Vastestoflaser: hoe een kristal licht tot een krachtige bundel maakt
Een vastestoflaser is een laser waarbij het licht wordt versterkt in een vast materiaal, meestal een kristal of een staafje glas, in plaats van in een gas of een vloeistof. Dat vaste materiaal is meestal doorzichtig en "gedopeerd": er zijn er heel kleine hoeveelheden van een ander element in gemengd, zoals neodymium. Die vreemde atomen zijn de eigenlijke werkpaarden: zij nemen energie op en geven die weer af als laserlicht.
Een vergelijking maakt het concreet. Denk aan een gaslaser, zoals de CO2-laser die vroeger veel in snijmachines zat: daar zit het lichtgevende materiaal in een buis met gas. Bij een vastestoflaser vervang je die buis door een klein, vast staafje of blokje kristal, ter grootte van een vulpotlood of kleiner. De allereerste laser ooit gebouwd, in 1960 door de Amerikaanse natuurkundige Theodore Maiman, was al zo'n vastestoflaser: een staafje robijn (kristallijn aluminiumoxide met een beetje chroom) omringd door een felle flitslamp.
Wat is het precies?
De kern van elke laser is het zogeheten versterkingsmedium: het materiaal waarin licht wordt versterkt. Bij een vastestoflaser is dat een vaste, transparante staaf of schijf, vaak van een kristal zoals yttrium-aluminiumgranaat (afgekort YAG) of van glas. Dit materiaal wordt gedopeerd met kleine hoeveelheden van een ion dat licht goed kan opslaan en weer uitzenden, meestal neodymium, erbium of ytterbium. De bekendste combinatie heet Nd:YAG: een YAG-kristal met neodymium-ionen.
Om licht te laten ontstaan, moet je het versterkingsmedium eerst "pompen", dat wil zeggen: energie toevoegen zodat de gedopeerde ionen in een aangeslagen (energierijke) toestand komen. Vroeger gebeurde dat met felle flitslampen, vergelijkbaar met een grote xenon-flitser. Sinds de jaren negentig gebruiken de meeste moderne systemen laserdiodes om te pompen, kleine halfgeleiderlasers zoals die ook in laserpointers zitten. Dat heet diode-gepompt, in het Engels diode-pumped solid-state of DPSS. Diodes zetten elektriciteit veel efficiënter om in het juiste soort licht dan flitslampen, en produceren minder afvalwarmte.
Zodra de ionen energie hebben opgeslagen, geven ze die spontaan af als lichtdeeltjes (fotonen). Een van die fotonen kan een ander aangeslagen ion "triggeren" om precies zo'n zelfde foton af te geven; dat proces heet gestimuleerde emissie en is de kern van het woord laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Aan beide uiteinden van het kristal staan spiegels die het licht heen en weer laten kaatsen door het medium, zodat het steeds verder versterkt wordt. Eén spiegel laat een klein deel van het licht door: dat is de laserbundel die naar buiten komt.
Een nauw verwante familie is de vezellaser (fiber laser). Daarbij is het versterkingsmedium geen staafje, maar een dunne, meters- tot kilometerslange glasvezel die gedopeerd is met bijvoorbeeld ytterbium. Omdat het licht in de vezel zelf wordt vastgehouden, is warmteafvoer makkelijker en is het rendement hoog. Vezellasers worden meestal als aparte categorie genoemd, maar zijn technisch gezien een vorm van vastestoflaser.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van vastestoflasertechnologie is een combinatie van hoog vermogen, betrouwbaarheid en compactheid die met gaslasers of kleurstoflasers moeilijker te bereiken is. Een vast kristal heeft geen gas nodig dat kan lekken, geen giftige kleurstofoplossing die ververst moet worden, en kan in een relatief klein, robuust apparaat worden ingebouwd.
In de industrie wil men hiermee metaal snel en precies kunnen snijden, lassen en graveren, met minder energieverbruik dan oudere lasertypes. In de geneeskunde streeft men naar chirurgische precisie op microschaal, bijvoorbeeld bij ooglaseren (LASIK) of huidbehandelingen, waarbij de golflengte van het licht nauwkeurig is af te stemmen op het weefsel. In de ruimtevaart en telecommunicatie wil men met laserlicht (in plaats van radiogolven) veel meer data tegelijk versturen over grote afstanden. In de defensie onderzoekt men vastestoflasers als richtsystemen en, meer omstreden, als wapens die met geconcentreerd licht doelen kunnen uitschakelen. En in de fundamentele natuurkunde gebruikt men extreem krachtige vastestoflasers om, kort gezegd, de omstandigheden na te bootsen die nodig zijn voor kernfusie, het samensmelten van lichte atoomkernen waarbij energie vrijkomt.
