Lasertechnologie

  I. INLEIDING

  Licht heeft altijd een centrale rol gespeeld in de studie van natuurkunde, scheikunde en biologie. Licht is de sleutel tot zowel de evolutie van het universum als de evolutie van het leven op aarde. Deze eeuw is een nieuwe vorm van licht, laserlicht, ontdekt op onze kleine planeet en faciliteert nu al een wereldwijde informatieverandering en levert belangrijke bijdragen aan de geneeskunde, industriële materiaalverwerking, gegevensopslag, afdrukken en defensie. Deze beoordeling zal de ontwikkelingen in wetenschap en technologie die hebben geleid tot de uitvinding van de laser volgen en enkele voorbeelden geven van hoe lasers bijdragen aan zowel technologische toepassingen als vooruitgang in de basiswetenschap. Er zijn veel andere uitstekende bronnen die verschillende aspecten van de lasers en lasertechnologie behandelen, waaronder artikelen van de 25ste verjaardag van de laser (Ausu- bell en Langford, 1987) en studieboeken (bijv. Siegman, 1986; Agrawal en Dutta, 1993; Ready, 1997).

  Lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling (LASER) wordt bereikt door de elektronische, vibrationele, rotationele of samenwerkende modes van een materiaal in een niet-evenwichtstoestand te exciteren, zodat fotonen die zich door het systeem propageren, coherent worden versterkt door gestimuleerde emissie. Excitatie van dit optische versterkingsmedium kan worden bereikt door optische straling, elektrische stroom en ontladingen of chemische reacties te gebruiken. Het versterkende medium wordt geplaatst in een optische resonatorstructuur, bijvoorbeeld tussen twee hoogreflecterende spiegels in een Fabry Perot interferometerconfiguratie. Wanneer de winst in fotonummer voor een optische modus van de holteresonator groter is dan het holteverlies, evenals verlies van niet-bestralings- en absorptieprocessen, neemt de amplitude van de coherente toestand van de modus toe tot een niveau waarbij het gemiddelde fotonnummer in de modus groter is Dan een. Op pompniveaus boven deze drempelvoorwaarde, is het systeem een ​​laser en stimuleert gestimuleerde emissie de spontane emissie. Een laserstraal wordt typisch uit de resonator door een gedeeltelijk doorlatende spiegel gekoppeld. De wonderbaarlijk nuttige eigenschappen van laserstraling omvatten ruimtelijke coherentie, smalle spectrale emissie, hoog vermogen en goed gedefinieerde ruimtelijke modi, zodat de bundel kan worden gefocusseerd op een diffractie beperkte puntgrootte om een ​​zeer hoge intensiteit te bereiken. Het hoge rendement van laserlichtgeneratie is belangrijk in veel toepassingen waarvoor een laag stroomverbruik en een minimum aan warmteontwikkeling vereist is.

Wanneer een laserbundel met coherente toestand wordt gedetecteerd met behulp van foton-teltechnieken, is de foton-telverdeling in de tijd Poissoniaans. Een geluidsweergave van een fotomultiplicator met hoog rendement die een laserveld detecteert, klinkt bijvoorbeeld als regen in een constante stortbui. Deze laserruis kan in speciale gevallen worden gewijzigd, bijv. Door het constant pompen van een diodelaser om een ​​samengedrukte getaltoestand te verkrijgen, waarbij de gedetecteerde fotonen meer als een machinegeweer dan als regen klinken.

  Een optische versterker wordt verkregen als het versterkingsmedium zich niet in een resonantieholte bevindt. Optische versterkers kunnen een zeer hoge versterking en een laag geluidsniveau bereiken. In feite hebben ze momenteel ruiscijfers binnen een paar dB van de 3 dB kwantumruisgrens voor een fase-ongevoelige lineaire versterker, d.w.z. dat ze iets meer dan een factor twee toevoegen aan het ruisvermogen van een invoersignaal. Optische parametrische versterkers (OPA's), waarbij signaalversterking wordt bereikt door niet-lineaire koppeling van een pompveld met signaalmodi, kunnen worden geconfigureerd om minder dan 3 dB ruis toe te voegen aan een ingangssignaal. In een OPA kan de aan het ingangssignaal toegevoegde ruis worden gedomineerd door pompruis en kan de door een laserpompbundel veroorzaakte ruis verwaarloosbaar klein zijn in vergelijking met de grote amplitude van het pompveld.

  II.HISTORY

  Einstein (1917) leverde het eerste essentiële idee voor de lasergestimuleerde emissie. Waarom werd de laser niet eerder in de eeuw uitgevonden? Veel van het vroege werk aan gestimuleerde emissieconcentraten op systemen in de buurt van het evenwicht, en de laser is een systeem zonder hoogkwalitatief evenwicht. Achteraf gezien had de laser gemakkelijk kunnen worden bedacht en gedemonstreerd met behulp van een gasontlading tijdens de periode van intense spectroscopische studies van 1925 tot 1940. De microgolftechnologie die tijdens de Tweede Wereldoorlog was ontwikkeld, vergde echter de atmosfeer voor het laserconcept. Charles Townes en zijn groep in Columbia hebben het idee maser (microgolfversterking door gestimuleerde emissie van straling) bedacht op basis van hun achtergrond in microgolftechnologie en hun interesse in microgolfspectroscopie met hoge resolutie. Vergelijkbare maser-ideeën evolueerden in Moskou (Basov en Prokhorov, 1954) en aan de Universiteit van Maryland (Weber, 1953). De eerste experimenteel gedemonstreerde maser aan de Columbia University (Gordon et al., 1954, 1955) was gebaseerd op een moleculaire straal van ammoniak. Bloembergen's ideeën voor winst in systemen met drie niveaus resulteerden in de eerste praktische maser-versterkers in het robijnsysteem. Deze apparaten hebben geluidsniveaus die dicht bij de kwantumlimiet liggen en werden door Penzias en Wilson gebruikt bij de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling.

