Boeken

Thursday, June 16, 2011

De zegetocht van de laser


Dit artikel is gepubliceerd in maandblad KIJK, mei 2010

Samen met de computer en de transistor behoort de laser tot de succesvolste uitvindingen van de 20e eeuw. Op 16 mei 2010 werd de laser vijftig jaar. 


Wat zou er gebeuren wanneer alle lasers ter wereld vandaag zouden uitdoven? Weg is dan vrijwel al het internet- en telefoonverkeer. Weg elektronisch zaken doen, weg mobiel telefoonverkeer, weg noodoproepen. Vrijwel al deze communicatie zit tegenwoordig namelijk verpakt in laserlicht dat door optische glasvezels schiet. Optische glasvezels verbinden de continenten met elkaar en vormen het zenuwstelsel van de moderne informatiemaatschappij. Pinautomaten, pinbetalingen en creditcardbetalingen zijn ook afhankelijk van glasvezelcommunicatie en doen er om dezelfde reden het zwijgen toe wanneer alle lasers het vandaag zouden begeven. Zelfs automatische verkeerslichten vallen uit omdat glasvezels hen niet meer kunnen vertellen wanneer ze rood of groen moeten worden.

Verder zouden ziekenhuizen en klinieken bepaalde operaties niet meer kunnen uitvoeren. Geen laserlicht meer voor het vastmaken van losgelaten netvlies, het dichtlaseren van opengesprongen bloedvaten of het bijslijpen van de ooglens ter correctie van het gezichtsvermogen. In je huiskamer kun je geen cd’s en dvd’s meer afspelen. Op kantoor doet de laserprinter het niet meer. In conferentiecentra moet de aanwijsstok de laserpointer vervangen. Bij de kassa in de supermarkt begeeft de streepjescodescanner het. Hetzelfde lot treft de bagagelabelscanners en e-ticketscanners op vliegvelden. De entertainmentindustrie moet lasershows schrappen en hologrammen zijn in het niets verdwenen. En bij het leger slaat de paniek toe omdat het niet langer kan vertrouwen op lasergeleide wapens die dankzij laserlicht recht op hun doel afgaan. Wanneer alle lasers vandaag zouden uitdoven, zijn de gevolgen schier eindeloos.

Honderden miljoenen lasers vuren dagelijks hun licht in duizenden toepassingen. Geen betere illustratie van het succes van de laser. De uitvinders hadden niet kunnen voorspellen dat het apparaat zo succesvol zou worden. De uitvinding van de laser is een schoolvoorbeeld van het succes van fundamenteel natuurkundig onderzoek, uit pure nieuwsgierigheid, zonder één duidelijk praktisch doel voor ogen.

Fata morgana 
Het is 1958 wanneer grote Amerikaanse onderzoekslaboratoria als Bell Labs, IBM, Westinghouse Electric en vele andere zich op de bouw van de eerste laser storten. Het is een tijd waarin ook bedrijfslaboratoria nog veel fundamenteel onderzoek doen. De wetenschappelijke principes op grond van waarvan een laser in principe moet kunnen werken, zijn dan net gepubliceerd. De ruwe bouwtekening van een laser ligt er ook al, maar niemand weet nog welk materiaal als lasermedium kan dienen. Er wordt volop geëxperimenteerd. Bell Labs waant zich de koploper in de race naar de laser. Het heeft op papier de beste onderzoekers aangetrokken en stopt er het meeste onderzoeksgeld in. Maar een jaar later, wanneer de beste laseronderzoekers op een internationale conferentie bij elkaar komen, heeft niemand nog aansprekende vooruitgang geboekt. Sommigen denken dat een laser een fata morgana zal blijven.

Maar dan ineens, op 16 mei 1960, slaagt de outsider Theodore Maiman van het bescheiden Hughes Research Laboratories in Californië erin de moordende concurrentie te verslaan en de eerste werkende laser te bouwen. Maiman gebruikt robijn als lasermedium, een materiaal waarvan de toponderzoekers van Bell hadden voorspeld dat het niet kon werken. Maar Maiman gelooft hen niet en gaat als een bezetene meten, rekenen en experimenteren. Hij is zowel natuurkundige als elektrisch ingenieur, en precies door de combinatie van wetenschappelijk inzicht en ingenieurskunde slaagt hij waar anderen falen.

