LICHT IN EEN NIEUWE VORM
LASER-LICHT:
fijne naald met grote energie
THEORIE
»r Eilicrl H. ISunte
NADEEL
MEDICI. KERNFYSICI, IM.T. ERS EN
RIOLOGEN ZIJN ALLEN GEÏNTERESSEERD
MANK
VERSTOMD
ENERGIE
HITTE
EEN nieuwe, merkwaardige lief-
bberij in natuurkundige laborato-
is tegenwoordig het maken van
meer gaatjes in scheermesjes
de fabrikant er al in heeft aan
bracht. Een nutteloze tijdpassering
zonderlingen? De mannen, die
(dekten, dat het theoretisch mo-
lijk was, hebben er de Nobelprijs
dj gekregen! Zij deden het name-
met een laser, een apparaat
armee een lichtstraal kan worden
gewekt, die zo sterk geconcen-
erd is en daardoor zo energierijk,
hij dwars door het staal van
scheermesje heen gaat. Laser is
Engels woord, samengesteld uit
beginletters van Light Amplifica-
by Stimulated Emission of Ra
tion lichtversterking door mid-
van gestimuleerde uitzending
straling. Laser is dus een func-
aeel woord, dat weergeeft wat het
ncipe inhoudt.
december 1964 stonden de Amerikaan
Townes en de Russen N. Basow en A.
ihorow voor de Zweedse koning om
diens handen de Nobelprijs voor na-
rkunde te ontvangen voor een weten-
appelijke uitvinding, die zij onafhanke-
elkaar hadden gedaan, en die in
toekomst voor het dagelijks leven wei
van groot belang zal kunnen worden,
verdere uitbreiding van het weten-
ppelijke onderzoek uiteraard, doch
eens voor militaire en civiele toepas-
in. De laser bergt in zich zowel het
:ipe van de „dodende straal" uit de
ice fiction boekjes als de mogelijkheid
én het mes van de chirurg én de ka
de PTT te vervangen door on-
felijke lichtstralen.
inminste, dat is de theorie. „Maar tus-
droom en daad staan wetten in de weg,
praktische bezwaren", schreef Els-
en zo is het hier ook. Er zal nog
wat gestudeerd moeten worden op
rlei natuurwetten, er zal nog heel wat
inische problematiek moeten worden
ïlost alvorens de laser net zo'n gewoon
miksvoorwerp is geworden als die an-
lichtbron, de gloeilamp. Zo hij dat al
zal kunnen worden.
en gloeilamp en een laser geven beide
Het grote verschil zit in de wijze
irop. Als men de lamp vergelijkt met
kantoorgebouw dan is de laser een ka-
Gaat het kantoor uit, dan komen
Irommen mensen naar buiten, mannen
rrouwen, ouden en jongen. Ze zijn alle-
al verschillend gekleed, verdienen ver-
Mende salarissen. De een gaat lopend
huis, de ander op de fiets; hier gaat
een alleen, daar een aantal groepsge-
Ze gaan naar noord en zuid, oost en
t, verspreiden zich in alle richtingen,
weinige honderden meters van het ge-
niets te merken van deze huis-
irts kerende mensen. Uit de kazerne
ien ook mensen te voorschijn. Dat zijn
ïaal mannen, allen ongeveer even
eender gekleed, lopend in dezelfde
Ze blijven allemaal bij elkaar, op
cies dezelfde onderlinge afstand en be
ten zich even snel in dezelfde richting.
militaire colonne is ook op kilometers
nd van de kazerne direct te herken
zij blijft zich zelf. Komen enkele van
«aar huis gaande kantoormensen in een
totje terecht, dan kurmen zij niet ver-
ze komen in de menigte vast te zit-
of keren op hun schreden terug. De
(itairen marcheren rustig en vastbera-
door; botsen zij op de raddraaiers, dan
deze drommels gauw uit de weg om
'tegen de grond te worden gelopen.Ten-
oste, als de colonne sterk genoeg is en
aantal „opstandelingen" niet te groot,
liet andere geval loopt het op vechten
dan zal het er heet aan toe gaan.
