laser

På grunn av den store energitettheten i strålen kan det være farlig å utsette seg for direkte lys fra en laser. Selv over store avstander kan strålen være farlig. Den kan rettes mot vitale deler av en maskin eller organisme og ødelegge disse. Laserstrålen omtales derfor iblant som dødsstråle. Den har betydelig militær interesse. Blant annet vurderes den for bruk i forsvarssystemer mot rakettvåpen for å ødelegge disse på et tidlig tidspunkt etter oppskyting.

I de hittil nevnte anvendelser er det den store energikonsentrasjonen innenfor et skarpt avgrenset område som utnyttes. Strålens koherens, det at alt lys sendes ut i samme fase eller som et kontinuerlig bølgetog, anvendes til spesielle undersøkelser av atomstrukturer i fysikk og kjemi. Brillouinspredning, en effekt som oppstår ved spredning av lys og som skyldes atomenes varmebevegelse, og ramanspredning, som oppstår når lyskvantene avgir en liten del av sin energi til molekylene, er effekter som teoretisk var velkjente, men som eksperimentelt var meget vanskelige å påvise så lenge man ikke hadde sterke koherente lyskilder til disposisjon. Begge effekter anvendes nå i forbindelse med lasere til undersøkelse av atombevegelse og atom- og molekylstrukturer. Det er her viktig å kunne velge frekvensområde. Lasere hvor dette er mulig er derfor godt egnet til slike undersøkelser.

Holografi er en laserteknikk som brukes for romlig gjengivelse av bilder.

For telekommunikasjon utnyttes lasere prinsipielt på samme måte som ved radiooverføring. Informasjon formidles via en laserstråle ved at strålen moduleres, det vil si ved at man på en kontrollert måte varierer en av bølgens egenskaper som amplitude, frekvens, fase, polarisasjon eller forplantningsretning. Man kan formidle langt mer informasjon via laser enn med radio- og mikrobølger. Laserkommunikasjon begrenses ved at strålen absorberes og spres i luft. Bare enkelte bølgelengder i det infrarøde området synes å kunne brukes for å formidle signaler i luft over store avstander om man skal holde signalstyrken på et ufarlig nivå. Derimot vil laseren egne seg for kommunikasjon i verdensrommet. Den kan også nyttes i lukkede systemer hvor strålen sendes gjennom lufttomme rør, rør fylt med en gass hvor absorpsjonen er liten eller gjennom optiske fibre, 10–100 mikrometer tykke glasstråder hvor signaler i bølgelengdeområdet omkring én mikrometer kan sendes nesten usvekket over store avstander. Teknikken for bruk av lasere og optiske fibre for overføring av informasjon over store avstander har vært i sterk utvikling siden 1980-årene. Telefonsystemer som bygger på fiberoptiske laser er i bruk i mange byer rundt om i verden.

Laser brukes i medisin, for eksempel til behandling av visse hudsykdommer (se laserbehandling). Med tanke på helserisiko, vil sterkt laserlys kunne gi varige øyeskader ved uvøren bruk. Det finnes flere kjente tilfeller hvor barn og ungdom har fått varige synsskader etter uforsiktig bruk av laserpenn.

Prinsippet som ligger til grunn for laser er stimulert emisjon, en prosess som først ble beskrevet av Albert Einstein i 1917. Et atom i eksitert tilstand kan bli kvitt sin overskuddsenergi ved utsendelse av elektromagnetisk stråling (lys). Utsendelsen kan skje som spontan emisjon uten noen ytre påvirkning, eller som stimulert emisjon. Betingelsen for stimulert emisjon er at atomet påvirkes av et strålingskvant med samme frekvens eller energi som det kvantet som kan sendes ut. Det er karakteristisk for prosessen at lyskvantet som frigjøres, ikke bare får samme frekvens, men også sendes ut i samme retning og med samme fase som det kvantet som stimulerer prosessen. Hvis det innen et begrenset område finnes mange atomer som er eksitert til samme energinivå, vil et enkelt kvant først kunne stimulere emisjon fra et atom, og de to kvantene man da får, kan stimulere ny emisjon slik at det dannes en kaskade av lyskvanter. Til sammen vil disse utgjøre en plan bølge av ensfarget stråling. Man har altså fått forsterket det opprinnelige lyssignalet, og man får lys som er kvalitativt forskjellig fra det lyset som sendes ut fra vanlige lyskilder, hvor de enkelte atomene sender ut lys helt uavhengig av hverandre. Laserens viktigste egenskaper og anvendelser skyldes at lyset som sendes ut er koherent.

