Wetenschappers ontwikkelen nieuw type laser

Onderzoekers van de Princeton-universiteit hebben een nieuwe methode om lasers te produceren ontdekt. Het fenomeen zou tot zuinigere lasers voor medische en andere toepassingen kunnen leiden.

De wetenschappers onderzochten een niet volledig begrepen eigenschap van zogenoemde quantumcascade-lasers. Bij traditionele halfgeleider-lasers wordt, net als bij een normale led, licht geproduceerd door elektronen die het grensvlak van p- en n-gedoteerd materiaal passeren. Bij quantumcascade-lasers worden honderden lagen van afwisselend positief en negatief gedoteerd materiaal afgewisseld, en als daar stroom doorheen loopt, worden bij elke overgang fotonen geproduceerd, waarmee in theorie elk elektron meer dan eens aan de laserstraal bijdraagt. Dit type laser produceert echter een tweede laserstraal, die in het afgelopen jaar door de Princeton-onderzoekers is onderzocht.

Deze tweede laserstraal kon niet verklaard worden met de kennis die de wetenschappers van quantumcascade-lasers hadden: de eigenschappen van de straal bleken niet dezelfde als die van conventionele laserstralen. Zo neemt de intensiteit ervan toe naarmate de temperatuur van de laser stijgt. Verder kan de primaire laserstraal in kracht toenemen door de stroom erdoorheen te verhogen, maar dan neemt de secundaire straal juist in kracht af. De onderzoekers verklaarden dit gedrag met een quantummechanische eigenschap van elektronen die ze 'momentum', of impuls, noemen.

In een standaard halfgeleiderlaser hebben de elektronen een impuls van vrijwel nul als ze een foton afgeven. Bovendien moeten veel elektronen hetzelfde energieniveau en hetzelfde impuls hebben om een laserstraal op kunnen te wekken: deze toestand wordt 'quasi-evenwicht' genoemd. Bij de nieuw ontdekte laserstralen van de quantumcascade-laser blijkt dit evenwicht afwezig te zijn.

Het gebrek aan evenwicht tussen impuls en energieniveau zorgt voor de bijzondere eigenschappen van de secundaire laserstraal, zo hebben de onderzoekers ontdekt. Een van de voordelen die het hoge impuls van de elektronen biedt, is een reductie van ongeveer 90 procent van de absorptie van de vrijgekomen fotonen. In halfgeleiderlasers wordt de efficiëntie van lasers beperkt door deze absorptie. De hoge efficiëntie zou het mogelijk maken de lasers met een lagere stroom aan te sturen. De onderzoekers moeten echter nog wel een manier vinden om de primaire laserstraal uit te schakelen, aangezien deze lijkt te 'concurreren' met de secundaire straal. De lasers, die zeer dun en slechts drie millimeter lang zijn, zouden als chemische detectors dienst kunnen doen: dergelijke midden- en ver-infrarode lasers zijn zeer geschikt om onder meer waterdamp en ammoniak te detecteren. Daarmee zouden sensors op basis van de lasers luchtkwaliteit kunnen meten of in medische diagnose-apparatuur gebruikt kunnen worden.

Reacties (44)

[FiRePaTH]

Waarom bundelen ze niet beide laserstralen dmv spiegels, zodat de gezamelijke intensiteit hoger is, en het energieverbruik nog lager kan?

[stereohead]

De 2 laserstralen hebben niet de zelfde golflengte, als je die dan zou bundelen krijg je een straal met meerdere golflengtes. Bij veel toepassingen is dat niet gewenst.

[SuperNull]

De 2de straal heeft blijkbaar een net even andere golflengte. Je zou de eerste straal 'vervuilen' door de 2e ermee te bundelen.
Het hele idee van een laser is dat alle fotonen de zelfde richting uit gaan en de zelfde golflengte hebben.
Voor veel toepassingen (zoals CD's/DVD's/BluRays lezen) zou een component met een andere golflegte niets uithalen en aleen maar storen.
Allicht zijn er wel toepassingen waar bundenen prima kan. Je hebt dan eigenlijk 2 verschillende lasers in een.

[cHoc]

Bij DWDM telecom apparatuur zou dit goed toepasbaar zijn, voorop gesteld dat de frequentie's goed instelbaar zijn, bij DWDM apparatuur werk je met meerdere laser stralen van verschillende frequentie door 1 fiber, dit kan oplopen tot 160 kanalen met de huidige technieken, de afstand tussen de verschillende kanalen is dan precies 25Ghz.