dat licht bestaat uit straling van allerlei
golflengten tussen 400 en 780 miljoenste
millimeter. Van enigerlei orde is in dit
stralingsveld geen sprake, iedere lichtgolf
staat op zich zelf, gaat zijn eigen weg. Hier
versterken twee stralen elkaar, ginds do
ven zij elkaar uit. Het licht dat de laser
uitzendt daarentegen bevat slechts stra
ling van één scherp gedefinieerde golfleng
te en al die stralen „lopen precies in de
pas": de toppen en de dalen van alle gol
ven vallen samen en in een gesloten front
snellen zij voorwaarts, alle in exact dezelf
de richting. Waar een eenzame, zelfstan
dige lichtstraal reeds door het dunste
blaadje papier wordt teruggekaatst, daar
dringt de energie van de golven van een
laser door lagen materie heen, die duizen
den malen zo dik zijn als hun golflengte
lang is: het staal van een scheermesje
bij voorbeeld. Want in het „gevecht" dat
ontstaat wanneer licht en materie elkaar
ontmoeten gaat het er zo heet aan toe, dat
vaste stoffen smelten en verdampen.
Het principe van de „gestimuleerde uit
zending van straling" is al bekend sinds
1917, jaar waarin Einstein het op theoreti
sche gronden postuleerde Het duurde ech
ter tot 1954, voordat het voor het eerst
in de praktijk werd toegepast. In dat jaar
werd ontdekt hoe men, door aan de mole
culen van bepaalde stoffen „gewone" elek
tromagnetische straling toe te voeren, kon
bereiken, dat de atomen in deze moleculen
gestimuleerd werden om allemaal precies
dezelfde golflengte uit te zenden. Sindsdien
zijn er drie hoofdvormen van lasers ont
wikkeld, die respectievelijk met vaste stof
fen, vloeistoffen en gassen werken. De
vloeistoflasers worden hier slechts volle
digheidshalve genoemd, want aan dit type
is nog maar heel weinig gedaan; de mees
te aandacht is tot dusver uitgegaan naar
de andere twee.
Bij de vaste stoflasers is die met de ro
bijn het meest bekend geworden. Met be
hulp daarvan hebben Amerikaanse onder
zoekers enige tijd geleden een laserstraal
op de maan gericht; de gereflecteerde
bundel konden zij, hoewel hij uiterst ver
zwakt was na de reis van bijna 800.000 km,
weer opvangen. De robijnlaser werkt met
een flitslamp. Het licht daarvan brengt de
chroom-atomen in het kristal tot activi
teit: er wordt een „stoot", een puls licht
afgegeven, die tussen twee uiterst zuiver
geslepen zijvlakken van de robijn heen
en weer geslingerd wordt en vervolgens
door een halfdoorschijnend vlak uittreedt
als een eenheid, als een colonne militairen.
Deze laser geeft dus geen ononderbroken
lichtstraal, doch een reeks elkaar opvol
gende pulsen coherent licht. Met dit appa
raat kan enorm veel energie worden over
gedragen in zeer korte tijd, zoiets van
megawatts (een megawatt is 1000 kilowatt)
in een tienduizendste seconde. Het doel
wit, waarop de straal wordt gericht,wordt
in een minimum van tijd zeer heet, smelt
en verdampt eventueel. Men kan de straal
daardoor uitstekend gebruiken om draad
jes aan elkaar te lassen of om een losge
laten netvlies weer aan de wand van de
oogbol vast te „prikken". Bij dit medische
„puntlassen" leidt men de straal door een
lens, die voor een nóg grotere concentra
tie van het licht zorgt; het schroeivlekje
van de „puntlas" is dan ook kleiner dan
een duizendste millimeter in middellijn.
Als men een
gloeilamp
vergelijkt
met een
stroom van
uitzwermend
kan toor-
personêel,
dan is
DIT licht
net een
stramme rij
soldaten,
die voor niets
uit de weg
gaat
Dit is een laser-apparaat in zijn een
voudigste uitvoering. De glazen spiraal
is een flitslamp, die zijn licht werpt op
de rechte staaf, die erin staat. Deze staaf
is een synthetische robijn, die het licht
opneemt en het vervolgens als een cohe
rente straal uitzendt. Volledigheidshalve:
de mysterieuze man op de achtergrond is
dr. Th. H. Maiman uit Culver City, Ca-
lifornië, die veel werk op het gebied van
de laser heeft i
Klere vergelijking gaat mank, deze dus
Maar zij benadert het principe van
'P en laser toch wel dicht. De gloeilamp
tyreidt zijn licht in alle richtingen, en
Een tweede laser van dit pulserende ty
pe werkt met galliumarsenide, een halfge
leider. Deze wordt niet gevoed door flits
licht, doch door elektrische stroomstoten
van grote sterkte, bij voorbeeld 100 ampè
re. Dit apparaat heeft voorshands een be
langrijk nadeel: de stroomstoten geven een
grote warmte-ontwikkeling terwijl deze la
ser het best werkt bij temperaturen van
enkele graden boven het absolute nulpunt,
dus in de buurt van -270 graden Celsius.