  Townes was ervan overtuigd dat het maser-concept kon worden uitgebreid naar het optische gebied (Townes, 1995). Het laseridee werd geboren (Schawlow en Townes, 1958) toen hij het idee besprak met Arthur Schawlow, die inzag dat de resonantiemodi van een Fabry-Perot-interferometer het aantal modi die met het versterkingsmateriaal interageren, kon verminderen om om hoge versterking te bereiken voor een individuele modus. De eerste laser werd gedemonstreerd in een flitslamp gepompt robijn kristal door Ted Maiman in Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960). Kort na de demonstratie van gepulseerde kristallasers, werd een continue golf (CW) He: Ne gasontladingslaser getoond in Bell Laboratories (Javan et al., 1961), eerst bij 1,13 μm en later bij de rode 632,8 nm golflengte lasing overgang. Een uitstekend artikel over de geboorte van de laser is gepubliceerd in een speciale uitgave van Physics Today (Bromberg, 1988).

De maser en laser hebben het veld van de kwantumelektronica geïnitieerd dat zich uitstrekt over de disciplines natuurkunde en elektrotechniek. Voor natuurkundigen die voornamelijk in termen van fotonen dachten, waren sommige laserconcepten moeilijk te begrijpen zonder de coherente golfconcepten die in de elektrotechnische gemeenschap zo vertrouwd zijn. De laserlijnbreedte kan bijvoorbeeld veel smaller zijn dan de limiet die men denkt te worden opgelegd door de spontane levensduur van de laserovergang. Charles Townes won een fles whisky op dit punt van een collega in Columbia. De laser en maser tonen ook prachtig de uitwisseling van ideeën en impulsen tussen industrie, overheid en universitair onderzoek.

  Aanvankelijk waren er in de periode van 1961 tot 1975 weinig toepassingen voor de laser. Het was een oplossing die op zoek was naar een probleem. Sinds het midden van de jaren 1970 is er een explosieve groei van lasertechnologie voor industriële toepassingen.

  Als gevolg van deze technologische groei, faciliteert een nieuwe generatie lasers, waaronder halfgeleiderdiodelasers, kleurstoflasers, ultrasnelle modusgesloten Ti: saffierlasers, optische parameteroscillatoren en parametrische versterkers, momenteel nieuwe onderzoeksdoorbraken in de natuurkunde, scheikunde en biologie.

  III.LASERS IN DE TURN VAN DE EEUW

  Schawlow's '' wet '' stelt dat alles laseert als het hard genoeg wordt gepompt. Inderdaad zijn duizenden materialen gedemonstreerd als lasers en optische versterkers, resulterend in een groot bereik van laserafmetingen, golflengten, pulslengtes en vermogens. Lasergolflengten variëren van het verre infrarood tot het röntgengebied. Laserlichtpulsen zo kort als enkele femtoseconden zijn beschikbaar voor onderzoek naar materiaaldynamiek. Piekvermogens in het bereik van de petawatt worden nu bereikt door amplificatie van femtosecondepulsen. Wanneer deze vermogensniveaus zijn gericht op een diffractie beperkte plek, naderen de intensiteiten 1023 W / cm2. Elektronen in deze intense velden worden versneld in het relativistische bereik gedurende een enkele optische cyclus, en interessante quantum-elektrodynamische effecten kunnen worden bestudeerd. De fysica van ultrakorte laserpulsen wordt besproken is deze honderdjarige reeks (Bloembergen, 1999).

  Een recent voorbeeld van een grote, krachtige laser is de chemische laser op basis van een jodiumovergang bij een golflengte van 1,3 μm, die wordt beschouwd als een verdedigingswapen (Forden, 1997). Het zou in een Boeing 747-vliegtuig kunnen worden gemonteerd en zou gemiddelde vermogens van 3 megawatt produceren, wat overeenkomt met 30 acetyleenbranders. Dankzij nieuwe ontwikkelingen in hoogwaardige diëlektrische spiegels en vervormbare spiegels kan deze intense straal betrouwbaar worden gericht op een kleine raket die biologische of chemische agentia draagt ​​en deze vernietigen van afstanden tot 100 km. Deze '' steroorlogen '' aanval kan worden uitgevoerd tijdens de opstartfase van de raket, zodat delen van de vernietigde raket terugvallen op de draagraket, een behoorlijk afschrikmiddel voor deze kwaadaardige wapens. Captain Kirk en het ruimteschip Enterprise gebruiken dit misschien op de Klingons!

Aan het andere uiteinde van het bereik van de lasergrootte zijn micro- lasers zo klein dat slechts een paar optische modi in een resonator met een volume in het femtoliterbereik aanwezig zijn. Deze resonatoren kunnen de vorm aannemen van ringen of schijven met slechts een diameter van enkele microns die totale interne reflectie gebruiken in plaats van conventionele spiegels met diëlektrische spiegels om een ​​hoge reflectiviteit te verkrijgen. Fabry Perot holten met een lengte van slechts een fractie van een micron worden gebruikt voor VCSELs (laserstralen met verticale holteoppervlakte) die optische balken van hoge kwaliteit genereren die efficiënt kunnen worden gekoppeld aan optische vezels (Choquette en Hou, 1997). VCSEL's kunnen op grote schaal worden toegepast in optische gegevensverbindingen.

  Wereldwijde laserverkopen op de primaire commerciële markten voor 1997 (Anderson, 1998; Steele, 1998) worden schematisch getoond in Fig. 1. De totale laserverkoop heeft 3,2 miljard dollar bereikt en met een jaarlijks groeipercentage van bijna 27% zal dit meer dan 5 miljard dollar bedragen tegen het jaar 2000. De wereldwijde distributie van laserverkopen is 60% in de VS, 20% in Europa en 20% in de Stille Oceaan. Halfgeleiderdiodelasers zijn goed voor bijna 57% van de lasermarkt in 1997. Diodelasers in de telecommunicatie alleen zijn goed voor 30% van de totale markt.

  Materiaalverwerking is de op een na grootste markt met toepassingen zoals lassen, solderen, patroonvorming en snijden van stoffen. CO2-lasers met gemiddelde vermogens in het bereik van 100 W vormen een groot deel van de inkomsten in deze categorie. Krachtige diodelasers met vermogensoutputniveaus tussen 1 en 20 W en golflengten in het bereik van 750 tot 980 nm vinden nu een grote verscheidenheid aan toepassingen in de materiaalverwerking, alsook in oog- en chirurgische toepassingen, instrumentatie en detectie.

