Wat is een laser?

Iedereen heeft wel enigszins een idee wat lasers zijn. De meest bekende zijn diegene die zichtbaar zijn voor het oog. B.v. lasers die gebruikt worden tijdens een lichtshow of de lasers die in een scanner zitten aan de kassa.

We hebben allemaal al wel eens de gele driehoek met laserstraal op een toestel gezien.

9c1844e6-6813-11e4-97d2-86202b0e45ea_web_scale_0.154321_0.154321__  couple_dance_in_laser350w scan kassa 0089072

We bekijken even hoe Wikipedia een 'laser' omschrijft.

Een laser is een lichtbron die in staat is een smalle coherente bundel licht voort te brengen. Het licht van een laser is daardoor monochromatisch en directioneel, in tegenstelling tot de meeste andere lichtbronnen, die in allerlei richtingen licht uitzenden in een breed spectrum van golflengtes en fasen. Ook zorgt laserlicht altijd voor een lichtbundel die niet of nauwelijks convergeert of divergeert.

Het woord laser is oorspronkelijk een afkorting van

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,

in het Nederlands: lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling.

Bron: Wikipedia

De omschrijving van Wikipedia maakt ons misschien niet veel wijzer?
Om te begrijpen hoe een laser werkt, moeten we eerst enkele begrippen verduidelijken.

Wat is licht?

Snel samengevat kunnen we zeggen dat licht bestaat uit zogenaamde lichtdeeltjes, fotonen genaamd. Deze lichtdeeltjes trillen heen en weer terwijl ze bewegen. Hoe snel ze heen en weer trillen bepaalt de frequentie van het licht en bepaalt dus ook de kleur die we zien.

foton

lichtgolf_-_Google_zoeken

Wat is een atoom?

Alles om ons heen bestaat uit deeltjes die zo klein zijn, dat ze zelfs met een microscoop niet te zien zijn. Deze deeltjes noemen we atomen.

Ze bestaan uit een positief geladen kern (protonen en neutronen) en een aantal negatief geladen elektronen die er omheen draaien.

atoom-01

De elektronen draaien in een vaste baan rondom de kern.

Hoe verder weg de baan van de kern verwijderd is, des te hoger is de energie van het elektron.

Wat is een een aageslagen elektron?

Wanneer aan een elektron energie wordt toegevoegd, kan het elektron uit zijn baan geslingerd worden. Het elektron komt zo in een baan met een hogere potentiële energie.
Zo'n elektron heet een aangeslagen elektron.

Deze toestand zal over het algemeen niet lang bestaan.
Omdat er meestal plaats beschikbaar is op een lagere baan, zal het elektron op een gegeven moment zelf de lagere potentiële energie weer opzoeken.

Wat is spontane emissie?

Wanneer een aangeslagen elektron in een toestand met hoge energie zit en op een gegeven moment zelf de lagere potentiële energie weer opzoekt, zal het energieoverschot weer aan de omgeving afgestaan worden, bijvoorbeeld door het uitzenden van een foton.

Eén elektron dat in zijn baan terugvalt levert één lichtdeeltje op, het zogenaamde foton (=lichtdeeltje).

fotonen_01

 

Bij spontane emissie wordt het aan de elektronen overgelaten wanneer ze terug willen in hun oorspronkelijke baan. Overigens vallen ze altijd terug, maar ook wel in een baan van een collega elektron.

Voorbeelden van spontane emissie:

  • Een elektronenbundel in de TV buis schiet elektronen uit het materiaal dat voor op het scherm aanwezig is.
  • Een gasontlading in de TL-buis ioniseert kwik in de buis. Als het elektron terugvalt in zijn baan komt er ultraviolette straling vrij. Die zorgt er weer voor dat het poeder op de wand van de buis elektronen uit zijn baan kwijtraakt. Daarna vallen ze weer terug waardoor er licht uitgezonden wordt.
  • Een elektrische spanning over de LED trekt elektronen uit hun baan en die vallen vroeg of laat weer terug.
  • Ultraviolet uit de blacklight laat stoffen en verf oplichten in een bepaalde kleur door eerst elektronen uit hun baan te pesten.

Wat is gestimuleerde emissie?

Als een atoom met een aangeslagen elektron wordt geraakt door een foton, dan wordt er een bij de terugval een foton uitgezonden dat precies dezelfde frequentie heeft, en dus precies dezelfde kleur, als het inkomende foton.

Het nieuwe foton trilt ook precies ‘in de pas’ met het invallende foton: dat noemen we coherentie.

fotonen_02

Een foton dwingt dus een elektron om terug te keren in zijn baan. Het foton kan dat, omdat het zelf ooit zo ontstaan is en dus daarvoor precies de goede energie heeft.
Maar als het elektron teruggestuurd wordt in zijn baan zal het onmiddellijk een nieuw foton doen ontstaan! Dit proces heet gestimuleerde emissie.

Wat is exitatie, wat is emmisie?

Het proces waarbij elektronen uit hun baan gepest worden noemen we "excitatie".

Het proces waarbij elektronen hun energie weer afgeven in de vorm van straling noemen we "emissie"

Licht van een laser

Een laser bestaat altijd uit:

  • een medium dat elektronen uitzendt en weer terug pakt,
  • een methode om de elektronen te uit hun baan te krijgen (te exciteren),
  • een voorziening om het uitgezonden licht te concentreren.
    Dit laatste doen we met spiegels, waarvan er één gedeeltelijk doorlatend (venster) is om de laserstraling door te laten die we willen gebruiken.

laserprincipe

De linker spiegel reflecteert alle straling en de rechter, de uitkoppelspiegel slechts een gedeelte.
Binnen in het lasermedium worden fotonen in alle richtingen uitgezonden.
Door de spiegels wordt een deel binnen het lasermedium gehouden.
Het deel waarbinnen de fotonen heen en weer kunnen bewegen heet de laser resonator.

Algemeen besluit

Er zijn drie grote verschillen tussen ‘gewoon’ licht en laserlicht:

  • laserlicht is volledig monochromatisch, dat wil zeggen dat het maar uit één enkele kleur bestaat. Licht van een klassieke lamp bevat meerdere kleuren.
  • laserlicht is coherent, alle fotonen lopen in de pas.
  • een laser produceert een hele dunne straal licht, terwijl een lamp licht in alle richtingen uitzendt.

Er bestaan verschillende soorten lasers, met verschillende media en verschillende exitatiemethodes.