[Mr.Anderson]

Dat was wel waar ik aan zat te denken, nog even en LASER-wapens.. Ik weet eigenlijk niet of we daar wel blij mee moeten zijn. Hou het maar op medisch gebied.

[GemengdeDrop]

Valt wel mee hoor
Het probleem met laser wapens is altijd dat bij de sterktes waarbij ze effectief zijn bijna alle reflecties (diffuus of direct) gevaarlijk zijn. Je wilt wel selectief je vijanden raken, maar niet je vriendjes als toevallig die laserbeam afketst of een min-of-meer spiegelend oppervlak. Dat spiegelen hoeft niet eens erg veel te zijn.

Ik weet niet of je wel eens een zichtbaar-licht laser van ~20 watt optisch vermogen in werking hebt gezien, maar dan zien je zelfs in schone lucht nog de laserstraal lopen. Een stukje glas geeft je al snel een paar procent reflectie -> ~0.5 watt aan optisch vermogen, en ja dat is best veel als het een dunne straal is.

De enige lasers waar ik zomaar mee heen en weer durf te schijnen zijn die < 2 mW rode laserpointers.

* heeft in een laserlab gewerkt en wel eens per ongeluk iets in de fik gezet . Dit is zo friggin gevaarlijk dat het gewoon niet meer praktisch is

[F1k]

* F1k heeft altijd al eens iets in de fik willen zetten met een laserstraal
(moet ik er dan bijvertellen dat ik licht tech ben?)
Heb al eens op een feestje gestaan waar men de sigaret ind e bundel kon houden om deze te laten ontbranden.

Dit was dan op ~10 cm van de bron, maar desalniettemin een "stoer" verschijnsel.

en dan on-topic:
Waarom de primaire straal niet filteren? Er bestaan een aantal systemen om optische filters met vloeistoffen te koelen - het lijkt mij dat er zelfs manieren moeten zijn om je vloeistof de filter eigenschappen aan te laten nemen die je filter eigenlijk zou moeten hebben(denk aan de kleurstof waarmee je docent liet zien dat water uitzet als het warm word en daardoor gaat bewegen)

Maar dit is natuurlijk al lang en breed onderzocht door de wetenschappers die met het product bezig zijn

[GemengdeDrop]

Wel ik denk dat het punt is dat er wel andere methoden om zo'n "primaire straal" te maken. Ik bedoel, gewone traditionele lasers doen het werk toch prima?

Het achteraf filteren is niet zo makkelijk lijkt me, omdat de primaire en secundaire bundel wat betreft golflengte dicht bij elkaar zullen zitten.

Wat je moet hebben is dat de laser niet in 'resonantie' komt op de golflengte die je niet wilt hebben (die van je primaire bundel zegmaar). Als je al in de micro-structuur van de laser kunt filteren op die frequentie zodat die net niet in resonantie is en die andere frequentie wel dan kom je nog eens ergens. Je kan proberen de optische weglengte voor die frequentie niet helemaal ideaal te maken. In de praktijk gebeurt dit ook in optica-labs door met externe spiegels het licht weer terug te koppelen in het lasing-medium. Als je dan iets veranderd aan de stand van de spiegels verander je daarmee de optische weglengte en ook de frequentie waarop resonantie optreed. Tot op zekere hoogte kan je dan soms zelfs nog de golflengte van de laser een beetje aanpassen.
Allemaal wat lastig uit te leggen, maar het punt met lasers is dat voor elke golflengte die zo'n ding uitstuurt er een bepaalde 'drempel' is in optisch vermogen (lasing-threshold) waarbij het ding als laser begint te werken. Als je dus er voor kan zorgen dat voor de ene golflengte de drempel net wel bereikt wordt en voor de andere net niet ben je klaar.

edit: en trouwens, ik wilde alleen maar even illustreren dat een foutje snel gemaakt is. Echte aanvals-wapens gaan het dus nooit worden denk ik. Ik was zo geschrokken dat ik bijna geen laser meer aan durfde te raken.

[Reactie gewijzigd door GemengdeDrop op 23 juli 2024 08:28]

[F1k]

Als licht net zo werkt als geluid zou je met de zogenaamde harmonische frequenties misschien kunnen filteren?

Ik weet niet precies hoe het werkt(zoals ik al zei ben ik lichttech) maar ik weet wel dan een toon op 25Hz effect heeft op iets dat op 50Hz zit. Ook is er iets met som en verschilfrequenties, maar daarvoor is geluid mij te vreemd, en zou ik niet weten in hoeverre dit toepasbaar is op lasers.

