In deze paragraaf leer je:

• de basisprincipes van de werking van een laser

• wat de eigenschappen van laserlicht zijn

• werken met energieniveauschema's van atomen

Het licht dat binnen een fotonische chip wordt gebruikt is meestal afkomstig van een laser. Een laser heeft als eigenschap dat het monochromatisch licht uitzendt; dat wil zeggen licht met een specifieke (meestal vooraf bekende) golflengte. Het licht wordt bovendien uitgezonden in een smalle bundel en niet in allerlei verschillende richtingen zoals bij de meeste lichtbronnen het geval is. Die eigenschappen van laserlicht maken de laser heel geschikt om toe te passen in een fotonische chip. In deze paragraaf leer je hoe een laser werkt en ontdek je welke eigenschappen het licht heeft dat uit een laser komt.

Het woord laser is afkomstig van de Engelse afkorting LASER wat Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation betekent (in het Nederlands: lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling). Er bestaan verschillende type lasers, waaronder gaslasers, vastestoflasers, halfgeleiderlasers en chemische lasers. De werking van al die verschillende lasers is allemaal gebaseerd op hetzelfde principe. Om dit principe te kunnen uitleggen moeten we eerst kijken naar de bouw van atomen. Hiervoor gebruiken we het atoommodel van Bohr. Als het goed is heb je inmiddels geleerd dat dit atoommodel uitgaat van een atoom dat is opgebouwd uit een kern (met daarin protonen en neutronen) waar elektronen in verschillende banen omheen bewegen. 

Belangrijk voor het begrijpen van de werking van een laser zijn de volgende uitgangspunten:  

• Elektronen kunnen zich alleen maar in bepaalde banen om de kern bevinden. De straal van deze banen kan dus ook maar bepaalde waarden aannemen. 

• Als het elektron zich in zo’n baan bevindt, bevindt het elektron zich in een stationaire toestand. 

• Bij elke stationaire toestand hoort een bepaalde energie. Dit wordt het energieniveau genoemd. (De energie heeft te maken met de bindingsenergie van de elektronen. Zo is er voor een elektron dichter bij de kern meer energie nodig om het te verplaatsen, omdat de elektrische kracht van de kern daar sterker is.) 

• Een elektron kan bij toevoeging van energie naar een baan met een hogere energie bewegen. We zeggen dan dat het elektron zich in een aangeslagen toestand bevindt. (Een elektron kan overigens ook weer terugvallen naar een baan met een lagere energie; het zal hierbij energie uitzenden in de vorm van een foton.) 

De mogelijke energieniveaus van de elektronen verschillen per atoomsoort. Zo heeft elk atoomsoort zijn eigen specifieke energieniveaus. De mogelijke energieniveaus van de elektronen in een waterstofatoom zijn dus anders dan de mogelijke energieniveaus in een aluminiumatoom. Het laagste energieniveau waar een elektron zich kan bevinden, in symbolen geschreven als E1, wordt de grondtoestand genoemd. Het energieniveau boven de grondtoestand E2 , wordt de eerste aangeslagen toestand genoemd. Daarna volgt de tweede aangeslagen toestand  E3 , etc. In het hoogste energieniveau is er zoveel energie dat het elektron loskomt van het atoom. De energie die hiervoor nodig is wordt de ionisatie-energie genoemd.  

Zoals al even is genoemd kan een elektron door opname van energie overgaan naar een hoger energieniveau. Die energie zou afkomstig kunnen zijn van een foton. Stel dat een elektron getroffen wordt door een foton. Als dit foton voldoende energie heeft kan het elektron dit foton absorberen en met die energie naar een hoger energieniveau overgaan. Dit wordt gevisualiseerd in afbeelding 16.

Als een elektron zich in een aangeslagen toestand bevindt zal het daar niet lang blijven. Na korte tijd zal het aangeslagen elektron terugkeren naar de grondtoestand.  Hierbij verliest het elektron energie. Die energie wordt in de vorm van een foton uitgezonden. Dit proces wordt spontane emissie genoemd.  

In de afbeelding hierboven is te zien dat een elektron nadat het is aangeslagen (meest linker figuur) terugvalt naar de grondtoestand en daarbij een foton uitzendt (figuur midden). Ditzelfde proces is in de figuur rechts verkort schematisch weergegeven. Ook hierin is te zien dat het elektron van energieniveau E2 terugvalt naar de grondtoestand E1. 

Elk atoomsoort heeft zijn eigen specifieke energieniveaus en dus ook zijn eigen specifieke energie-overgangen.  Je kunt je misschien wel voorstellen dat een bepaald atoom daarom alleen maar fotonen kan uitzenden die horen bij die specifieke energie-overgangen. Bij elke energieovergang hoort een foton met een specifieke golflengte die berekend kan worden met E = h · c / λ.  

De golflengten van de uitgezonden fotonen zijn daarmee specifiek voor een betreffende atoomsoort.