De klap voor het verslagen Bell Labs is zo groot dat het bedrijf tot op heden nog probeert Maimans prestatie te kleineren en zelf de uitvinding van de laser te claimen. Zeer ten onrechte. Theodore Maiman is de eerste die een laser aan de praat kreeg. Jeff Hecht, een Amerikaanse journalist gespecialiseerd in alles wat over lasers gaat, vertelt het als volgt: “Als we er nu op terugkijken, lijkt de laser een bedrieglijk eenvoudig apparaat, maar dat is hij totaal niet. Maiman had er een Nobelprijs voor moeten krijgen, maar dat is helaas niet gebeurd.”

Het is in 1960 nog onduidelijk wat je precies met een laser kunt. Vooraanstaande laseronderzoekers en latere Nobelprijswinnaars als de Amerikanen Charles Townes en Arthur Schawlow zien het vooral als een wetenschappelijk instrument om de eigenschappen van atomen mee te onderzoeken. Maimans assistent Irnee D’Haenens noemt de laser een beetje gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. Maimans eerste laser wordt binnen enkele weken door meerdere onderzoeksgroepen nagebouwd, een bewijs van de eenvoud en robuustheid van zijn ontwerp. En binnen enkele jaren worden steeds meer nieuwe lasertypes ontwikkeld: andere kleuren, andere vermogens, andere toepassingsmogelijkheden.

In de jaren zestig blijft de laser nog vooral een wetenschappelijk instrument voor het onderzoeken van atomen. Midden jaren zeventig verschijnt de laser in de eerste consumentenproducten, met de streepjescodescanner in de supermarkt voorop. En spoedig wordt de laser big business en groeien de laserproducenten en lasertoepassingen als kool. Anno 2010, vijftig jaar na zijn uitvinding, kunnen we concluderen dat de laser samen met de transistor en de computer tot de grootste technologische successen van de 20e eeuw behoort. Het totaal aantal laserpatenten gaat sinds de uitvinding in 1960 ruim over de vijftigduizend heen, alleen voorbijgestreefd door aantallen motor- en computerpatenten. Jaarlijks worden wereldwijd een kleine miljoen lasers verkocht, van krachtige onderzoekslasers tot handzame laserpointers.

Ideaal licht 
Wat is het geheim van de laser? Waarom is hij zo succesvol geworden? Geen enkel ander licht is zo netjes in ruimte en tijd geordend als laserlicht. De laser produceert een lichtstraal van één bepaalde kleur of golflengte die nauwelijks naar de zijkanten uitwaaiert. Dat levert de strakke, vlijmscherpe lichtstralen die we kennen van laserpointers en lasershows. Hoe weinig een laserstraal uitwaaiert blijkt uit een vergelijking met het licht van een gewone zaklamp. Neem als voorbeeld een helium-neonlaser met een golflengte van 633 nanometer (een nanometer is een miljoenste van een millimeter) en een opening van één millimeter. De laserstraal heeft dus een breedte van een millimeter wanneer hij de laser verlaat. Deze laserstraal is na één kilometer nog steeds niet breder dan een meter. Ter vergelijking: het licht van een gewone zaklantaarn is na ruwweg tien meter al uitgedijd tot een bundel van een meter breed.

De nette ordening van laserlicht ontstaat doordat alle lichtgolven precies met elkaar in de pas lopen: golftoppen vallen precies over golftoppen, golfdalen precies over golfdalen. Heel anders dan gloeilampen, halogeenlampen of tl-lampen, die licht uitzenden van meerdere kleuren of golflengten tegelijk. Bovendien is hun licht een allegaartje van golven die door elkaar lopen. Zelfs een blauwe gloeilamp zendt meerdere tinten blauw uit, terwijl een blauwe laser één goed gedefinieerde kleur blauw uitzendt. De unieke ordening van laserlicht in ruimte en tijd maakt de laser ideaal voor toepassingen op de drie terreinen waarop hij de wereld in vijftig jaar heeft veroverd: informatieoverdracht en -verwerking (zoals telecommunicatie), energiebezorging op precies gedefinieerde plaatsen en tijdstippen (zoals materiaalbewerking), en bij het uitlijnen, meten en in beeld brengen (zoals laserafstandsmeting).

Lasertoekomst
Is de laser nu af, klaar, uitontwikkeld? Nee, verre van. Laserlicht kan nog krachtiger worden, nog smaller gebundeld en nog sneller gepulst. Bovendien kan de laser zelf steeds kleiner worden gemaakt. In 2009 maakten Amerikaanse onderzoekers de allerkleinste laser, eentje die kleiner is dan een enkel eiwit. Al deze ontwikkelingen gaan gestaag door en bieden uitzicht op nieuwe toepassingen.

