Dit artikel is in ietwat verkorte vorm gepubliceerd in NRC Handelsblad, 15 mei 2010
De laser wordt vijftig...
Samen met de computer en de transistor behoort de laser tot de succesvolste uitvindingen van de 20e eeuw. Precies vijftig jaar geleden zag de eerste laser het licht.
Het is maandagmiddag 16 mei 1960. Theodore Maiman en zijn assistent Irnee D’Haenens staan klaar voor de eerste test van hun robijnlaser. Het apparaat ziet er bedrieglijk eenvoudig uit. In een aluminium omhulsel niet groter dan een drinkglas zit een robijnstaaf met spiegelende uiteinden. Daaromheen is een spiraalvormige flitslamp gedraaid, in die dagen de krachtigste flitslamp gebruikt door fotografen.
Negen maanden heeft Maiman aan het ontwerp gewerkt, in het geniep voor zijn eigen bazen. Zijn werkgever, Hughes Research Laboratories in Californië, ziet namelijk niets in Maimans poging om een robijnlaser te bouwen. Een topnatuurkundige bij Bell Labs, Arthur Schawlow, heeft immers voorspeld dat robijn niet als lasermateriaal kan werken. Vrijwel alle laseronderzoekers geloven hem. Hetzelfde doet het Hughes-management. Maiman heeft Schawlows voorspelling echter experimenteel en theoretisch uitgeplozen en denkt dat zijn Bell-Labs-concurrent het bij het verkeerde eind heeft. Hij combineert zijn achtergrond als elektrotechnisch ingenieur en natuurkundige, en bouwt samen met Irnee D’Haenens een elegante opstelling met robijn als kloppend hart.
Terwijl het machtige Bell Labs gelooft dat het zelf spoedig de eerste laser zal demonstreren, schroeven Maiman en D’Haenens de elektrische spanning op de flitslamp langzaam op. Een krachtige flits moet laserlicht uit de robijnstaaf zien te persen. Ze kijken op de oscilloscoop, die het uitvoersignaal van de robijnlaser analyseert. Wanneer ze de teller boven de 950 volt draaien, gebeurt het. “Het uitvoersignaal op de oscilloscoop schiet razendsnel omhoog en meteen weer snel omlaag. De voorspelde piek. Voilà, dit is het. De laser is geboren.” Zo herinnert Maiman zich in zijn autobiografie The Laser Odyssey de allereerste laserpuls.
Goudsmits blunder
Maiman herhaalt het experiment en overtuigt zich ervan dat alles klopt. De allereerste laserbundel blijkt zelfs krachtig genoeg om een gaatje in een scheermesje te schieten − een ‘één-Gilette-laser’ zou Maiman zijn robijnlaser later noemen. Niet alleen heeft hij de eerste werkende laser gebouwd, het is ook een ander type laser dan waar alle andere onderzoekers aan werken: een laser die korte pulsen afvuurt in plaats van een continue straal.
Ruim een maand na zijn eerste laserdemonstratie, stuurt Maiman het wetenschappelijke artikel erover naar het tijdschrift Physical Review Letters, eerste keus voor doorbraken in de natuurkunde. De Nederlander Samuel Goudsmit heeft het tijdschrift in 1958 opgericht en is de hoofdredacteur. Goudsmit had in 1925 in Leiden samen met George Uhlenbeck het concept van de elektronenspin bedacht en was twee jaar later naar de VS geëmigreerd. Hij is iemand van de fundamentele natuurkunde, niet van de toepassingen. Wanneer Goudsmit Maimans artikel op 24 juni 1960 voor ogen krijgt, stuurt hij het vrijwel meteen terug met de opmerking “Het zou beter zijn uw artikel ter publicatie aan te bieden aan een tijdschrift over toegepaste natuurkunde, waar het op een geschikter publiek zou kunnen rekenen.”
Deze weigering is een van de grootste blunders uit de geschiedenis van het prestigieuze tijdschrift. Goudsmit ziet de laser – toen nog ‘optische maser’ genoemd – als niets anders dan een speciaal soort maser. De maser is het microgolfbroertje van de laser, in 1953 uitgevonden door de Amerikaan Charles Townes. Goudsmit vindt dat er te veel artikelen over de maser verschijnen en tenzij ze echt fundamenteel nieuw inzicht leveren, wil hij geen maserartikelen meer publiceren.