Omdat de energie die bij een bepaald energieniveau hoort hele kleine waarden heeft wordt deze meestal uitgedrukt in de eenheid eV (spreek uit als elektronvolt). Hierbij geldt:

Bij het toekennen van de energieën die horen bij de verschillende energieniveaus kunnen twee manieren worden gebruikt. Er kan voor gekozen worden om aan de grondtoestand de waarde 0 J (of 0 eV) toe te kennen en aan elke hogere energietoestand een grotere waarde. Een andere manier is om aan het hoogste energieniveau de waarde 0 J ( of 0 eV) toe te kennen en aan elk lager energieniveau een kleinere waarde. In deze lesmodule gebruiken we alleen de eerstgenoemde manier. Je ziet hiervan een voorbeeld in de onderstaande afbeelding. Een schema zoals je in de onderstaande afbeelding ziet wordt een energieniveauschema genoemd.

Stel je nu eens voor dat we meerdere atomen van dezelfde soort bij elkaar hebben en dat meerdere van die atomen elektronen bevatten die zich in een aangeslagen toestand bevinden. Als in een van die atomen een elektron terugvalt zal het een foton uitzenden. Als dit uitgezonden foton een elektron treft dat zich in dezelfde aangeslagen toestand bevindt als de eerste, dan zal er iets opmerkelijks plaatsvinden. Dit tweede elektron zal dan namelijk gestimuleerd worden om ook terug te vallen onder uitzending van een foton. Dit proces wordt gestimuleerde emissie genoemd. Beide uitgezonden fotonen hebben hierbij niet alleen dezelfde golflengte (ze doorlopen immers hetzelfde energieverval), maar trillen ook in fase (wat coherent wordt genoemd).

In de afbeelding hierboven is gestimuleerde emissie te zien. In het linker atoom valt een elektron terug naar een lager gelegen energieniveau; hierbij zendt het een foton uit. In de rechter afbeelding is te zien dat dit uitgezonden foton een aangeslagen elektron treft dat zich in dezelfde aangeslagen toestand bevind als de eerste. Het elektron wordt hierbij gestimuleerd om ook terug te vallen en daarbij een foton uit te zenden met dezelfde golflente als het oorspronkelijke foton. Merk op dat uit de tekening ook duidelijk wordt gemaakt dat beide fotonen in fase trillen (dit zal later blijken van belang te zijn).

Binnenin een laser bevindt zich een materiaal of gasmengsel dat uit een groot aantal dezelfde atomen bestaat die kunnen worden aangeslagen door middel van licht of een elektrische spanning. Dit materiaal wordt ook wel het lasermedium genoemd. Stel dat de atomen in het lasermedium allemaal zijn aangeslagen. Op een gegeven moment zullen enkele elektronen spontaan terugvallen en hierbij een foton uitzenden. Die vrijgekomen fotonen zullen onderweg andere aangeslagen atomen tegenkomen die zich in dezelfde aangeslagen toestand bevinden. Deze zullen daarbij gestimuleerd worden om ook fotonen uit te zenden (gestimuleerde emissie). Al die vrijkomende fotonen zullen op hun beurt ook weer aangeslagen atomen tegenkomen. Zo ontstaat er een lawine-effect van uitgezonden fotonen; het uitgezonden licht wordt versterkt. Als het lasermedium kleine afmetingen heeft zal er maar een beperkte versterking plaatsvinden totdat het licht het medium verlaat. Om een grote versterking te bereiken plaatst men het lasermedium tussen twee parallelle spiegels. Het uitgezonden licht zal dan telkens tussen de spiegels heen en weer kaatsen en daarbij telkens nieuwe aangeslagen elektronen tegenkomen, zodat de versterking langere tijd zal blijven plaatsvinden. Door een van de spiegels gedeeltelijk doorlatend te maken, zal een deel van het versterkte licht de laser uiteindelijk verlaten.

Om laserwerking mogelijk te maken moeten we een ding nog bespreken. Er zal bij bovenstaand verhaal namelijk niet alleen emissie van fotonen plaatsvinden, maar ook absorptie van fotonen. De vrijkomende fotonen zullen immers niet alleen elektronen treffen die zich in een aangeslagen toestand bevinden, maar ook elektronen die zich in de grondtoestand bevinden. Als dat laatste het geval is zal er geen emissie, maar absorptie plaatsvinden. Versterking van licht treedt daarom alléén op als er meer gestimuleerde emissie plaatsvindt dan absorptie. En dat is alleen mogelijk als er zich meer atomen in een aangeslagen toestand bevinden dan in niet-aangeslagen toestand! Er moet in de laser dus een situatie gecreëerd en in stand gehouden worden waarbij er meer elektronen in aangeslagen toestand bevinden dan in de grondtoestand. Zo’n toestand wordt populatie-inversie genoemd. Maar hoe krijg je dat voor elkaar? Om je hier een idee over te geven nemen we voor de eenvoud even een atoom waarbij voor bepaalde elektronen maar drie energieniveaus mogelijk zijn: de grondtoestand (E1) en twee hogere energieniveaus (E2 en E3). Bij een laser worden de elektronen eerst naar het hoogste energieniveau (E3) gepompt.  Dit kan door het materiaal te beschijnen met licht van voldoende energie of door het aanbrengen van een elektrische spanning. De elektronen zullen hierbij de benodigde energie absorberen en van de grondtoestand E1 naar energieniveau E3 overgaan. Het materiaal waar het lasermedium uit bestaat is altijd zo gekozen dat het de eigenschap heeft dat de terugval door spontane emissie van energieniveau E3 naar E2 snel verloopt en de overgang van E2 naar E1 langzaam. In dat geval zullen de aangeslagen elektronen zich namelijk ophopen in energietoestand E2. Hierbij wordt de gewenste toestand bereikt van populatie inversie. Op het moment dat de opgehoopte elektronen vanuit E2 worden getroffen door een foton met energie ter grootte van de overgang van E2 naar E1 dan zullen zij door gestimuleerde emissie massaal als een soort lawine-effect terugvallen en zal het licht versterkt zijn.

