lille del slipper ud gennem det ene spejl som laserstrålen. I mange lasere bevæger alt lyset sig i én retning, så det forbliver som en smal stråle af kollimeret lys, som ikke bliver bredere eller svagere som ved almindelige lyskilder.
Vigtige egenskaber
- Monokromatisme: Lasere udsender lys med en meget snæver spektralbredde — ofte kun én farve eller bølgelængde.
- Kohærens: Fotonerne er fasemæssigt sammenhængende, hvilket gør lasere velegnede til måleopgaver som interferometri.
- Kollimering: Strålen spreder sig kun lidt, så den kan føres langt uden at brede sig meget.
- Høj udgangsenergi eller effekt: Afhængigt af type kan lasere levere svage, præcise stråler (f.eks. i måleinstrumenter) eller meget kraftige pulser (f.eks. i industriel skæring).
Typer af lasere
Der findes mange typer lasere, fx:
- Gaslasere (f.eks. helium-neon, CO2)
- Solid-state lasere (fx krystaller som Nd:YAG — se også krystaller)
- Halvlederlasere (diodelasere), som bruges i forbrugerelektronik og telekommunikation
- Fiberlasere, hvor lasermediet er et optisk fiber
- Kemiske og excimerlasere, som har specialiserede anvendelser
Anvendelser
Lasere bruges overalt i moderne teknologi og videnskab:
- Industri: skæring, svejsning, mærkning og materialebehandling.
- Medicinsk: øjenkirurgi (f.eks. LASIK), vævsfjernelse, dermatologi og præcisionskirurgi.
- Telekommunikation: fiberoptiske systemer bruger én farve lys til at overføre data over lange afstande.
- Forskning: spektroskopi, atomfysik, interferometri og avancerede billeddannende metoder.
- Forbrugerelektronik: CD/DVD/Blu-ray-afspillere, lasermoduler i scannere og pegere.
- Militære og sikkerhedsmæssige anvendelser: afstandsmålere, målmarkering og våbensikring.
Sikkerhed
Laserlys kan være farligt for øjnene og ved høj effekt også for huden. Selv svage lasere kan beskadige nethinden ved direkte indblik i strålen. Derfor klassificeres lasere efter risiko, og man bruger beskyttelsesbriller og andre sikkerhedsforanstaltninger i arbejdet med kraftige lasere.
Navn og kort historie
Ordet "laser" er en forkortelse for "light amplification by stimulated emission of radiation" (lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling). Ideen bygger videre på den tidligere opfindelse kaldet Maser, som arbejdede med mikrobølgestråling i stedet for synligt lys. Den første synlige laser blev demonstreret i 1960, og siden da er teknologien blevet udviklet til et utal af praktiske anvendelser.
Når denne smalle stråle peger på noget, danner den et enkelt lyspunkt. Lysets energi forbliver i denne ene smalle stråle i stedet for at sprede sig ud som en lommelygte (en elektrisk fakkel), hvilket er grunden til, at lasere kan levere stor effekt på et meget lille område.
Rød (660, 635nm), grøn (532, 520nm) og blå (445, 405nm) laser
Mekanisme
En laser skaber lys ved hjælp af særlige processer, der involverer et materiale, der kaldes et "optisk forstærkningsmedium". Der tilføres energi til dette materiale ved hjælp af en "energipumpe". Dette kan være elektricitet, en anden lyskilde eller en anden energikilde. Energien får materialet til at gå ind i det, der kaldes en exciteret tilstand. Det betyder, at elektronerne i materialet har ekstra energi, og efter et stykke tid vil de miste denne energi. Når de mister energien, vil de frigive en foton (en lyspartikel). Den type optisk forstærkningsmedium, der anvendes, vil ændre hvilken farve (bølgelængde), der vil blive produceret. Frigivelsen af fotoner er "stimuleret strålingsemission" i laseren.
Mange ting kan udstråle lys, som f.eks. en pære, men lyset vil ikke være organiseret i én retning og fase. Ved at bruge et elektrisk felt til at kontrollere, hvordan lyset skabes, vil dette lys nu være af én slags og gå i én retning. Dette er "kohærent stråling".
På dette tidspunkt er lyset stadig svagt. Spejlene på begge sider sender lyset frem og tilbage, og dette rammer andre dele af det optiske forstærkningsmedium, hvilket får disse dele til også at frigive fotoner og genererer mere lys ("lysforstærkning"). Når hele det optiske forstærkningsmedium producerer lys, kaldes dette for mætning og skaber en meget stærk lysstråle ved en meget smal bølgelængde, som vi kalder en laserstråle.
