Bizarre typen lasers

Lasers, voluit Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zijn niet meer weg te denken. Optische lasers zijn de bekendste vorm, maar in feite zijn er heel veel verschillende soorten lasers denkbaar. De laser lijkt een uitgekauwd onderwerp, maar niets is minder waar. Maak kennis met enkele ronduit bizarre soorten lasers.

Hoe werkt een laser?
Het principe dat achter de laser zit, gestimuleerde emissie, werd in 1917 ontdekt door Albert Einstein. Als een foton een aangeslagen atoom of molecuul met voldoende energie raakt, wordt het gekopieerd: er ontstaat een tweede foton, dat dezelfde golflengte, richting, fase  en polarisatie als het oorspronkelijke foton heeft. Kortom: identiek is. Aan de ene kant van een lasertoestel zit een spiegel, aan de andere kant een halfdoorlatende spiegel. Als er eenmaal een foton vrijkomt, kaatsen de fotonen voortdurend heen en weer tussen de twee spiegels, waarbij e steeds weer gekopieerd worden.  Er ontstaat zo een lawine van laserlicht.

De maser: een laser die radiogolven uitzendt

Radiostraling is net als licht, elektromagnetische straling. Het verschil is dat de radiofotonen veel langer en dus zwakker zijn dan lichtfotonen. Masers zenden microgolfstraling (kortgolvige radiostraling)  en langere golflengtes uit. De eerste laser was in feite een maser; in de begindagen werden lasers zelfs optische masers genoemd. Het kost niet veel energie om een radiofoton te produceren. Daarom kunnen masers gebruik maken van veel zwakkere aangeslagen toestanden dan lasers.  Veel moleculen, zoals ammonia, worden daarom toegepast in masers. Masers worden vaak gebruikt als signaalversterker in radartoestellen.

Natuurlijke masers in de kosmos
Overal waar een groot deel van de atomen of moleculen aangeslagen  is, kan gestimuleerde emissie optreden. Dit gebeurt vaak rond energierijke verschijnselen. Astronomen nemen al tientallen jaren maserstraling waar uit interstellaire gaswolken.  Ook uitgestoten gasschillen rond oude sterren gedragen zich vaak als maser. Waarschijnlijk de grootste lasers in het universum zijn de kerngebieden in actieve sterrenstelsels. Deze megamasers zijn lichtjaren groot.

Atoomlaser
Hoewel ook de atoomlaser gebruikt maakt van gestimuleerde emissie, is het in feite een heel ander apparaat. Reden voor enkelen om de naam ‘atoomlaser’  te verwerpen. In feite  bestaat de kern van de atoomlaser uit een extreem koud kluitje atomen (bekend als BEC of Bose-Einstein condensaat).  Bij deze temperaturen, denk aan nanokelvins,  is de energie van de atomen zeer nauwkeurig bekend, namelijk bijna nul, dus de plaats wordt zeer vaag bekend. Dus vervagen atomen tot wazige wolken die elkaar overlappen. Hebben deze atomen ook elk exact hetzelfde aantal protonen en neutronen in de kern, en is hun spin 0, dan verliezen ze hun identiteit en gedragen zich als één atoom: het BEC. Een atoomlaser produceert kluitjes atomen. Hierdoor raakt de ‘kamer’ met het BEC vanzelfsprekend leeg, waardoor de atoomlaser slechts kortdurende pulsen kan geven. Verwacht dus geen atoomlaserpistool.

Saser: de geluidslaser
Geluiden (en overigens ook warmte) in vaste materialen bestaan uit fononen, elementaire trillingen. Dit zijn quasideeltjes: ze bestaan niet werkelijk, maar zijn het resultaat van vibrerende atomen. Fononen zijn kwantummechanisch van aard en vertonen ook gestimuleerde emissie. En inderdaad, de eerste sasers, geluidslasers, zijn in 2010 gebouwd. Sasers werken vergelijkbaar met lasers: het brongebied wordt met bijvoorbeeld licht aangeslagen. De fononen weerkaatsen en er ontstaat een lawine van fononen. Deze leveren een coherente geluidsbundel. Sasers bestaan nog maar kort, dus echt toepassingen zijn er nog niet. Onderzoekers denken aan verbeterde echo’s en het manipuleren van materie op nanoschaal. Hebben jullie betere ideeën, deel ze dan met ons.