Als dat op enige manier zou werken zou je kunnen proberen om met een andere frequentie het primaire signaal dusdanig te moduleren dat het zich veranderd in een signaal dat verder weg ligt van het secundaire signaal - om het dan als nog te filteren.

Maar hoe groot is de kans dat je dan het secundaire signaal met rust kunt laten?
Als de golflengtes echt gruwelijk dicht op elkaar liggen heb je hier best een opdracht aan.

Zoekt er nog iemand een afstudeerprojectje?

[Atomsk]

* Atomsk heeft altijd al eens iets in de fik willen zetten met een laserstraal
(moet ik er dan bijvertellen dat ik licht tech ben?)
Heb al eens op een feestje gestaan waar men de sigaret in de bundel kon houden om deze te laten ontbranden.

Een tijdje terug was er een bericht over een party in Moskou waarbij de lasershow niet goed stond afgesteld, waardoor feestgangers laserstraling direct op hun netvlies kregen. Resultaat: zware oogbeschadigingen en gedeeltelijke blindheid bij velen. Daar zit je dan de rest van je leven mee, want een beschadigd netvlies is niet te repareren.

Laserpennen van >30mW zijn ook geen speelgoed. Hoe stoer het ook is om er ballonnen mee te laten knappen, je kunt er ook even gemakkelijk iemand permanent blind mee maken in een paar microseconden.

[Verwijderd]

Je hebt nergens een pistool voor nodig...
http://uncyclopedia.wikia.com/wiki/HowTo:Fire_your_Lazer
Shoop-da-whoop!

[Sir Isaac]

- medisch
- telecom
- sensoren
- precisie meetinstrumenten
- materiaal bewerking
lasers hebben talloze toepassingen

[DaWaN]

Ik snap niet waarom deze LASERS nu specifiek zo geschikt zijn voor chemische detectoren e.d. ??
Zijn er geen normale LASERS die in deze golflengte range komen ? Of is het door het lage energiegebruik ? Of heeft de laserstraal die uit deze LASER komt andere eigenschappen die een voordeel vormen t.o.v. normale LASERs

[Reactie gewijzigd door DaWaN op 23 juli 2024 08:28]

[jjkewl]

Door een laser in frequentie (cq golflengte) te laten variëren en door een substantie (als bijv lucht) te jagen en vervolgens op een optisch oog te laten vallen kan je door het absorptie patroon van het fluctuerende laser licht bepalen welke stoffen tussen de laserbron en het oog zaten. Nu moet er wel laserlicht op de laserdetector vallen dus heb je veel vermogen nodig als je bijv water wil analyseren. De huidige lasers verbruiken te veel energie waarvan het meeste verloren gaat aan warmte.

[Reactie gewijzigd door jjkewl op 23 juli 2024 08:28]

[ocdaan]

primaire en secundaire straal....

Zitten ze op een andere frequentie ofzo? Ik snap ff niet hoe het kan dat er 2 verschillende stralen worden opgewekt. Wat is het verschil tussen beide precies?

In m'n beperkte gedachtengang zeg ik bundelen die 2!

[DataGhost]

Aan bundelen heb je volgens mij niet zoveel. Als de stroom sterkte wordt verhoogd gaat de primaire laser harder branden en de secundaire zachter. Als de toename en afname evenredig aan elkaar zijn is er netto dus geen winst door ze te bundelen. Als je de primaire laser uitschakelt heb je dus een laser die juist hard straalt met weinig stroom, hoe vreemd het ook klinkt, en dat is natuurlijk wat je wilt bereiken. Lasers die harder gaan branden bij *hogere* stroomsterkte hebben we al

[RoelSadza]

Zodra je 2 golven met verschillende golflengte gaat bundelen dan krijg je een interferentie die in toepassingen waarschijnlijk ongewenst zal zijn dus ik denk niet dat het een optie is.

Bundelen is denk ik alleen een optie als de golflengte gelijk is en de 2 stralen constant in dezelfde fase zijn.

[Reactie gewijzigd door RoelSadza op 23 juli 2024 08:28]

[Mars4i]

In het originele artikel staat "unexpectedly emitted a second laser beam of slightly smaller wavelength than the main one." Inderdaad dus een iets kortere golflengte=frequentie

[Kiwiknaapje]

Kortere golflengte heeft niks met de frequentie te maken hè. Golflengte bepaalt ook de kleur van licht, frequentie niet.