De in lasers gespecialiseerde journalist Jeff Hecht − auteur van het boek Beam - The race to make the laser − zegt desgevraagd over de weigering van Maimans artikel: “Goudsmit heeft het compleet verknald! Overduidelijk bleek dat hij gewoon niet begreep wat voor een grote prestatie Maiman had geleverd. En hij was later niet mans genoeg om te zeggen: O, dat heb ik gemist.”
Patentenoorlog
Binnen enkele weken reproduceerden andere onderzoeksgroepen Maimans robijnlaser. Feest voor Maiman, zou je denken. Maar nee, hij moest voor zijn erkenning gaan vechten. Allereerst toonde het machtige Bell Labs zich een slecht verliezer. Het had op papier de beste onderzoekers en stopte het meeste geld in het laseronderzoek. Toch moest het toezien hoe een outsider er met de buit vandoor ging. Van begin af aan kleineerde Bell Labs Maimans prestatie.
Bovendien ontbrandde een strijd om het geestelijke vaderschap van de laser. In 1958 hadden Charles Townes en zijn zwager en Bell Labs-onderzoeker Arthur Schawlow een baanbrekend wetenschappelijk artikel gepubliceerd dat beschrijft hoe een laser in principe moet kunnen werken. Bell Labs claimt nog steeds dat dit de uitvinding van de laser betekende. Ten onrechte, want de stap van theorie naar praktijk bleek extreem weerbarstig. Onduidelijk was vooral werk materiaal als lasermedium zou werken. Wel gaf het artikel van Townes en Schawlow het startschot voor de race om de eerste laser.
Maar vrijwel tegelijkertijd bedacht Gordon Gould, onafhankelijk van Townes en Schawlow, hetzelfde basisontwerp. Gould droomde ervan een uitvinder à la Thomas Edison te worden. Waar Townes en Schawlow voor de wetenschappelijke erkenning gingen en die ook kregen − een Nobelprijs in respectievelijk 1964 en 1981 − ging Gould voor het grote geld. Hij schreef zijn laserontwerp in een notitieboekje en liet een notaris er een officiële stempel in zetten, voorzien van de datum 13 november 1957. Hij diende echter geen patent in, omdat hij ten onrechte dacht dat hij daarvoor ook een werkende laser moest demonstreren. Die misser kwam hem in eerste instantie duur te staan. Townes en Schawlow dienden namens Bell Labs in juli 1958 namelijk wel een patentaanvraag in.
Toen Gould zijn misser ontdekte, diende hij in april 1959 alsnog een patentaanvraag in. Te laat. Het patent ging in maart 1960 naar Townes en Schawlow. Vanaf toen ging Gould zijn door de notaris gestempelde notitieboekje inzetten als zijn ultieme claim to fame. Wie ook de eerste laser in zijn hoofd heeft bedacht, Townes of Gould, Gould kon laten zien dat hij zijn ontwerp als eerste had laten stempelen.
Waar Townes en Schawlow hun werk openbaar maakten in wetenschappelijke tijdschriften, deed Gould, die zijn promotieonderzoek tot minachting van zijn wetenschappelijke collega’s nooit zou afmaken, dat niet of nauwelijks. Dat zette kwaad bloed. Townes verdacht Gould ervan dat hij zijn ideeën had gestolen en ze zonder bronvermelding gebruikte. In oktober 1957 hadden ze kort met elkaar gesproken over de mogelijkheden om een laser te bouwen, maar daarna gingen ze ieder hun eigen weg. Gould op zijn beurt wantrouwde Townes. Hij vond dat hij recht had op het laserpatent en wat volgde was een bijna dertig jaar lange patentenoorlog, waarin Gould, na talloze verloren rechtszaken, in 1987 uiteindelijk toch aan het langste eind trok. Hij kreeg toen het laatste van vier belangrijke laserpatenten, destijds goed voor inkomsten van twaalf miljoen dollar per jaar.