  De groei van medische lasertoepassingen is grotendeels te wijten aan cosmetische laserprocedures zoals huidvernieuwing en ontharing. Een groot deel van de medische lasers wordt nog steeds gebruikt in oogheelkundige en algemene chirurgische toepassingen.

  Frequentie verdubbeld Nd: YAG-lasers en diode-lasersystemen vervangen argonionlasers in de oftalmologie. Nieuwe lasers, waaronder de erbium-gestripte YAG-laser, worden op grote schaal gebruikt in dermatologie, tandheelkunde en oftalmologie.

  Optische opslag is goed voor 10% van de markt waar men de lasers vindt die worden gebruikt in de compact disk (CD) -spelers voor zowel de entertainment- als computermarkten. De GaAs halfgeleiderlaser bij 800 nm golflengten voor deze toepassingen worden vandaag zo efficiënt vervaardigd dat de laserkosten bijna $ 1 per stuk bedragen. Meer dan 200 miljoen diodelasers, met golflengten in het bereik van 750 tot 980 nm en vermogens van enkele milliwatt, werden in 1997 verkocht voor optische opslag.

 De opkomst van digitale videoschijven (dvd's) met 4,7 Gbytes aan opslagcapaciteit en blauwe diodelasers (DenBaars, 1997) zal leiden tot verdere groei op dit gebied.

  Lasertoepassingen voor beeldregistratie omvatten desktop-computerprinters, faxapparaten, kopieerapparaten en commer- cial printing (Gibbs, 1998). Low power, single-mode diodelasers die met 780 tot 670 nm golflengten emitteren, worden gebruikt in beeldrecorders die worden gebruikt om kleurgescheiden films te maken met een hoge gevoeligheid in dit golflengtebereik. Deze lasergebaseerde kleurenafdruktechnologie is gecombineerd met desktop publishing-software om paginaontwerpen van hoge kwaliteit mogelijk te maken. Computer to plate-technologie is een andere belangrijke ontwikkeling bij het afdrukken. Een oppervlak van een drukplaat wordt direct in beeld gebracht door het bloot te stellen aan een laserstraal in plaats van het gebruik van op film gebaseerde kleurscheidingen. Zo kunnen fotopolymeer beklede platen bijvoorbeeld worden blootgesteld aan ND: YAG-lasers met frequentieverdubbeling diode bij een golflengte van 532 nm. Recentelijk zijn thermisch gevoelige platen ontwikkeld voor gebruik met nabij-infrarood patroonlasers.

Remote sensing lasermarkten omvatten botsingvermijding door automobielen, atmosferische chemische detectoren en detectie van luchtbeweging. Laser-ranging biedt gedetailleerde hoogtekaartjes van de aarde, waaronder landmassa-bewegingen, biomassa, wolken- en neveldekking en ijskapevolutie. Laser variërend van satellieten kan een subcentimeterresolutie bereiken van hoogtekenmerken en landmassa beweging op aarde. De maan, Mars en andere planeten worden ook in kaart gebracht door laserstralen. Voor de planeten varieert de meetnauwkeurigheid tussen meters en centimeters. Gedetailleerde kenmerken van de ijskap op Mars en wolken bij de rand van de ijskap zijn onlangs in kaart gebracht.

  Lasertoepassingen in onderzoek, barcodescanning, inspectie, kunst en entertainment zijn kleine maar belangrijke markten. Lasers verkocht voor fundamenteel onderzoek in 1997 goed voor 132 miljoen dollar aan inkomsten. Laag stroomverbruik, met frequentie verdubbelde diode bronnen die in het groen emitteren met een vermogen van ongeveer 10 W worden gebruikt als pomplasers voor frequentie afstembare lasers zoals de Ti: saffier laser en optische parametrische versterkers. Zelfs een tafelonderzoekslaser kan het petawatt-piekvermogensregime bereiken met grote volume optische versterkers. Deze zeer afstembare, ultrakorte pulsen leiden tot vooruitgang op veel onderzoeksgebieden.

  IV.LASERS IN COMMUNICATIE

  Laserlichtbronnen hebben de communicatie-industrie radicaal veranderd. Spraakcommunicatie verhoogde de vraag naar informatieoverdrachtscapaciteit in een gestaag tempo tot het midden van de jaren zeventig. De verdubbelingstijd voor de transmissiecapaciteit in deze periode was ongeveer 8 jaar. De basisgegevenssnelheid lag in het bereik van 10 tot 80 kHz op basis van audiotransmissies. Gedurende deze periode waren de eerste koperdraden en vervolgens de microgolven de primaire communicatietechnologieën. Toen in de jaren 1980 een explosieve stijging van de informatietarieven begon, met gegevens, fax en afbeeldingen toegevoegd aan de informatiestroom. De nieuwe technologie voor glasvezelcommunicatie met laserlichtbronnen is ontwikkeld om gelijke tred te houden met deze nieuwe vraag. De komst van het wereldwijde internet resulteerde in een nog meer verrassende explosie van de capaciteitsvraag. Bij de gegevensbron worden computerterminals gebruikt voor toegang tot internet in huizen en bedrijven over de hele wereld, wat resulteert in datasnelheden die exponentieel toenemen. Als de snelheid van werkstationcomputers 1000 MIPS benadert, zijn glasvezelcommunicatieverbindingen met de computer in het bereik van 1000 Mb / sec vereist. Let op het samenvallen van deze snelheden en dat beide exponentieel toenemen. Het is duidelijk dat er een exponentieel toenemende vraag naar capaciteit voor de overdracht van informatie zal blijven bestaan. Als antwoord op deze vraag is de informatiecapaciteit op een enkele optische vezel in de afgelopen vier jaar, tussen 1994 en 1998, 160 keer toegenomen in commerciële systemen van 2,5 Gbit / sec tot 400 Gbit / sec.

  Deze verbazingwekkende toename is bereikt door gebruik te maken van maximaal 100 verschillende lasergolflengten (dichte golflengteverdeling multiplexing, DWDM) op elke vezel. De datasnelheden bij een enkele golflengte zijn toegenomen van tientallen Mbits / sec in de jaren 70 tot 10 Gbits / sec op dit moment, en 40 Gbit / sec zal waarschijnlijk in gebruik zijn vóór de eeuwwisseling.