Voorbeelden uit de praktijk
De robijnlaser van Theodore Maiman uit 1960 was niet alleen de eerste vastestoflaser, maar de eerste laser ooit, gebouwd bij Hughes Research Laboratories in Californië. Dit bewees voor het eerst dat het principe werkte.
Nd:YAG-lasers zitten al decennia in industriële snij- en lasmachines. Het Duitse bedrijf TRUMPF is een van de bekendste fabrikanten van dit soort systemen, die wereldwijd in de metaalindustrie worden gebruikt.
In december 2022 behaalde de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in de Verenigde Staten voor het eerst "ignition": met 192 gebundelde vastestoflaserstralen (op basis van neodymium-gedopeerd glas) werd meer energie uit een fusiereactie gehaald dan er met de laserlicht zelf in werd gestopt. Dit was een belangrijke wetenschappelijke mijlpaal, al is het nog een grote stap verwijderd van bruikbare fusie-energiecentrales.
NASA heeft met projecten als de Lunar Laser Communication Demonstration (2013) en de Laser Communications Relay Demonstration (vanaf 2021) laten zien dat vastestoflasers data tussen ruimtevaartuigen, de maan en de aarde kunnen versturen met veel hogere snelheden dan traditionele radioverbindingen.
Het Amerikaanse bedrijf IPG Photonics is wereldmarktleider in vezellasers voor industriële toepassingen zoals metaalbewerking, en de Amerikaanse marine test sinds het begin van de jaren 2020 vastestoflaser-wapensystemen in de klasse van meer dan honderd kilowatt, onder meer aan boord van marineschepen.
Hoe ver is de techniek?
Voor industriële en medische toepassingen is de vastestoflaser een volwassen, wijdverspreide technologie. Diode-gepompte systemen hebben sinds de jaren negentig de oudere, minder efficiënte flitslamp-gepompte lasers grotendeels verdrongen, en vezellasers winnen in de industrie terrein vanwege hun hoge rendement en lage onderhoud.
Voor toepassingen aan de grens van wat mogelijk is, ligt dat anders. Hoogvermogen laserwapens kampen nog met praktische obstakels: bij hoog vermogen wordt het lastig om de bundel scherp en stabiel te houden, en moet veel warmte worden afgevoerd zonder dat het systeem te groot of te zwaar wordt voor gebruik op een schip, vliegtuig of voertuig. Testsystemen halen inmiddels vermogens van honderden kilowatts, maar operationele inzet op grote schaal is nog niet gerealiseerd.
Bij laserfusie, zoals bij de NIF, is de doorbraak van 2022 wetenschappelijk belangrijk maar nog ver verwijderd van een energiecentrale. De laserschoten bij de NIF gebeuren slechts een paar keer per dag, terwijl een commerciële fusiecentrale tientallen keren per seconde zou moeten kunnen schieten. Ook de kosten per schot moeten drastisch omlaag. Onderzoekers zijn het erover eens dat dit nog minstens enkele decennia kan duren, en een concreet tijdpad voor commerciële laserfusie-energie is er niet.
Wie werken eraan?
Op de industriële markt zijn Coherent Corp (ontstaan na de fusie van Coherent en II-VI in 2022), IPG Photonics, het Duitse TRUMPF, Lumentum en nLIGHT de belangrijkste spelers in vastestof- en vezellasers voor industrie en telecommunicatie.
Op het gebied van fundamenteel onderzoek en fusie speelt het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory, onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, met de National Ignition Facility een sleutelrol. In Duitsland doen Fraunhofer-instituten veel toegepast onderzoek naar hoogvermogen laserbronnen. NASA ontwikkelt vastestoflasers voor communicatie tussen ruimtevaartuigen.
Op defensiegebied werken partijen als Lockheed Martin en Northrop Grumman aan laserwapensystemen voor het Amerikaanse leger en de marine. Daarnaast investeren ook China en verschillende Europese landen actief in onderzoek naar hoogvermogen vastestoflasers, zowel voor industriële als militaire doeleinden, al is over de precieze stand van dat onderzoek buiten de Verenigde Staten en Europa minder in detail bekend.