De atoomsoort (of atoomsoorten) die zich in een lasermedium bevinden zijn vooraf heel specifiek gekozen. Omdat elk atoomsoort zijn eigen specifieke fotonen met karakteristieke golflengten uitzendt kan je bij de keuze van een atoomsoort dus ook kiezen welke golflengten je wilt die de laser zal gaan uitzenden. Hierbij moet nog wel een kanttekening worden geplaatst. Bovenstaand verhaal is een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid. Je krijgt daardoor misschien de indruk dat een laser licht uitzendt met één of meerdere hele specifieke golflengten. Dat is in de praktijk echter niet helemaal het geval. Om verschillende redenen zal een laser in de praktijk licht uitzenden waarvan de golflengten een beetje zijn uitgesmeerd rond een bepaalde waarde. Dit kan veroorzaakt worden door thermische trillingen van de atomen, of de onderlinge invloed die de atomen op de ligging van elkaars energieniveaus hebben. Het gaat echter te ver om hier dieper op de oorzaken in te gaan. Het is voor nu voldoende als je onthoudt dat een laser licht uitzendt in een bepaald golflengtegebied. De breedte hiervan wordt ook wel de bandbreedte genoemd. In de onderstaande afbeelding zie je het uitgestraald vermogen van een laser die licht uitzendt met een golflengtegebied rond de 822 nm. 

Naast het aanbrengen en in stand houden van populatie-inversie zal er bij de laser nog rekening gehouden moeten worden met een tweede aandachtspunt. Als licht tussen de spiegels van de laser heen en weer kaatst zullen de heen en teruggaande lichtgolven elkaar beïnvloeden, waarbij interferentie optreedt. In de paragraaf over licht is dit verschijnsel aan de orde gekomen.

Met de kennis die je in deze paragraaf hebt opgedaan kan je als het goed is het volgende voorstellen: de heen en terug kaatsende lichtgolven in de ruimte tussen de spiegels van de laser zullen met elkaar interfereren, waarbij staande golven kunnen ontstaan.  Deze staande golven zullen echter alléén ontstaan als de golflengte van de lichtgolven passend is bij de lengte van de ruimte tussen de spiegels. Staande golven ontstaan alleen als de halve golflengte van een golf een geheel aantal malen in de lengte van de trillingsruimte past. Om dit wat te verduidelijken is in de figuur hieronder (afbeelding 17) zes keer een afbeelding van een lasermedium met lengte L te zien waarin een staande golf tussen de beide spiegels is ontstaan. Zoals je kunt zien zijn hierbij staande golven van verschillende golflengten mogelijk, zolang de halve golflengte maar een geheel aantal malen in de lengte L passen. Wiskundig kan je dit omschrijven als L = n · ½λ , waarbij n een positief geheel getal is. 

Als we rekening houden met wat je nu allemaal over gestimuleerde emissie en interferentie hebt geleerd dan komen we tot de volgende conclusie. Het licht dat een laser verlaat zal:

• een specifiek golflengtegebied hebben die hoort bij de mogelijke energie-overgang(en) van de atoomsoort(en) die zich in het lasermedium bevinden;

• golflengten hebben die passend zijn binnen de afstand tussen de spiegels van de laser.

In de afbeelding hieronder wordt dit duidelijk gemaakt. In de linker grafiek zie je een gele klokvorm. Dit is het golflengtegebiedje van het licht dat door de atomen van het lasermedium wordt uitgezonden.  De rode pieken in diezelfde grafiek stellen de golflengten voor van de staande golven  die kunnen ontstaan tussen de spiegels van de laser. In de rechter grafiek zie je de uiteindelijke output van de laser, waarbij met beide aspecten rekening is gehouden.

Wat je moet kennen en kunnen na deze paragraaf "Laser":

• Je kunt de basisprincipes van de werking van een laser uitleggen. Hierbij kan je de termen populatie-inversie en gestimuleerde emissie hanteren.

• Je weet een energieniveauschema juist te interpreteren en kunt rekenen aan energie-overgangen.

• Je kunt de eenheden Joule en elektronvolt in elkaar omrekenen.

• Je kunt rekenen aan de golflengte van mogelijke staande golven in een resonantieruimte met lengte L.