Deze informatierevolutie heeft de internationale gemeenschap net zo sterk hervormd als de revolutie in de drukpers en de industriële revolutie heeft hun werelden opnieuw vormgegeven. Twee van de basistechnologieën die de informatierevolutie ondersteunen zijn de halfgeleider diodelaser en de erbium-gedoteerde vezel optische versterker. De lage ruis, hoge intensiteit en smalle lijnbreedten geassocieerd met laseroscillatoren en versterkers zijn absoluut essentieel voor communicatiesystemen met optische vezels. Bredere bandbreedte incoherente bronnen zoals lichtemitterende diodes of thermische bronnen schieten tekort bij de vereiste intensiteiten en spectrale lijnbreedten in vele ordes van grootte.

  Halfgeleiderlaserdioden werden voor het eerst in 1962 bij GE, IBM en Lincoln Laboratories gedemonstreerd als homo-junctie-apparaten op basis van III-V-materialen. Een geschiedenis van deze vroege diodelasers en referenties is te vinden in Agrawal en Dutta (1993). Toen de eerste heterojunctie GaAs / AlGaAs kamertemperatuur was, werden continu-golfdiodelasers in 1970 bediend door Hayashi en Panish (Hayashi et al., 1970) bij Bell Labs en Alferov (Alferov et al., 1970) in Rusland, werden hun levens in minuten gemeten. Betrouwbaarheid van de diodelaser is sindsdien aanzienlijk toegenomen. De levensduur van de diodelaser wordt op dit moment geschat op honderden jaren en de stabiliteit van de golflengte is groter dan 0,1 nm over een periode van 25 jaar. Deze verbazingwekkende stabiliteiten zijn nodig voor de nieuwe DWDM-systemen met meer dan 100 golflengtekanalen die 100 nm golflengtebereiken omspannen. Omdat de optimale golflengte voor weinig verlies in silicavezel in de jaren 70 toenam in golflengte van 800 nm tot 1500 nm, werden diodelasergolflengtes gevolgd door ontwikkeling van GaAs naar het InGaAsP-systeem. Tijdens de late jaren tachtig en vroege jaren negentig hebben kwantumputten de bulkhalfgeleider vervangen in het actieve optische versterkingsgebied om de lasereigenschappen te verbeteren. Een schematisch diagram van een hedendaagse telecommunicatie diodelaser geïntegreerd met een elektro-absorptie modulator wordt getoond in figuur 2. De totale afmetingen zijn minder dan 1 mm. Een verhoogd brekingsindexgebied en begraven gedistribueerde feedback (DFB) rooster, onder de actieve kwantumputjes, definieert respectievelijk de optische laserholte en lasergolflengte.

  Glasvezelcommunicatiesystemen zijn ook sterk afhankelijk van de erbium-gedoopte vezelversterker die eind jaren tachtig werd ontwikkeld (Urquhart, 1988). Deze versterkers hebben een hoge waarde

Fig. 2. Een schematisch diagram van een halfgeleiderlaserdiode met een elektroabsorptiemodulator die wordt gebruikt in optische communicatiesystemen. (Met dank aan R. L. Hartman, Lucent Technologies) winst, meestal nabij 25 dB, en lage ruiscijfers nabij de 3 dB kwantumruisgrens voor een lineaire fase ongevoelige versterker. De versterking in deze versterkers kan worden geëgaliseerd via bandbreedtes tot 100 nm, en beslaat bijna een kwart van het siliciumdioxidevenster met weinig verlies tussen 1,2 en 1,6 μm golflengten. Glasvezelsystemen kunnen over duizenden kilometers 'transparant' worden gemaakt met behulp van erbiumdopeerde vezelversterkers op afstanden van ongeveer 80 km, waar vezelverliezen 20 dB naderen.

Naarmate de eeuw vordert, naderen we snel fundamentele fysieke grenzen voor lasers, optische versterkers en siliciumdioxidevezels. Laser lijnbreedtes liggen in het 10 MHz bereik, beperkt door fundamentele spontane emissie fluctuaties en gain index koppeling in halfgeleidende materialen. Het aantal fotonen in een gedetecteerd bit van informatie nadert de fundamentele limiet van ongeveer 60 fotonen die nodig is bij gebruik van laserlichtvelden met coherente toestand om een ​​foutfrequentie van minder dan 1 deel in 109 te behouden. Een bandbreedtegebruiksefficiëntie van 1 bit / sec / Hz is onlangs aangetoond. Bandbreedten van optische versterkers omspannen de breedte van 400 nm van het glasvezelraam met weinig verlies nog niet, maar ze breiden zich snel uit. Fundamentele limieten die worden opgelegd door niet-lineaire en dispersieve vervormingen in siliciumdioxidevezels, maken overbrenging met datasnelheden van meer dan 40 Gbit / sec erg moeilijk over lange afstanden. Optische solitonen kunnen worden gebruikt om deze vervormingen in balans te brengen, maar zelfs met solitons blijven er fundamentele limieten over voor systemen met een hoge bitsnelheid en meerdere golflengten. De kanaalcapaciteitslimieten opgelegd door de informatietheorie liggen aan de horizon. Het is duidelijk een uitdaging voor de volgende eeuwen om nog meer informatie over de trans- missiecapaciteit te vinden voor de steeds groter wordende wens om te communiceren.

  V. VERWERKING VAN MATERIALEN EN LITHOGRAFIE

  Krachtige CO2- en Nd: YAG-lasers worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen voor graveren, snijden, lassen, solderen en 3D-prototypen. RF-geëxciteerde, afgedichte CO2-lasers zijn in de handel verkrijgbaar met vermogens in het bereik van 10 tot 600 W en hebben een levensduur van meer dan 10.000 uur. Toepassingen voor lasersnijden zijn zeildoek, parachutes, textiel, airbags en kant. Het snijden gaat zeer snel, nauwkeurig, er is geen randverkleuring en er wordt een schone gesmolten rand verkregen die rafelen van het materiaal elimineert. Complexe ontwerpen zijn gegraveerd in hout, glas, acryl, rubberen stempels, drukplaten, plexiglas, borden, pakkingen en papier. Driedimensionale modellen worden snel gemaakt van plastic of hout met behulp van een CAD-computerbestand (computer-aided design).