Het koelingsprobleem is dus niet zo sim
pel op te lossen.
Vrijwel algemeen wordt de gaslaser als
het meest belovend beschouwd. In begin
sel is dit niets anders dan een soort TL-
buis, gevwki met een mengsel van gassen,
bij voorbeeld 85% helium en 15% neon,
waar een vrij zwakke elektrische stroom
door wordt geleid, in de orde van grootte
van milli-ampères. Dit is geen pulserende,
doch een continue laser: de stralen komen
er niet in pulsen uit, doch in een ononder
broken stroom. Hierin stemt hij overeen
met een radiozender, die immers ook een
continue draaggolf uitzendt. Daarom moet
het in principe ook mogelijk zijn, een
straal van een gaslaser te moduleren, net
als een radiogolf wordt gemoduleerd om
woorden en muziek over te brengen. Om
even terug te keren tot het voorbeeld van
de militaire colonne: men kan de eerste
groep militairen in een dusdanige formatie
de kazerne uitsturen, dat zij een bepaalde
Een laser-apparaat in de praktijk.
Links de laser zoals hij stond opgesteld
op het dak van een laboratorium in Holrn-
del, in de Amerikaanse staat New Jer
sey, rechts een foto-multiplicator, waar
mee de overgebrachte signalen op een
afstand van 45 kilometer konden worden
ontvangen. Metingen wezen uit dat de
smalle bundel die zich overigens toch
nog uitbreidde tot een vlek van 60 me
ter middellijn meer dan een miljoen
maal zo helder was als het zonlicht. Dit
experiment werd uitgevoerd door techni
ci van de g/rote BeU Telefoon Maatschap
pij, die uiteraard belangstelling heeft voor
de communicati emogelijkheden van de
laser.
letter vormen, de volgende in een andere
opstelling, en zo verder, tot zij een heel
woord vormen, dat zich met de snelheid
van de colonne voortplant.
Het aantal signalen, dat men op een
draaggolf kan „enten" is afhankelijk van
de golflengte; moderner gezegd: van de
frequentie, dat is het aantal trillingen per
seconde. Nu is de frequentie van licht,met
zijn zo kleine golflengte, miljoenen malen
zo groot als die van de radiogolven, en dus
moet men er miljoenen malen zoveel sig
nalen mee kunnen overbrengen. Vandaar
het aanvankelijke enthousiasme onder de
technici: de laserstraal betekende het ein
de van alle communicatiemoeilijkheden.
Eén dunne lichtstraal moest zeker een mil
joen telefoongesprekken of enige honder
den televisieprogramma's tegelijk kunnen
overbrengen, even storingvrij als
ze via kabels werden gezonden.
hoek nog kleiner te maken, in de orde
van boogseconden, doch dit verandert wei
nig aan de feitelijke situatie. Men kan op
het ogenblik reeds de onwaarschijnlijk
kleine waarde van 10 boogseconden be
reiken; maar over een afstand van 50 km
breidt de laserlichtpunt zich zelfs in dit
geval nog uit tot een vlek van 2,5 m
middellijn.
Daar komt nog bij, dat de straal zich
moet voortplanten door de lucht. De mole
culen van onze dampkring absorberen een
deel van de straling en werken bovendien
enigszins verstrooiend, zodat er ook al door
deze oorzaak van onze ragfijne „naald"
van licht niet veel overblijft.
Neen, hoe fraai de resultaten ook waren
in de laboratoria, waar men met behulp
van de laserstraal geluiden heeft overge
bracht in de praktijk zal men er ver
moedelijk weinig aan hebben, met uitzon
dering misschien van de ruimtevaart.Voor
communicatie in het luchtledige, tussen
twee vaartuigen, kan de laser wellicht nut
tige diensten gaan bewijzen.