[MadEgg]

@Kiwiknaapje
Hoe langer de golflengte, hoe minder golven er binnen een bepaalde tijdseenheid voorbij kunnen komen en dus hoe lager de frequentie. Dus freqentie en golflengte zijn wel degelijk afhankelijk.

[Verwijderd]

jullie halen blijkbaar allen enkele dingen door elkaar.

frequentie (f) is een periodiek verschijnsel, een golf.

de tijd van 1 periode (T) is het omgekeerde van de frequentie (f=1/T)
Dus bv. een signaal van 50Hz heeft een periode van 20msec.

Golflengte is een afstand. nl. de afgelegde weg tussen 2 periodes.
lambda = v / f
waar v de phase snelheid is van de golf. Voor electromagnetische straling (zoals licht) in een vacuum is dit ~3.10^8 m/sec

@Kiwiknaapje
Dus de frequentie bepaald de kleur zolang het medium (vacuum i.d.g.) constant blijft.
Van rood naar violet : 430THz - 570THz of 700nm - 400nm

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 08:28]

[MadEgg]

@bthy

Dat is toch precies wat ik zeg? Hoe langer de golf, hoe lager de frequentie... omgekeerde van elkaar dus.

[Korben]

Aangezien licht een vaste snelheid heeft (door een bepaald medium) is frequentie en golflengte wel degelijk heel erg aan elkaar gerelateerd.

Een lasersignaal met een frequentie van 100 MHz heeft een periode van 100 ns en een golflengte van 3 meter.

[Verwijderd]

1/ periode van de golf => frequentie.

[Freedom]

Of, als je over licht/radiogolven etc (alles waar het over deeltjes/golven gaat) praat: c/periode golf = frequentie (waarin c de snelheid van het licht)

[gp500]

De frequentie is dus hoger, kortere golf/puls is dus sneller.

De fotonen wekken op de een of andere manier ook minder warmte op in de module.
Alsof ze meer 1-lijnig eruit komen

Toch veel verbeelding voor nodig.
Een diagram zou handig zijn.

[leoBO]

de golflengte is omgekeerd evenredig met de de frequentie

in dit soort onderzoek wordt over het algemeen niet gepraat over frequentie, maar over de energie van de fotonen / electronen.

[miw]

Volgens Planck bestaat een lineair verband tussen energie en lichtfrequentie.

[Verwijderd]

Heheh... Kun je nagaan... Die wetenschappers zijn er ook een tijdje mee bezig geweest om erachter te komen hoe het zit.
Dus niet erg als je het niet snapt.

[tenpo]

voorzover ik weet is de golflengte enkel afhankelijk van de snelheid van het signaal want de defenitie van golflengte is de afstand die een signaal aflegt gedurende een periode

[GemengdeDrop]

Euh nee
Er zit verschil tussen de snelheid van een golf in een medium en de snelheid waarmee de amplitude veranderd.

Voor licht is de snelheid min of meer per definitie constant:
http://en.wikipedia.org/w...lationship_with_frequency

In het algemeen kan overigens de golfsnelheid dan wel weer afhangen van de frequentie, dat heet dispersie.

[EnderQ]

Zou dan ook bij extern toegevoegde warmte de tweede lazer intensiteit toenemen? Als dat zo is en efficient gaat zie ik veel interessante toepassingen.

[Revolvist]

En waarom zouden ze niet de secundaire straal uitschakelen? Dat klinkt voor mij een stuk logischer.

[Mr.Anderson]

Omdat de primaire straal veel beperkingen heeft en ze de secundaire straal makkelijker kunnen versterken.

edit:
en deze geen extra stroom vraagt om sterker te worden
Sorry, de primaire straal heeft die beperking niet, maar de conventionele laser

[Reactie gewijzigd door Mr.Anderson op 23 juli 2024 08:28]

[Mr.Anderson]

De onderzoekers moeten echter nog wel een manier vinden om de primaire laserstraal uit te schakelen, aangezien deze lijkt te 'concurreren' met de secundaire straal.

Beide stralen verstoren elkaar op een of andere manier, wat eigenlijk logiesch is gezien dat de eigenschappen van beide stralen omgekeerd is.

[xzaz]

Ok maar even heel concreet. Wat hebben we hier aan? Meer gegevens opvragen omdat er meerdere laserstralen door heen jassen? Iemand?

[Verwijderd]

Laser is een veel gebruikt iets in de huidige IT.
Hoop optisch spul.
Als het mogelijk is een laser te produceren die efficienter (en dus energie zuiniger) is, is dat relevant.

Immers is prik tegenwoordig de hype.