  Vezellasers (Rossi, 1997) zijn een recente toevoeging aan het veld voor materiaalverwerking. De eerste fiberlasers werden gedemonstreerd in Bell Laboratories met behulp van kristalvezels in een poging om lasers te ontwikkelen voor onderzeese lichtgolfcommunicatie. Gedoteerde gesmolten siliciumdioxide vezellasers werden snel ontwikkeld. Aan het eind van de jaren tachtig vonden onderzoekers van Polaroid Corp. en aan de Universiteit van Southampton cladding-pumped fiber lasers. Het glas dat de geleidekern in deze lasers omgeeft, dient zowel om het licht in de kern met enkele modus te geleiden als als een multimodeleiding voor pomplicht waarvan de voortplanting beperkt is tot de binnenbekleding door een buitenste polymeerbekleding met lage brekingsindex. Typische werkingsschema's maken op dit moment gebruik van een multimode 20 W diodelaserstaaf die efficiënt koppelt in het inwendige bekledingsgebied met grote diameter en wordt geabsorbeerd door het gedoteerde kerngebied over zijn gehele lengte (typisch 50 m). De doteerstoffen in de kern van de vezel die de versterking verschaffen, kunnen erbium zijn voor het 1,5 μm golflengtegebied of ytterbium voor het 1,1 μm gebied. Spiegels van hoge kwaliteit zijn direct op de uiteinden van de vezel aangebracht. Deze vezellasers zijn uiterst efficiënt, met een algemene efficiëntie tot wel 60%. De bundelkwaliteit en de afleveringsefficiëntie is uitstekend omdat de uitvoer wordt gevormd als de uitvoer met enkele modus van de vezel. Deze lasers hebben nu uitgangsvermogens in het bereik van 10 tot 40 W en levensduur van bijna 5000 uur. Huidige toepassingen van deze lasers zijn uitgloeien van micromechanische componenten, snijden van roestvrijstalen onderdelen van 25 tot 50 μm, selectief solderen en lassen van ingewikkelde mechanische onderdelen, markering van kunststof en metalen onderdelen en afdrukapplicaties.

Excimerlasers beginnen een sleutelrol te spelen in de fotolithografie die wordt gebruikt om VLSI-chips (chips met zeer grote schaal) te fabriceren. Omdat de IC-regels (geïntegreerde schakeling) afnemen van 0,35 μm (1995) tot 0,13 μm (2002), moet de golflengte van de voor fotolithografische patronen gebruikte lichtbron dienovereenkomstig van 400 nm tot onder 200 nm afnemen. Tijdens de vroege jaren negentig produceerde kwikboogstraling genoeg vermogen bij voldoende korte golflengten van 436 nm en 365 nm voor hoge productiesnelheden van IC-apparaten met een patroon van respectievelijk 0,5 μm en 0,35 μm ontwerpregels. Naarmate de eeuw vordert, vervangen excimeerlaserbronnen met gemiddelde uitgangsvermogens in het 200 W bereik de kwikbogen. De excimeerlaserlijnbreedten zijn breed genoeg om spikkelpatroonvorming te voorkomen, maar toch smal genoeg, minder dan 2 nm golflengtebreedte, om grote problemen met dispersie bij optische beeldvorming te voorkomen. De kryptonfluoride (KF) excimeerlaserstraling bij een golflengte van 248 nm ondersteunt ontwerpregels van 0,25 μm en de ArF-laserovergang bij 193 nm zal waarschijnlijk worden gebruikt, beginnend met ontwerpregels van 0,18 μm. Bij nog kleinere ontwerpregels, tot 0,1 μm in 2008, is de F2 excimeerlasergolflengte bij 157 nm een ​​mogelijke kandidaat, hoewel er momenteel geen fotoresistoren voor deze golflengte zijn ontwikkeld. Hogere harsen van halfgeleiderlasers zijn ook mogelijk als krachtige UV-bronnen. Bij nog kortere golflengten is het zeer moeilijk voor optische elementen en fotoresists om aan de vereisten in de lithografische systemen te voldoen. Elektronenstralen, x-stralen en synchrotronstraling worden nog steeds overwogen voor de ontwerpvoorschriften van 70 nm die voor 2010 en daarna worden verwacht.

  VI.LASERS IN GENEESKUNDE

  Lasers met golflengten van het infrarood door de UV worden in de geneeskunde gebruikt voor zowel diagnostische als therapeutische toepassingen (Deutsch, 1997). Lasers interageren met inhomogene weefsels door absorptie en verstrooiing.

  Absorbers omvatten melanine huidpigment, hemoglobine in het bloed en eiwitten. Bij golflengten langer dan 1 μm is de primaire absorbeerder water. Kleurstoffen kunnen ook in weefsel worden geïntroduceerd voor selectieve absorptie. Bijvoorbeeld, bij fotodynamische therapie kunnen hematoporfyrine kleurstof fotosensibilisatoren die absorberen in het golflengtebereik van 630 nm tot 650 nm in het systeem worden geïntroduceerd en worden gebruikt voor het behandelen van kankertumoren door lokale laserbestraling in de urineweg of slokdarm. Verstrooiing in weefsel beperkt de penetratie van straling; bij bijvoorbeeld een golflengte van 1 μm worden de penetratiedieptes beperkt tot enkele millimeters. Verstrooiingsprocessen worden bestudeerd in de hoop op het verkrijgen van hoge resolutie-afbeeldingen voor screening op borstkanker. Laserinteractie met weefsel hangt af van de vraag of de laser gepulseerd is of CW. Korte laserpulsen waarbij geen thermische diffusie optreedt tijdens de puls kunnen worden gebruikt om de diepte van lasereffecten te beperken. Dit fenomeen samen met selectieve afstemming van de lasergolflengte wordt gebruikt in de dermatologie voor de behandeling van huidlaesies en bij de verwijdering van spataderen, tatoeages en haar. Niet-lineaire interacties spelen ook een belangrijke rol. Door laser veroorzaakte afbraak wordt bijvoorbeeld gebruikt voor fragmentatie van nier- en galblaasstenen.