Wie heeft dan de laser uitgevonden? Maiman, Townes, Schawlow en Gould hebben ieder belangrijke bijdragen geleverd aan de uitvinding van de laser. Jeff Hecht zegt erover: “Technologie ontwikkelt zich geleidelijk. Townes formuleerde het probleem van de fysica van de laser. Gould bedacht een oplossing. Townes en Schawlow deden onafhankelijk van Gould hetzelfde. Maiman vond op geheel eigen wijze de eerste praktische realisatie.” Wrang is wel dat waar Townes en Schawlow een Nobelprijs ontvingen en Gould uiteindelijk een rijk man werd, Maiman altijd heeft moeten vechten voor erkenning. Zijn briljante ingenieurswerk werd voortdurend minder op waarde geschat dan het voorbereidende wetenschappelijke laserwerk. “Als we nu terugkijken”, vertelt Hecht, “dan hadden Townes en Maiman samen de Nobelprijs moeten krijgen, Townes voor de ideeën en Maiman voor de praktische uitvoering, maar dat is helaas niet gebeurd.”
Niemand heeft de laser van A to Z uitgevonden. Maar voor de maatschappij die van de uitvinding profiteert, maakt dat ook niet uit.
...en vernieuwt zich nog steeds
De laser is nog lang niet uitontwikkeld. Het apparaat kan nog kleiner worden, nog kortere pulsen maken en nog kortere golflengten.
De uitvinders van de laser hadden niet kunnen voorspellen dat het apparaat zo succesvol zou worden. Nadat Theodore Maiman de eerste laserpuls had gecreëerd, noemde zijn assistent Irnee D’Haenens de laser enigszins gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. Een prachtprestatie, dat laserlicht, maar wat moest je er nu mee doen?
Vijftig jaar later vuren wereldwijd miljoenen lasers dagelijks hun laserstralen in honderden toepassingen. Van het vast laseren van een losgelaten netvlies tot het scannen van de streepjescode in de supermarkt; van het afspelen van cd’s en dvd’s tot het razendsnel rondsturen van onze telefoontjes en e-mails via glasvezels.
Ook op de wetenschap heeft de laser een grote invloed gehad. Acht Nobelprijzen zijn direct of indirect toe te schrijven aan het succes van de laser, van het koelen van atomen tot dichtbij het absolute nulpunt tot het in beeld brengen van ultrasnelle chemische reacties.
Het geheim van laserlicht is dat het zo extreem netjes in ruimte en tijd geordend is. Laserlicht bestaat uit golven met precies dezelfde golflengte, die precies in dezelfde richting lopen en ook nog eens perfect in de pas: golftoppen vallen precies over golftoppen, golfdalen precies over golfdalen. Heel anders dan alle andere lampen, die altijd licht uitzenden van meerdere golflengten tegelijk, met een allegaartje van golven die door elkaar heen lopen en ook nog eens nooit exact in dezelfde richting. Een rode laser produceert één scherp gedefinieerde frequentie. Elke andere rode lamp zendt meerdere, iets verschillende frequenties uit.
De extreem nette ordening in ruimte en tijd van laserlicht ontstaat door een bijzonder natuurkundig verschijnsel dat gestimuleerde emissie heet. In het technische hart van de laser wordt eerst de meerderheid van de atomen in het lasermedium in een hogere energietoestand gebracht (aangeslagen toestand). Vervolgens worden die aangeslagen atomen getroffen door lichtdeeltjes met precies de juiste golflengte. Zo worden ze gestimuleerd om zelf nieuwe lichtdeeltjes uit te zenden met precies dezelfde golflengte als die van de invallende lichtdeeltjes. Dat is de gestimuleerde emissie, die Albert Einstein in 1916 voor het eerst voorspelde.
Dankzij dit verschijnsel en dankzij versterking van het licht tussen twee spiegels, produceert de laser een krachtige lichtstraal van één bepaalde kleur of golflengte die nauwelijks naar de zijkanten uitwaaiert. Dat levert de vlijmscherpe lichtstralen die we kennen van laserpointers en lasershows. Afhankelijk van het ontwerp kan een laser continu of gepulst een lichtstraal produceren. Het voordeel van gepulste lasers is dat ze veel meer energie in een korte tijd kunnen leveren dan continue lasers. Golflengte (kleur), pulsduur, vermogen en breedte van het laserlicht variëren per lasertype en -toepassing.