Grootste nut
op
kleinste afstand
boord te worden. Dé uitrusting voor de in
fanterie zou zijn het glimmend gepoetste
harnas uit de middeleeuwen, omdat dat
de beste bescherming zou bieden.
Maar grapjes terzijde, vooralsnog biedt
de laser de grootste mogelijkheden op de
kleinste afstand. Het medisch „puntlas
sen" is er een, het vernietigen van gezwel
len ook. Door met gebruikmaking van leh-
zen de energie op één punt te concentre
ren kan men daar zeer hoge temperaturen
mee opwekken, hogere dan op de zon.Een
gezwel wordt in een fractie van een secon
de weggebrand zonder schade voor het om
liggende weefsel. Biologen kunnen zelfs on
derdelen van cellen, niet groter dan frac
ties van millimeters, met een laserstraal
vernietigen, iets wat met de niet-coheren-
te röntgenstralen niet mogelijk is.
Voorwaar bijzonder fraai, in theorie.
Doch niet voor niets zijn de juichkreten
over de fantastische praktische mogelijk
heden van de laser juist op het gebied van
de communicatie de laatste jaren ver
stomd. De deskundigen hebben allerlei
moeilijkheden zien opdoemen, die tussen
droom en daad in de weg staan.
Daar is in de eerste plaats het feit, dat
de laserstraal, hoe coherent ook, nooit he-
leméél een evenwijdige bundel vormt. Het
licht verspreidt zich altijd iets, al is het
nog zo weinig. Zou de afwijking, de „ope
ningshoek", slechts 1 boogminuut bedra
gen dat is het 21.600-ste deel van de cir
kelomtrek! dan is zij op 1 meter van
de bron 0,3 mm, dus zeer gering. Maar
bij een afstand van 1 kilometer wordt dat
30 cm, en op 10 kilometer en dat is
toch wel het minimum waarover een com
municatieman wil praten is het zelfs
3 m. De fraaie puntbron ziet men op 10 km
afstand dus niet meer als een punt, doch
als een vlek met een middellijn van 3 m
en daar gaan alle schone dromen. Na
tuurlijk kan men proberen de openings-
Zolang zich geen nieuwe wetenschappe
lijke en technische „doorbraken" voordoen,
heeft de laser op het gebied van de com
municatie over grote afstanden geen toe
komst. Veel belangrijker is hij momenteel
voor het overbruggen van kleine afstan
den, in het bijzonder voor de overbrenging
van energie. Staat men op 5 km afstand
van een laser, niet sterker dan 25 watt,
en brengt men het oog precies voor de
bundel, dan wordt men zelfs in het volle
zonlicht erdoor verblind. Maakt men een
sterker apparaat, dan kan men er zelfs
zoveel energie mee overdragen, dat men
over een afstand van vele tientallen me
ters iets in brand kan „stralen". Dat toe
stel is bij de Amerikanen in ontwikkeling,
en wordt het laser-geweer genoemd. Zelfs
zou men de dikke pantserplaten van tanks
kunnen doorboren, maar dan zou de la
ser toch wel het vermogen van een kleine
elektrische centrale moeten hebben
Tussen haakjes: in zo'n oorlog met licht
stralen zouden spiegels strategische ma
terialen van de eerste orde zijn. Een tank.
bekleed met spiegels, zou de laserstraal
terugkaatsen in plaats van erdoor door-
Ook in heel andere kringen heeft meo
reeds naar de laser gegrepen. De kernfy
sici, die naar de mogelijkheid zoeken om
door middel van kernfusie energie op te
wekken, hebben daar temperaturen van
miljoenen graden voor nodig. Zowel in de
Verenigde Staten als in de Sowjet-Unie
proberen zij nu, die temperaturen uit een
laser te halen.
Het werk aan de laser verkeert voor het
overgrote deel nog in het laboratorium
stadium, al wordt in sommige publika-
ties en er wordt welhaast dagelijks over
gepubliceerd! de indruk gewekt dat er
sprake is van praktische toepassing op
praktijkschaal.
De ontwikkeling gaat echter zeer
snel en verwacht mag worden dat
de laser zich binnen afzienbare tijd
geschaard zal hebben in de indruk
wekkende rij technische hulpmid
delen, die de mensheid de laatste
tientallen jaren ter beschikking heeft
gekregen, ook al zal hij dan wellicht
niet bieden wat men zich in het eer
ste enthousiasme heeft gedroomd.