Omdat de binnenkant van het oog gemakkelijk toegankelijk is met licht, waren oogheelkundige toepassingen de eerste wijdverbreide toepassingen van lasers in de geneeskunde. Argonlasers worden nu al vele jaren gebruikt voor het behandelen van netvliesloslating en bloeden uit netvaten. De wijdverspreide beschikbaarheid van de CO2- en Nd: YAG-lasers die weefsel afsnijden en tegelijkertijd de bloedvaten coaguleren, leidde tot hun vroege gebruik bij algemene chirurgie. De Er: YAG-laser is onlangs geïntroduceerd voor dentale toepassingen met de belofte van dramatische vermindering van pijn, zeker een welkome bijdrage van lasertechnologie.

  Diagnostische procedures met behulp van de laser prolifereren snel. Sommige technieken worden veel gebruikt in de klinische praktijk. De flowcytometer gebruikt bijvoorbeeld twee gefocusseerde laserstralen om sequentieel fluorescentie van cellulaire deeltjes of moleculen die in een vloeistof door een mondstuk stromen te exciteren. De gemeten fluorescentiesignalen kunnen worden gebruikt voor celsortering of analyse. Routine klinische toepassingen van flowcytometrie omvatten immunofenotypering en DNA-inhoudsmeting. Flowcytometers worden gebruikt om grote aantallen menselijke chromosomen fysiek van elkaar te scheiden. De gesorteerde chromosomen verschaffen DNA-matrijzen voor de constructie van recombinante DNA-bibliotheken voor elk van de menselijke chromosomen. Deze bibliotheken zijn een belangrijk onderdeel van genetische manipulatie.

  Een nieuwe op laser gebaseerde medische beeldvormingstechniek (Guillermo et al., 1997) op basis van lasertechnologie genaamd optimale coherentie tomografie (OCT) is het bereiken van ruimtelijke resolutie van weefsels in het bereik van 10 μm. Beeldvorming met ultrageluid en magnetische resonantie (MRI) is beperkt tot het bereik van 100 μm tot 1 mm. De nieuwe OCT-techniek met hoge resolutie is gevoelig genoeg om afwijkingen in de vroege stadia van kanker en atherosclerose op te sporen. De OCT-techniek is vergelijkbaar met ultrasoon geluid, maar het maakt gebruik van een heldere, brede spectrale bandbreedte infrarood lichtbron met een coherentielengte in de buurt van 10 μm, resulterend in ten minste een orde van grootte verbetering in resolutie ten opzichte van akoestische en MRI-technieken. De bron kan een super luminescente diode zijn, Cr: forsterite laser of een mode-locked Ti: Sapphire laser. OCT voert een optisch bereik in het weefsel uit met behulp van een glasvezel Michelson-interferometer. Omdat interferentie alleen wordt waargenomen wanneer de optische padlengten van het monster en de referentiearmen van de interferometer overeenkomen met de coherentielengte van de bron, worden precisie-afstandsmetingen verkregen. De amplitude van het gereflecteerde / verstrooide signaal als functie van de diepte wordt verkregen door de lengte van de referentiearm van de interferometer te variëren. Een beeld in doorsnede wordt geproduceerd wanneer opeenvolgende axiale reflectie / verstrooiingsprofielen worden geregistreerd terwijl de straalpositie over het monster wordt gescand. Recente studies hebben aangetoond dat OCT de architectonische morfologie kan afbeelden in sterk verstrooiende weefsels zoals het netvlies, de huid, het vasculaire systeem, het maagdarmkanaal en ontwikkelende embryo's. Een afbeelding van een konijnenluchtpijp verkregen met behulp van deze techniek gekoppeld aan een katheterendoscoop wordt getoond in Fig. 3. OCT wordt al klinisch gebruikt voor de diagnose van een groot aantal retinale maculaire ziekten.

Een elegante en nieuwe optische techniek met spin-gepolariseerde gassen (Mittleman et al., 1995) wordt uitgeprobeerd om MRI-beelden van de longen en hersenen te verbeteren. Nucleaire spins in Xe en 3He gassen worden uitgelijnd met behulp van circulair gepolariseerde laserstraling. Deze uitgelijnde kernen hebben bijna 105 keer magnetisaties die voor protonen die normaal worden gebruikt voor MRI-beeldvorming. Xenon wordt gebruikt als een hersensonde omdat het oplosbaar is in lipiden. In regio's zoals de longen, die niet voldoende water bevatten voor hoog contrast MRI-afbeeldingen, biedt 3He de beelden met hoog contrast. Men kan zelfs 3He-flow in de longen bekijken voor functionele diagnostiek.

  VII.LASERS IN DE BIOLOGIE

  Lasertoepassingen in de biologie kunnen worden geïllustreerd aan de hand van twee voorbeelden, laserpincetten en twee fotonenmicroscopen.

Fig. 3. Optische coherentietomografiebeelden van een konijnenluchtpijp in vivo. (a) Deze afbeelding maakt visualisatie mogelijk van verschillende architechtuele lagen, waaronder het epithelium (e), de mucosale stroma (m), kraakbeen (c) en vetweefsel (a).

  De trachealis-spier (tm) kan gemakkelijk worden geïdentificeerd. (B) Overeenkomstige histologie. Bar, 500 μm kopie. Wanneer gecollimeerd laserlicht wordt gefocusseerd nabij of in een klein diëlektrisch lichaam zoals een biologische cel, veroorzaakt breking van het licht in de cel een lenseffect. Een kracht wordt aan de cel overgedragen door overdracht van momentum van de buigende lichtbundel. Arthur Ashkin van Bell Laboratories (Ashkin, 1997) ontdekte dat door de vorm en positie van het brandpuntsvolume in een microscopische opstelling te variëren, een cel gemakkelijk kan worden verplaatst of gevangen met deze '' laserpincetten '' met behulp van lichtintensiteiten in de buurt van 10 W / cm2. Bij deze lichtniveaus en golflengten in het nabije infrarood is er geen significante schade of verwarming van celbestanddelen. Laserpincetten worden nu gebruikt om subcellulaire lichamen zoals mitochondriën in een cel te verplaatsen (Sheetz, 1998). Tweezer-technieken kunnen ook worden gebruikt om DNA-strengen in lineaire configuraties te rekken voor gedetailleerde studies. Twee laserstralen kunnen worden gebruikt om een ​​cel te stabiliseren en vervolgens kan een derde laserstraal op een andere golflengte worden gebruikt voor spectroscopische of dynamische studies. Gepulseerde lasers worden gebruikt als '' schaar '' om specifieke modificaties aan te brengen in celstructuren of om kleine gaten in celmembranen te maken, zodat moleculen of genetische materialen selectief in de cel kunnen worden geïntroduceerd.