Nanolaser
In vijftig jaar tijd heeft Maimans allereerste laser vele familieleden erbij gekregen. Nieuwe lasers gingen steeds weer andere golflengten of kleuren genereren, van infraroodlasers voor bijvoorbeeld landmeting en cd-spelers, tot ultravioletlasers, voor bijvoorbeeld ooglasering of het snijden in allerhande materialen. Maar ook zeer uiteenlopende vermogens, van zwakke laserpointers met een vermogen van minder dan een milliwatt, tot ultrakrachtige petawattlasers (10^15 watt) die worden gebruikt voor onderzoek naar het opwekken van kernfusie met laserlicht.
Is de laser nu dan uitontwikkeld? Nee, noch wat betreft de ontwikkeling van nieuwe lasertypen, noch wat betreft toepassingen van bestaande lasertypen. Het apparaat kan nog kleiner worden, nog kortere pulsen maken en nog kortere golflengten.
De veelbelovendste nieuwe toepassingen zijn misschien wel te verwachten van de voortdurende miniaturisering van de laser. In 2009 maakten Amerikaanse onderzoekers de allerkleinste laser, die zichtbaar laserlicht produceert als een puntje van vijf nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). Dat is kleiner dan een enkel eiwit. Veel laseronderzoekers verwachten dat de laser binnen tien jaar een lichtpuntje kan maken niet groter dan een nanometer; honderden malen kleiner dan de golflengte van het licht zelf.
Rust een microscoop uit met zo’n nanolaser en hij biedt de mogelijkheid om de belangrijkste informatie van biomoleculen als RNA of DNA, hun basevolgorde, direct af te lezen. Basen zijn veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Vandaar dat een gewone lichtmicroscoop ze niet kan zien. Maar dat lukt wel wanneer hetzelfde licht uit een opening komt die kleiner is dan een base. Dat is de truc die de nanolaser kan uithalen.
Daarnaast bieden nanolasers ook grote mogelijkheden om digitale informatie op een nog kleinere oppervlakte op te slaan. Een dunner pennetje kan immers fijner schrijven.
Ten slotte zetten nanolasers een stap in de richting naar nog snellere computers. Huidige computers zijn gebaseerd op elektronica. Een computer die informatie grotendeels met licht (fotonica) verwerkt in plaats van met elektronen, zou veel meer informatie per seconde kunnen verwerken. Om van elektronicagebaseerde computers geleidelijk over te stappen op lichtgebaseerde computers, zou steeds meer elektronica door fotonica moeten worden vervangen. Dat kan alleen als er een handige manier is om de elektronica met de fotonica te laten praten. Nanolasers bieden die mogelijkheid.
Laserpuntjes ter grootte van een nanometer hebben namelijk dezelfde orde van grootte als de golflengte van een elektron. Dat betekent dat er een natuurlijke koppeling ontstaat tussen elektronica en fotonica en dat beide informatie met elkaar kunnen uitwisselen.
Attosecondelaser
Een tweede fundamentele ontwikkeling ligt in het verkorten van de pulsduur van gepulste lasers. Gepulste lasers zijn onder andere handig om razendsnelle bewegingen te ‘fotograferen’. De pulsduur is dan zoiets als de flitsduur bij een fotoapparaat of een stroboscoop. Hoe korter de pulsduur, hoe scherper de laser snelle bewegingen in beeld brengt. De snelste lasers genereren nu pulsen met een duur van een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde: een femtoseconde (10^-15 seconde).
Maar als de huidige ontwikkelingen in hetzelfde tempo doorzetten, dan behoren attosecondelasers binnen tien jaar tot de standaard wetenschappelijke gereedschapskist. Zij produceren pulsen die nog eens een factor duizend korter zijn: een attoseconde (10^-18 seconde). Nu is het mooie dat een attoseconde de natuurlijke tijdschaal is van elektronen die in een atoom rond de kern bewegen. Zo cirkelt het enkele elektron van een waterstofatoom in honderdvijftig attoseconde rond zijn kern. En bovendien komt een attoseconde ongeveer overeen met de tijd die het licht zelf nodig heeft om de diameter van een atoom te doorkruisen. Daarom kunnen attosecondelasers in principe stroboscopische opnamen maken van hoe elektronenwolken zich gedragen tijdens een chemische reactie. Daarmee kunnen wetenschappers chemische reacties beter begrijpen en hopelijk ook beter naar hun hand zetten.
