Lasers zijn een bijzonder type lichtbron. Er zijn drie grote verschillen tussen laserlicht en ‘gewoon’ licht. Ten eerste is laserlicht volledig monochromatisch, dat wil zeggen dat het maar uit één enkele kleur bestaat, terwijl daglicht of licht van een normale lamp altijd meerdere kleuren bevat. Ten tweede is het coherent, wat dat betekent lees je straks. En tot slot produceert een laser een hele dunne straal licht, terwijl een lamp licht in alle richtingen uitzendt. In dit artikel lees je hoe een laser werkt.
Allereerst moeten we hiervoor even kijken wat licht eigenlijk is. Hierover zouden we een heel boek kunnen vullen, maar dan zou dit artikel zo lang worden, dus we houden het er even bij dat licht bestaat uit zogenaamde fotonen – oftewel lichtdeeltjes. Deze lichtdeeltjes trillen heen en weer terwijl ze bewegen. Hoe snel ze heen en weer trillen (oftewel de frequentie van het licht) bepaalt de kleur die we zien.
Spontane emissie
Maar waar komen die fotonen dan vandaan? Fotonen kunnen ontstaan door zogenaamde spontane emissie, die plaatsvindt in atomen. Laten we dus eerst even kijken hoe een atoom in elkaar zit: een goede uitleg daarover vind je hier. Zoals je ziet, bestaat een atoom uit een kern van protonen en neutronen, en om die kern heen draait een wolk van elektronen. Dieelektronen kunnen zich bevinden in verschillende banen rondom de kern, en hoe verder weg de baan is, des te hoger is de energie van het elektron. In elke baan is maar ruimte voor een paar elektronen. Nou kan het gebeuren dat een elektron in een toestand met hoge energie zit, terwijl er in de banen met een lagere energie nog genoeg ruimte is – dat noemen we een aangeslagen elektron. Als zo’n elektron terugvalt naar een toestand met lagere energie, komt de overgebleven energie vrij in de vorm van een foton. Figuur 1 maakt dit misschien wat duidelijker.
Figuur 1: Als er energie aan een elektron wordt toegevoegd, bijvoorbeeld in de vorm van een foton, kan dit elektron naar een hogere energietoestand gaan (aangeslagen raken). Even later zal het elektron dan terugvallen en een foton uitzenden, in een willekeurige richting: spontane emissie.
Gestimuleerde emissie
In gewone lampen komen fotonen vrij door spontane emissie: doordat er een stroom loopt (die zelf uit elektronen bestaat) worden elektronen in het materiaal van de gloeidraad aangeslagen, en daarna kan er dus spontane emissie plaatsvinden. Lasers maken echter nog gebruik van zogenaamde gestimuleerde emissie. Als een atoom met een aangeslagen elektron namelijk wordt geraakt door een foton, in plaats van door een ander elektron, 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. Zie figuur 2.
Figuur 2: als een foton een atoom met een aangeslagen elektron raakt, kan dit elektron terugvallen naar een lagere energie-toestand, waarbij een tweede foton wordt uitgezonden dat 'in de pas loopt' met het eerste: Gestimuleerde emissie.
Laser
De afkorting LASER staat voor ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’: Lichtversterking door gestimuleerde emissive van straling. Dat is dan ook precies wat een laser doet. In het hart van een laser, in het zogenaamde lasermedium (dat kan een bepaald gas zijn, maar bijvoorbeeld ook materialen zoals robijn) vindt spontane emissie plaats. De fotonen die hierbij ontstaan, bewegen verder door het medium, en elke keer dat een foton een atoom met een aangeslagen elektron raakt, wordt er een nieuw foton uitgezonden. Zo wordt het licht dus versterkt. Maar nou wordt er nog een leuke truc toegepast: aan beide kanten van het medium bevindt zich een spiegel, zodat het licht steeds maar heen en weer blijft lopen door het medium, en dus steeds verder versterkt wordt. Een van deze twee spiegels is halfdoorlatend, dat betekent dat de helft van het licht er door valt en de rest teruggekaatst wordt. Zo komt het licht naar buiten. Zie figuur 3.
Figuur 3: Werking van de laser. Er wordt energie toegevoerd aan het lasermedium (rood), waarin door spontane emissie licht vrijkomt, dat door gestimuleerde emissie versterkt wordt en tussen twee spiegels heen en weer blijft bewegen. Een van die spiegels is halfdoorlatend.