Fig. 4. (Kleur) Confocale microscoopfluorescentie met twee fotonen van een levende Purkenji-cel in een hersenplak. De celafmetingen zijn in de orde van 100 μm.

  Het scannen van confocale en twee foton optische microscopie zijn uitstekende voorbeelden van de bijdrage van lasertechnologie aan de biologie. Driedimensionale beeldvorming van zenuwcellen van bijna 200 μm in functionerende hersenen en ontwikkelende embryo's is nu realiteit. Praktische confocale microscopen werden eind jaren tachtig breed gebruikt als resultaat van betrouwbare laserlichtbronnen. De resolutie van de lens in een confocale microscoop wordt zowel gebruikt om het licht te focusseren op een diffractie-begrensde plek en dan opnieuw om primair de signaalfotonen af ​​te beelden, d.w.z. die die niet sterk door het monster zijn verstrooid, op een opening. Hoewel 3D-afbeeldingen met een hoge resolutie worden verkregen, is dit enkele fotonschema een verkwistend gebruik van het verlichtingslicht, aangezien een groot deel van de opening wordt weggestrooid of wordt geabsorbeerd door het monster. Bij fluorescentiemicroscopie is fotodamage van de fluorofoor een bijzonder beperkende factor voor confocale microscopie met een enkel foton.

Multiphoton scanning confocale microscopie werd geïntroduceerd in 1990 en lost veel van de problemen van enkelvoudige fotontechnieken op. Een typische fotonenmicroscoop maakt gebruik van korte 100 fs-pulsen van een Ti: saffiermodus-vergrendelde laser bij gemiddelde vermogensniveaus dichtbij 10 mW. De hoge intensiteit bij de piek van elke puls veroorzaakt alleen sterke twee fotonenabsorptie en fluorescentie binnen het kleine focale volume en alle fluorescentiestraling kan worden verzameld voor een hoge efficiëntie. Het opwindende licht is gekozen voor een minimale absorptie en beschadiging van enkele fotonen, zodat de twee fotontechniek een zeer hoge resolutie, lage schade en diepe penetratie heeft.

  Een prachtig twee foton fluorescerend beeld van een levende Purkenji-cel in een hersenplak wordt getoond in Fig. 4 (Denk en Svoboda 1997). Neocorticale pyrimidal neuronen in lagen 2 en 3 van de somatosensorische cortex van de rat zijn afgebeeld op een diepte van 200 μm onder het hersenoppervlak. Nog indrukwekkender zijn bewegende beelden van embryo-ontwikkeling. Embryo-microscopie is bijzonder gevoelig voor beschadiging door licht en de techniek met twee fotonen opent nieuwe vergezichten op dit gebied.

  VIII.LASERS IN DE FYSICA

  Lasertechnologie heeft een renaissance in spectroscopieën door het hele elektromagnetische spectrum gestimuleerd. De smalle laserstralenbreedte, grote vermogens, korte pulsen en een breed bereik aan golflengten hebben nieuwe dynamische en spectrale studies mogelijk gemaakt van gassen, plasma's, glazen, kristallen en vloeistoffen. Ramanverstrooiingsstudies van fononen, magnonen, plasmonen, rotons en excitaties in 2D-elektronengassen zijn bijvoorbeeld gegroeid sinds de uitvinding van de laser. Niet-lineaire laserspectroscopieën hebben geresulteerd in grote toenamen in precisiemetingen zoals beschreven in een artikel in dit boek (Ha¨ nsch en Walther 1999).

  Frequentiegestabiliseerde kleurstoflasers en diodelasers die nauwkeurig zijn afgestemd op atomaire overgangen hebben geresulteerd in ultrakoude atomen en Bose Einstein-condensaten, ook beschreven in dit volume (Wieman et al., 1999). De beheersing van atomaire toestanden en metingen van atoompariteitsnonconservatie hebben een precisie bereikt die tests van het standaardmodel in deeltjesfysica mogelijk maakt, evenals cruciale zoekopdrachten naar nieuwe fysica buiten het standaardmodel. In recente pariteitsnonconservatie-experimenten (Wood et al., 1997) worden Ce-atomen voorbereid in specifieke elektronische toestanden wanneer ze door twee rode diodelaserstralen gaan. Deze geprepareerde atomen komen vervolgens in een resonator van de optische holte, waar de atomen worden geëxciteerd naar een hoger energieniveau door groen licht van hoge intensiteit geïnjecteerd in de holte van een frequentie gestabiliseerde dy e laser. Toegepaste elektrische en magnetische velden in dit excitatiegebied kunnen worden omgekeerd om een ​​gespiegelde omgeving voor de atomen te creëren.

  Nadat het atoom het excitatiegebied verlaat, wordt de atoomexcitatiesnelheid gemeten door een derde rode diodelaser. Zeer kleine veranderingen in deze excitatiesnelheid met een weerspiegeling van de toegepaste elektrische en magnetische velden geven pariteitsonconservatie aan. De nauwkeurigheid van de pariteitsnonconservatiemeting is in de afgelopen decennia geëvolueerd tot een niveau van 0,35%. Deze meetnauwkeurigheid komt overeen met de eerste definitieve isolatie van nucleair-spin-afhankelijke atoompariteitsschending. Op dit nauwkeurigheidsniveau is het duidelijk dat een component van de elektron-nucleaire interactie het gevolg is van een nucleair anapoolmoment, een magnetisch moment dat kan worden gevisualiseerd als geproduceerd door toroïdale stroomverdelingen in de kern.