Röntgenlaser
Naast het verkleinen van de laser en het verkorten van de pulsduur, zit een derde fundamentele laserontwikkeling in het verkorten van de golflengte. Waar de pulsduur van de laser bepaalt hoe snel de bewegingen mogen zijn die je nog kunt fotograferen, bepaalt de golflengte van het laserlicht hoe klein de structuren kunnen zijn die de laser nog kan fotograferen. Hoe korter de golflengte, hoe groter de resolutie.
Sinds de uitvinding van de laser is voortdurend geprobeerd om de golflengte te verkorten. Daar is echter steeds meer energie voor nodig. En dat is de reden dat röntgenlasers, met een veel kortere golflengte dan zichtbaar licht en zelfs nog korter dan ultraviolet licht, al snel een fabrieksgebouw groot zijn. In 2009 is in de Verenigde Staten de Linac Coherent Light Source (LCLS) aangezet. En vanaf 2014 zou de Europese concurrent, de X-ray Free Electron Laser (XFEL) bij het Duitse Hamburg, zijn eerste röntgenlaserlicht moeten produceren.
Met dit röntgenlaserlicht willen wetenschappers de atomaire details van virussen en eiwitten in beeld brengen, de moleculaire samenstelling van cellen, driedimensionale plaatjes van de nanowereld maken en chemische reacties bestuderen. Voor de studie van biomoleculen biedt röntgenlaserlicht een groot voordeel boven gewoon, niet-coherent röntgenlicht. Onderzoekers hoeven niet eerst een kristal van de biomoleculen te maken − iets wat voor veel van zulke moleculen in de praktijk zeer lastig is gebleken. Ze kunnen de moleculen in een bundel röntgenlaserlicht brengen en hun driedimensionale structuur in kaart brengen. Zo kunnen de nieuwe röntgenlasers een nieuwe kijk bieden op precies die moleculen die in de levenswetenschappen van cruciaal belang zijn.
Laserpionier en Nobelprijswinnaar Charles Townes verwachtte in 1960 alleen maar lasertoepassingen op het gebied van communicatie en in de wetenschap. Van de belangrijkste laserpioniers is hij een van de weinige nog levende. In juli van dit jaar hoopt Townes 95 te worden. “Vele toepassingen van de laser had ik nooit kunnen bedenken”, zei hij in een recent interview. “Ik had bijvoorbeeld nooit gedacht dat de laser zo’n belangrijk instrument in de geneeskunde zou worden. Het is enorm bevredigend om te weten dat vele ogen van mijn vrienden gered zijn door de laser.” Alles lijkt erop dat de toekomst van de laser minstens zo rijk gaat zijn als de geschiedenis.
Internet
Algemeen:
www.laserfest.org/ Veel achtergrondinformatie en video’s op deze site over de viering van 50 jaar lasers
www.aip.org/history/exhibits/laser/interviews.html Interviews met laserpioniers
www.innovations.gatech.edu/lasers/index.php The future of lasers
www.youtube.com/watch?v=7wyp909mQPM De beroemde laserscène in de James Bond-film Goldfinger uit 1964
Mijn eerdere blogbijdrage over de uitgebreide geschiedenis van de laser:
Ultrasnel:
Röntgenlasers:
http://lcls.slac.stanford.edu/ Amerikaanse röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) http://xfel.desy.de/ Europese röntgenlaser XFEL in Hamburg
Laserfusie:
Hiper: www.hiper-laser.org/
Detectie zwaartekrachtgolven:
LIGO: www.ligo.caltech.edu/
LISA: http://lisa.nasa.gov/
Virgo: www.virgo.infn.it/
Video-uitleg van LIGO: www.youtube.com/watch?v=RzZgFKoIfQI
Laser-plasmaversneller:
LOASIS: http://loasis.lbl.gov/
Boeken
Beam − The race to make the laser. Jeff Hecht. Oxford University Press (2005)
Laser − The Inventor, the Nobel Laureate, and the Thirty-Year Patent War. Nick Taylor. iUniverse.com (2007)