Laserskæring
Design
Lyset bevæger sig gennem mediet mellem de to spejle, der reflekterer lyset frem og tilbage mellem de to spejle. Et af spejlene reflekterer dog kun delvist lyset, så noget af det kan slippe ud. Det undslippende lys udgør laserstrålen.
Dette er en simpel konstruktion; den anvendte type optisk forstærkningsmedium definerer normalt lasertypen. Det kan være et krystal, f.eks. rubin og et granatkrystal fremstillet af yttrium og aluminium med sjældne jordarters metal blandet i. Der kan anvendes gasser til laser ved hjælp af helium, nitrogen, kuldioxid, neon eller andre gasser. Store, kraftige lasere er normalt gaslasere. En frielektronlaser anvender en stråle af elektroner og kan indstilles til at udsende forskellige farver. Endelig bruger de mindste lasere halvlederdioder til at producere lyset. Disse er de mest talrige og anvendes i elektronikken.
Historie
Albert Einstein var den første, der fik idéen om stimuleret emission, som kunne producere en laser. Fra det tidspunkt blev der brugt mange år på at se, om ideen virkede. Først lykkedes det at lave masere, og senere fandt man ud af, hvordan man kunne lave kortere synlige bølgelængder. Det var først i 1959, at navnet laser blev opfundet af Gordon Gould i en forskningsartikel. Den første fungerende laser blev sammensat og drevet af Theodore Maiman på Hughes Research Laboratories i 1960. Mange mennesker begyndte at arbejde på lasere på dette tidspunkt, og spørgsmålet om, hvem der skulle have patent på laseren, blev først afgjort i 1987 (Gould vandt rettighederne).
Applikationer
Lasere har fundet mange anvendelsesmuligheder i både hverdagen og i industrien. Lasere findes i cd- og dvd-afspillere, hvor de læser koden fra den disk, der indeholder en sang eller film. En laser bruges ofte til at aflæse stregkoder eller SQR-koder på ting, der sælges i en butik, for at identificere et produkt og angive dets pris. Lasere anvendes inden for medicin, især ved LASIK-øjenskirurgi, hvor laseren bruges til at reparere hornhindens form. Den bruges i kemi med spektroskopi til at identificere materialer, for at finde ud af, hvilken slags gasser, faste stoffer eller væsker noget er lavet af. Stærkere lasere kan bruges til at skære metal.
Lasere bruges til at måle Månens afstand til Jorden ved at reflektere på reflektorer efter Apollo-missionerne. Ved at måle den tid, det tager lyset at rejse til Månen og tilbage igen, kan vi finde ud af, hvor langt væk Månen er.
Laserpointere bruges af folk til at pege på et sted på et kort eller et diagram. For eksempel bruger foredragsholdere dem. Mange mennesker kan også godt lide at lege med laserpointere. Nogle mennesker har peget på fly med dem. Det er farligt, og det er også ulovligt i mange lande. Folk er blevet arresteret og retsforfulgt for denne forbrydelse.
Computere bruger almindeligvis en optisk computermus som en indtastningsenhed. Moderne laserpointere er for store og kraftige til dette formål, så de fleste mus bruger små VCSEL'er eller "Vertical cavity surface-emitting lasere" til dette formål. Disse lasere anvendes også i DVD- og CD-ROM-drev og til holografi.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er en laser?
A: En laser er en maskine, der laver en koncentreret, ensfarvet lysstråle ved hjælp af specielle gasser eller krystaller, der får energi til at udsende lys.
Q: Hvordan laver en laser sit lys?
A: Gasserne eller krystallerne i en laser får energi til at udsende lys, som derefter forstærkes eller gøres stærkere ved hjælp af spejle.
Q: Producerer en laser lys i mange farver?
A: Nej, en laser producerer kun lys med en enkelt farve.
Q: Hvad er kollimeret lys?
A: En smal, koncentreret lysstråle, der ikke bliver bredere eller svagere, mens den bevæger sig, i modsætning til de fleste andre lyskilder.
Q: Hvad er betydningen af ordet laser?
A: Laser er et akronym, der betyder "lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling".
Q: Hvad er forskellen mellem en laserstråle og en lommelygte?
A: En laserstråle forbliver koncentreret i en smal stråle, mens en lommelygte spredes ud og bliver svagere.
Q: Hvad er forbindelsen mellem en laser og en maser?
A: Laseren blev udviklet fra en tidligere maskine kaldet en maser, og begge enheder bruger lignende principper til at producere forstærket lys.
Søge