Experts verwachten dat dat de laser binnen tien jaar zijn licht kan bundelen op een puntje niet groter dan een nanometer (een miljoenste millimeter) in doorsnede. Dat is honderden malen kleiner dan de golflengte van het licht zelf − tot voor kort onmogelijk geacht. Dit biedt grote mogelijkheden om digitale informatie op een nog kleinere oppervlakte op te slaan. Zulke miniatuurlaserbundels zouden alle films die ooit in Hollywood zijn gemaakt − zo’n honderdduizend − in hoge resolutie op de harde schijf van je pc kunnen schrijven.

Ook de pulsduur van gepulste lasers wordt steeds korter. De pulsduur is zoiets als de flitsduur van je fotoapparaat. Hij bepaalt hoe goed je beweging kunt bevriezen in een beeld. Hoe korter de pulsduur, hoe scherper je snelle bewegingen in beeld brengt. Het voordeel van gepulste lasers vergeleken met continue lasers is dat je veel meer energie in een korte tijd kunt leveren. De snelste lasers genereren nu femtosecondepulsen met een duur van een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde. Binnen tien jaar worden attosecondelasers verwacht met een pulsduur die nog eens duizend maal korter is. Voor huis-, tuin en keukengebruik weinig zinvol, maar voor de wetenschap biedt dit ongekende mogelijkheden om beeld-voor-beeldopnamen te maken tijdens chemische reacties. Je kunt dan zien hoe elektronen zich gedragen tijdens deze reacties. En als je chemische reacties beter begrijpt, kun je die kennis ook gebruiken om ze beter te beheersen.

Ook in het het ingenieurswerk van laserproducten valt nog een wereld te winnen. Miniatuur sensoren die zijn uitgerust met kleine lasers kunnen straks bloedsuikerspiegel, zuurstofgehalte, alcoholgehalte en vele andere parameters van ons lichaam meten. Die sensoren kunnen zo klein worden dat ze gemakkelijk onder de huid geplaatst kunnen worden en real-time metingen kunnen verrichten om onze gezondheid in de gaten te houden. Het zijn maar een paar van de vele nieuwe mogelijkheden van de laser in 2020.

Welke nieuwe toepassingen het wel en niet gaan maken moeten we afwachten, net zoals de uitvinders van de laser in 1960 dat moesten afwachten. Maar dat er baanbrekende nieuwe toepassingen komen, staat vast. Jaarlijks worden nog steeds in rap tempo nieuwe laserpatenten ingediend. Het succes van de laser is nog lang niet ten einde.

[Kader] Hoe werkt een laser? 

Laser staat voor light amplification by stimulated emission of radiation. Centraal in elke laser staat het lasermedium: een gas, vloeistof of vaste stof waarin de lasertruc werkt. De lasertruc bestaat eruit dat de meerderheid van de atomen in een toestand wordt gebracht waarin ze in een hogere energietoestand zitten (aangeslagen toestand). Wanneer die aangeslagen atomen getroffen worden door lichtdeeltjes met precies de juiste golflengte, worden ze gestimuleerd zelf nieuwe lichtdeeltjes uit te zenden met precies dezelfde golflengte als die van de invallende lichtdeeltjes. Dat heet gestimuleerde emissie. Bovendien is het bijzondere dat de golven precies met elkaar in de pas lopen.

Gestimuleerde emissie is het centrale natuurkundige principe van de laserwerking. De kunst is om een materiaal te vinden of te maken − het lasermedium − waarin dit fenomeen zich kan voordoen. Het lasermedium bepaalt de kleur van het laserlicht. Om het lasermedium te laten laseren, moet je er op een of andere manier energie in stoppen. Dat gebeurt met elektriciteit of licht (het pompsysteem). Naast een lasermedium en een pompsysteem heb je ook een lichtversterker nodig. De versterker kaatst het opgewekte licht tussen twee spiegels heen en weer waardoor het lasermedium steeds opnieuw wordt gestimuleerd om licht van precies dezelfde golflengte uit te zenden, waarbij alle lichtgolven met elkaar in de pas lopen. Een van de spiegels is gedeeltelijk doorlatend en wanneer het laserlicht sterk genoeg is geworden, schiet het naar buiten als een laserstraal. Een laser kan continu of gepulst een laserstraal produceren. Golflengte (kleur), pulsduur, vermogen en breedte van de laserstraal variëren per lasertype en lasertoepassing.

Internet
www.laserfest.org/ Veel achtergrondinformatie over de laser 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

Literatuur
Beam − The race to make the laser. Spannend verhaal over de uitvinding van de laser, van laserjournalist Jeff Hecht. Oxford University Press (2005)