For at laseren skal fungere, er det ikke tilstrekkelig at det finnes en del eksiterte atomer. Det er et generelt prinsipp innen fysikken at en prosess som kan gå én vei, også kan gå den motsatte. Når et eksitert atom kan avgi energi, vil et atom i grunntilstanden kunne absorbere energi om det treffes av et kvant som fører med seg den rette energimengden. Betingelsen for å få forsterket lyssignalet ved stimulert emisjon, er at det finnes så mange flere atomer i den høyeste sammenlignet med den laveste energitilstanden, at emisjonen dominerer i forhold til absorpsjonen. Man må ha en såkalt populasjonsinversjon. Dette kan man bare oppnå hvis atomene ikke øyeblikkelig går tilbake til grunntilstanden ved spontan emisjon. Tilstanden må være metastabil. Dessuten må man stadig eksitere nye atomer. Dette gjøres enten ved hjelp av elektroner som akselereres i et elektrisk felt og støter mot atomene, eller ved optisk pumping, det vil si ved intens belysning med kortbølget lys.

Virkemåten for laseren blir da slik: Bestemte atomer i et stoff eksiteres for eksempel ved at stoffet utsettes for kortbølget lys. De eksiterte atomene går over i en metastabil tilstand. Fra en slik tilstand kan de gå tilbake til grunntilstanden ved spontan emisjon, men sannsynligheten for dette er liten. Når et enkelt kvant frigjøres ved spontan emisjon, kan dette stimulere emisjon fra andre atomer, og laserstrålen bygges opp.

En forutsetning for å få bygd opp en stråle er at det utsendte kvantet får bevege seg langt i stoffet før det unnslipper. Dette kan oppnås på to måter. Man kan lage laseren som en lang stav og får laserstrålen i stavens lengderetning. Man har laget lasere opptil 200 meter lange. Mer praktisk er det å forlenge lysveien ved å plassere stoffet mellom to parallelle speil eller å gi to motstående, parallelle sider et speilende belegg. Lys som beveger seg vinkelrett på speilene, kastes frem og tilbake og forsterkes, mens lys som beveger seg på skrå eller på tvers, forsvinner ut. Strålene som kastes frem og tilbake kan oppfattes som stående bølger, og man får valgt ut frekvensen til lyskvantene slik at avstanden mellom speilene blir et helt antall halve bølgelengder.

For at laserstrålen skal kunne brukes, må den slippe ut av stoffet. Dette får man til ved å gjøre det ene speilet halvgjennomsiktig, slik at noen få prosent av strålen slipper gjennom ved hver refleksjon. Man kan også ved spesielle blendemekanismer sørge for at strålen bare slipper gjennom i meget korte tidsintervaller eller etter at den har bygd seg opp til meget høy intensitet.

Når strålen bygger seg opp, kan populasjonsinversjonen bli ødelagt. Strålen dør da raskt ut. Men så lenge laseren belyses, vil nye atomer eksiteres og prosessen gjenta seg periodisk. Man får en pulset laser. Pulslengden vil være av størrelsen mikrosekunder (μs; 10⁻⁶ s) og repetisjonsfrekvensen kan være omkring 1000 per sekund. Lysintensiteten i hver puls kan bli meget stor, i de sterkeste laserne noen megawatt. Med blenderanordninger kan man komme opp i en effekt som er 1000 ganger så stor, men pulsens varighet blir da tilsvarende mindre. For ikke å komme opp i urimelig høye temperaturer, utsettes slike lasere bare for korte, intense lysglimt, slik at man får en enkel eller noen få pulser mellom hver hvileperiode.

I noen lasere ødelegges ikke populasjonsinversjonen når strålen bygges opp. Det innstiller seg en likevekt mellom atomer som eksiteres på grunn av belysning utenfra, og de som deeksiteres ved stimulert emisjon. Dette gir en kontinuerlig laserstråle. Den vil være betydelig svakere enn strålen fra en pulset laser. Effekten er oftest bare noen få watt, omtrent som lyset fra en lommelykt, men det er fremstilt kontinuerlige lasere, CO₂-lasere, med effekt på nær 10 kW.

Fri-elektron-lasere var en annen nyutvikling i 1970- og 1980-årene. Her foregår lysemisjonen fra en elektronstråle som sendes gjennom magneter med vekslende feltretning, slik at strålen avbøyes vekselvis mot høyre og venstre. Ved avbøyningen sender den ut bremsestråling som kan stimuleres av fotoner med en bestemt frekvens, på samme måte som strålingen fra et atom. Frekvensen avhenger av elektronenes hastighet. I et europeisk samarbeidsprosjekt er det nå utviklet en røntgenlaser av denne typen.

Organiske lasere lages av organiske fargestoffer løst i væske eller plast. De har den egenskapen at frekvensen avhenger av konsentrasjon og dimensjoner. De kan derfor også avstemmes slik at de svinger med en valgt frekvens.