Lasers dragen ook bij aan het vakgebied van astrofysica. Een Nd: YAG-laser met een golflengte van 10,6 μm zal worden gebruikt in de eerste experimenten om zwaartekrachtgolven uit bronnen zoals supernova's en neutronensterrenbanen te detecteren.

  Deze experimenten maken gebruik van interferometers die in staat zijn om een ​​lengtewijziging tussen de twee interferometerarmen te meten tot een precisie van één deel in 1022. Voor gravitatiestraling van astrofysische bronnen wordt een ruimteverspreiding van deze omvang voorspeld. De terrestrische experimenten worden LIGO (Light Interferometer Gravitational Wave Observatory) in de VS en GEO in Europa genoemd. Een op de ruimte gebaseerd experiment genaamd LISA (Light Interferometer Space Antenna) is eveneens in uitvoering. De LIGO interferometerarmen zijn elk 4 km lang. Voor de lichtbron is een frequentiebestendige laser met een lage ruis en een hoge spatiale laserstraal met een vermogensniveau van 10 W vereist. Spiegels van holtes vormen resonatoren in elke interferometerarm die het vermogen in de holten tot bijna 1 kW vergroten. Vier Nd: YAG-staven, aan beide zijden gepompt door twee 20 W diodestaven, versterken de uitgangsfrequentie van een niet-vlakke ringoscillator van 700 mW tot minstens 10 W. De vereiste gevoeligheid voor het detecteren van zwaartekrachtgolven betekent dat elke interferometerrand wordt gescheiden tot één onderdeel in 1011, een formidabel, maar hopelijk haalbaar doel.

  IX.OPLEIDING LASERTECHNOLOGIEËN

  De vrije-elektronenlasers en laserversnellers zijn voorbeelden van zich ontwikkelende lasertechnologieën die in de volgende eeuw een grote impact kunnen hebben. De vrije elektronenlaser (FEL) is gebaseerd op optische versterking van een relativistische elektronenbundel die golvend is in een periodiek magnetisch veld (Sessler en Vaugnan, 1987). Elektronenstraalversnellers gebaseerd op supergeleidende microgolfholtes worden ontwikkeld in een nieuw FEL-centrum in Jefferson Laboratories. Deze versnellende holtes genereren hoge velden in het bereik van 10 tot 20 MeV / m en maken een zeer efficiënte generatie van FEL-licht mogelijk, dat kan worden afgestemd van het infrarood tot het diepe ultraviolet met gemiddelde vermogensniveaus in het kilowattbereik (Kelley et al., 1996) . Op dit moment is een gemiddeld vermogen infrarood FEL van 1 kW bijna voltooid en wordt er een upgrade naar een krachtige, diepe UV FEL gepland. Bij deze immense bevoegdheden kunnen een aantal nieuwe technologieën commercieel interessant zijn. Korte, intense FEL-pulsen kunnen snel thermisch uitgloeien en reinigen van metalen oppervlakken mogelijk maken. Pulsed laser-gloeien kan resulteren in een bijna toenemende orde van grootte in hardheid voor gereedschapswerktuigen. De hoge gemiddelde FEL-vermogens kunnen voldoende zijn om commerciële productie van met laserverbeterde gereedschappen een realiteit te maken. Een andere grote markt die grote vermogens vereist voor het verwerken van grote volumes zijn polymeerwraps en doek. In dit geval kunnen intense FEL-pulsen een breed scala aan gemodificeerde polymeereigenschappen induceren, inclusief antibacteriële polymeeroppervlakken die kunnen worden gebruikt voor voedselomhulsels en kleding met aangename texturen en verbeterde duurzaamheid. Hoge gemiddelde vermogens en golflengte afstembaarheid zijn ook belangrijk voor het modelleren van micromaching-instrumenten met groot oppervlak die worden gebruikt voor het bedrukken van patronen in plastic vellen.

Petawattclasslasers kunnen de basis vormen voor een nieuwe generatie deeltjesversnellers. De frequentie van momenteel gebruikte microgolfveldversnellers zal waarschijnlijk worden beperkt door zelf gegenereerde wakes tot minder dan 100 GHz, waarbij de versnellingsvelden het bereik van 100 MeV / m bereiken. Intense laserstralen worden gebruikt om veel hogere velden in het 100 GeV / m bereik te genereren (Madena et al., 1995). Eén techniek maakt bijvoorbeeld gebruik van twee laserstralen waarvan de verschilfrequentie is afgestemd op de plasmafrequentie van een door de laser geïoniseerd gas. Versnellende velden zo hoog als 160 GeV / m kunnen worden gegenereerd tussen de periodieke ruimteladingsgebieden van de plasmagolf. De voortplantingssnelheden van deze gigantische velden kunnen worden aangepast aan de relativistische snelheden van de versnelde deeltjes. Er is nog veel werk om praktische versnellers te bereiken, maar er is al bewijs van het principe bereikt.

  Het ontwikkelen van lasertechnologieën en hun bijdragen aan de wetenschap zijn te talrijk om adequaat te kunnen behandelen in deze korte beoordeling. Lasercommunicatie tussen satellietnetwerken, met een laser aangedreven ruimtevaartuig en laserfusie zijn aanvullende voorbeelden van ontwikkelende lasertechnologieën. In de basiswetenschappen zijn er veel nieuwe experimenten die mogelijk worden gemaakt door lasertechnologie, waaronder correctie voor atmosferische vervormingen in de astronomie met behulp van laserreflecties van de natriumlaag in de bovenste atmosfeer en studies van kwantumelektrodynamica met behulp van ultraintensieve laserstralen. Net zoals het moeilijk was om het potentieel van lasertechnologieën in de jaren 1960 en 1970 te visualiseren, lijkt het duidelijk dat we ons nu niet kunnen voorstellen dat de vele nieuwe ontwikkelingen in lasers en hun toepassingen in de volgende eeuw zullen zien. Onze nieuwe laserlichtbron zal ons zeker raken, zowel in ons gewone leven als in de wereld van de wetenschap.