Je leest:

Materie in een nieuw licht

Materie in een nieuw licht

Auteur: | 25 september 2003

Met materie zijn we goed vertrouwd. Materie heeft gewicht, we kunnen het oppakken, we bestaan uit materie. Met licht is het anders. Licht is niet duurzaam. Het weegt niets, het heeft iets spookachtigs. Het beweegt met onvoorstelbare snelheid. Licht is de meest vluchtige stof die we kennen.

Laserfysica begeeft zich tussen licht en materie. In de vakgroep Laserfysica van de Universiteit Twente gebruiken we materie om lichtstralen te produceren. We beïnvloeden de richting van de lichtstraal met materie: lenzen en spiegels. Tenslotte laten we licht altijd op materie inwerken. Dat kan in het laboratorium zijn, maar ook op grote afstand, bijvoorbeeld om de afstand tot de maan te meten. Zowel in de klassieke optica als in de laserfysica gaat het in gelijke mate over licht en materie.

Maar wat precies biedt de laserfysica dan voor nieuws? Het antwoord op deze vraag is dat een laser een geheel nieuw soort licht voortbrengt. Lasers kunnen nieuw licht met zeer extreme eigenschappen produceren, eigenschappen die nog nooit vertoond zijn. Dit betekent vooral extreem hoge vermogens, extreem goed gedefinieerde kleuren, extreem korte pulsen en een extreem goede controle over de scherpte van de straal. Anders gezegd: lasers produceren licht met een hoge mate van coherentie. Het interessante aan dat nieuwe licht is dat de reactie van de materie op zulk licht als regel ook nieuwe kennis oplevert. In dit artikel wordt dat met drie voorbeelden toegelicht.

Wat is licht?

Normaal wordt licht geproduceerd doordat elektronen tegen atomen botsen (zie figuur 1, boven). Iets vergelijkbaars gebeurt wanneer je met een vork een wijnglas aanslaat. Als reactie hierop gaat het glas trillen en geeft het de mechanische energie weer af. Het glas straalt zijn trillingsenergie hierbij grotendeels als een geluidsgolf uit. Een atoomschil die aangeslagen wordt door een botsing met een elektron trilt op soortgelijke wijze en probeert ook de trillingsenergie in de vorm van een golf kwijt te raken. Omdat de trillende materie in een atoom elektrisch geladen is, ontstaat er geen geluidsgolf, maar een lichtgolf.

Wat gebeurt er nu met het licht dat zich van zijn atoom heeft losgemaakt? Laten we eens kijken wat er gebeurt als licht tegen materie botst (figuur 1, midden). De lichtgolf slaat tegen de atoomschil, ongeveer zoals die vork tegen het glas. Hierdoor wordt de atoomschil in beweging gezet en wordt het licht afgezwakt (figuur 1, beneden). Wat het licht achterlaat is van materiële aard: trillende materie. Zoiets gebeurt ook in onze ogen, waar het licht een vervorming van receptormoleculen veroorzaakt.

De tekst hierboven beschrijft een complete cyclus (zie figuur 2). Materiebeweging genereert licht. Het licht vliegt naar een andere plaats en wordt daar weer omgezet in materiebeweging. Zogezegd de geboorte, het bestaan, en de dood van licht. Licht is dus een soort onzichtbaar transport van energie. Licht heeft een oorzaak en een gevolg, maar het licht zelf zien w niet. Het blijft een soort geest die materie op de ene plek verbindt met materie op een andere plek. Is misschien de gehele laserfysica gebaseerd op geesten en spoken?

Licht structureert materie

De laatste wetenschappelijke berichten over het licht passen nog veel beter bij een spook. Men weet dat niet alleen de materie maar ook het licht uit kleine deeltjes bestaat: de lichtquanten of fotonen (zie figuur 3). Ieder foton transporteert tijdens zijn vlucht een piepkleine hoeveelheid energie. De belangrijkste eigenschap van fotonen is echter dat zij ook verantwoordelijk zijn voor de opbouw van de materie. Laten we eens kijken naar de twee elektronen in figuur 3 die naar elkaar toe bewegen. Terwijl zij elkaar naderen beschieten ze elkaar voortdurend met fotonen. Tijdens het uitzenden van zo’n foton, maar ook tijdens de opvang ervan, ontstaat er een kleine knik in de baan van het elektron. De fotonen duwen de elektronen uit elkaar. Als het ene deeltje een positieve en het andere deeltje een negatieve lading heeft, zorgen de botsende fotonen juist voor aantrekking. Voor deeltjes met tegengestelde lading lijkt het namelijk alsof de fotonen van de ander negatieve energie dragen. Wat eigenlijk als een afstotende duw zou moeten voelen, is voor hen een aantrekkende wenk. Atoomkernen, die altijd positief zijn geladen, trekken de negatief geladen elektronen dan ook aan.

