Hur fungerar en laser?

LASER betyder ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning.

En laser är en mycket speciell sorts ljuskälla. Ljuskällor är materia som sänder ut energi i form av ljus, t.ex. en vanlig glödlampa, där en volframtråd som är elektriskt upphettad sänder ut ljus, eller en natriumlampa, där en elektrisk urladdning i natriumånga gör att natriumångan sänder ut nästan enfärgat gult ljus. På vilka sätt är lasern annorlunda?

Materia består av atomer, ett grundämne av bara ett slags atomer, andra ämnen av flera olika slags grundämnesatomer. Varje atom består av en mycket liten men tung kärna och ett elektronmoln. Elektronerna har inte några bestämda banor i elektronmolnet men däremot har varje elektron noggrant bestämd energi. Varje atom har många olika energinivåer, olika slags atomer har olika uppsättningar av energinivåer. Vi behöver bara syssla med energin hos elektronerna i elektronmolnet (inte atomkärnan och dess energitillstånd). En atom som på något sätt har fått energi i överskott säger vi är exciterad.

Ljus är elektromagnetiska vågor som ibland bär sig åt som partiklar. Energiöverföring mellan ljus och materia sker i energipaket (partiklar), som vi kallar fotoner eller ljuskvanta. Alla fotoner med samma våglängd har samma (partikel)energi. Ju större energi fotonen har desto kortare är våglängden. Synligt ljus (violett - rött) har våglängder i området ca 400 nm - ca 800 nm. Ljus med kortare våglängd kallas ultraviolett (UV), ljus med längre våglängd kallas infrarött (IR).

Varje atom som är exciterad gör sig av med överskottsenergin, dvs den övergår från en högre energinivå till en lägre. För de flesta energinivåer som vi sysslar med här går detta mycket snabbt, medellivslängden kan vara ca 1 µs. Atomen sänder ofta ut energin som en foton, vars energi då är densamma som energiminskningen hos atomen. En foton som passerar nära en atom kan excitera atomen om fotonens energi är densamma som den energiökning som behövs för att höja atomen från den energi den har till en högre energinivå. En atom kan exciteras på andra sätt, t.ex. genom kollision med en elektron. Den elektronen måste ha minst så mycket energi som behövs för excitationen, men behöver inte ha precis rätt energi.

Exciterade atomer sänder vanligtvis ut oordnat ljus (spontan emission), dvs dels slumpmässigt i tiden, dels slumpmässigt i riktning. Men en exciterad atom kan fås att sända ut välordnat ljus vid stimulerad emission. Om ett foton med samma energi som atomens överskottsenergi passerar atomen, så sänder den ut sitt ljuskvantum just då, i takt med den passerande fotonen, i samma riktning. Det blir då två likadana fotoner på en gång! Om det då finns många exciterade atomer så kan en foton starta massor av likadana fotoner, i samma riktning och i takt! Då har det blivit laserverkan, dvs en ström av fotoner i samma riktning och i takt. Det kallar vi koherent ljus (sammanhängande).

Läs mera i (Hartmann 1967) och (Hecht & Teresi 1985)

Typisk laser: Gaslaser, t.ex. helium- och neongas (HeNe-laser)

I ett rör med helium och neon exciteras atomer genom elektronkollisioner. Elektroner dras loss från en del av atomerna och accelereras i ett elektriskt fält mellan elektroder i röret. När elektronerna har fått tillräcklig energi exciterar de andra atomer. Det pågår så länge den elektriska spänningen är inkopplad.

En foton som emitteras spontant i rörets längdriktning stimulerar emission av massor av likadana fotoner. Speglar i rörets ändar gör att de flesta fotoner går fram och tillbaka i röret och ger ännu fler stimulerade emissioner. Ena spegeln är något genomskinlig, och därför går en liten del av fotonerna igenom i den änden och det blir en laserstråle utanför röret, enfärgat (monokromatiskt), koherent ljus. Eftersom det exciteras atomer hela tiden så blir laserstrålen kontinuerlig.

Egenskaper hos laserljus

Monokromatiskt ljus.
Koherent ljusvåg.
Mycket nära parallellt ljus.
Med en lins kan strålen samlas till en mycket liten punkt (fokuseras).
Hela laserstrålens effekt samlas där!

Några andra lasertyper

Rubinlaser
Den första fungerande lasertypen innehöll en stav av en röd ädelsten som kallas rubin. Färgen beror på att rubinen innehåller en liten mängd kromatomer. Rubin finns i naturen men kan också tillverkas. Lasern består av en rubinstav med speglar i ändarna. Kromatomer i staven exciteras genom belysning med en intensiv ljusblixt från en blixtlampa (en kraftig elektronblixt). Den ger röda laserljuspulser.

Halvledarlaser
Ett halvledarmaterial leder elektrisk ström men inte så bra som metaller. Det vanligaste materialet är kisel (Si), andra är germanium (Ge) och galliumarsenid (GaAs). En GaAs-halvledardiod består av en kristall med två halvor med olika elektriska egenskaper. Det mycket tunna gränsområdet mellan de två delarna kallas pn-övergång. När lasern är kopplad till en spänning så att ström flyter mellan delarna, så kommer ett flöde av elektroner över till den andra delen där det finns atomer med lediga energinivåer något under elektronernas energi. Då faller elektronerna ned till de lägre nivåerna och överskottsenergin sänds ut som ljus. Det kan då bli många stimulerade emissioner och med speglande ändytor på kristallen kan det uppstå lasereffekt.

Halvledarlaserns stora fördelar är att den är liten (storlek ett par mm) och att den behöver liten spänning och ström för att fungera.

Läs mera i (Hartmann 1967) och (Hecht & Teresi 1985)

Enheter

µ läses mikro
n är förkortning för nano
1 µs = 1 miljondels sekund = 10-6 s
1 µm = 1 miljondels meter = 1 tusendels mm = 10-6 m
1 nm = 1 miljarddels meter = 1 miljondels mm = 10-9 m
T.ex.. 800 nm = 0,8 µm
Ett hårstrå har ungefär diametern 60 µm.


Startsida Hur fungerar en laser Är laserljus farligt Laserhistoria Lasertillämpningar Kommentarer Referenser