De gevolgen zijn overweldigend. Lichtdeeltjes binden elektronen aan atoomkernen. Dus zijn lichtdeeltjes verantwoordelijk voor de opbouw van atomen en daarnaast voor die van moleculen, gassen, vloeistoffen en vaste stoffen. Zo berust de hardheid van diamant, maar ook het voelen van iets in het donker, op licht!

Het verband tussen licht en materie biedt experimenteel natuurkundigen twee mogelijkheden. In de eerste plaats levert licht een sleutel voor meer inzicht in de materie. Via lichtgolven nemen we kennis van de uiterlijke en innerlijke eigenschappen van die materie. In de tweede plaats is licht vergelijkbaar met een werktuig. Lukt het om gericht licht met speciale eigenschappen te produceren, dan zal dat ook een gerichte uitwerking op materie opleveren.

Ik hoop hiermee duidelijk gemaakt te hebben wat onze beweegredenen zijn om laserfysica bedrijven. Natuurlijk bouwen wij ook lasers, maar dat is geen doel op zichzelf. Wij bouwen lasers om speciaal licht als sleutel voor nieuwe kennis te verkrijgen en om licht als een speciaal werktuig in te zetten.

Oud licht

Het oudste licht dat we kennen heeft de grootste invloed op onze aarde: het licht van de zon (figuur 4). In het hart van de zon produceert kernfusie fotonen. Die botsen tegen de zonnematerie en worden weer uitgezonden – om tegen volgend deeltje te botsen. Het kan wel een miljoen jaar duren voor een foton de weg naar buiten heeft afgelegd!

De hoeveelheid energie die de zon elke seconde uitzendt, is onvoorstelbaar groot. De zon zendt vanalles uit tussen lange radiogolven en kortgolvige röntgenstraling. Haar straling wordt over het hele heelal verdeeld. Ook in de tijd is het licht verdeeld over enige miljarden jaren. Zulke lichtbronnen, waarbij geen ordening bestaat in spectrum, ruimte en tijd, noemt men incoherente lichtbronnen. De zon heeft zogezegd een aantal wereldrecords op zijn naam staan: het vermogensrecord in watt en het verdelingsrecord in golflengtes en stralingsrichtingen. Echter: als we uit het zonlicht slechts één enkele kleur zouden filteren en ook nog uit één enkele stralingsrichting, dan houden we nog maar heel weinig vermogen over.

Waarom is de mens eigenlijk begonnen om kunstmatige lichtbronnen te ontwikkelen? Wel, elke dag was het bij het invallen van de duisternis gedaan met het zicht en de warmte. Dit gaf stof tot nadenken: kan men een lichtbron maken met een gewenste tijdstructuur, bijvoorbeeld overdag uit en ’s nachts aan?

Vuur was de eerste kunstmatige lichtbron en daarom een belangrijke mijlpaal in de civilisatie en cultuur van de mensheid. Het grootste succes was inderdaad de vrij instelbare tijdstructuur: licht op ieder gewenst moment. Zelfs de hoeveelheid licht liet zich instellen door meer of minder brandstof toe te voeren. Misschien waren er af en toe enkele kleine problemen (zoals bijvoorbeeld te veel vuur op het verkeerde moment of de verkeerde plaats) maar zoiets krijgt men door verbeterde technologie in de hand. Een complete mislukking was echter de verdeling van het licht over de omgeving. Welke houtsoort men ook toepaste, het vuur scheen altijd in alle richtingen tegelijk.

Sindsdien heeft men enorm veel bereikt met moderne kunstmatige lichtbronnen. Er kwamen gloeilampen met lange levensduur en verschillende kleuren, efficiënte neonbuizen, blauwachtige halogeenschijnwerpers, elektronenstraal- en plasmabeeldschermen. Maar voor al deze bronnen is de methode van lichtopwekking nog hetzelfde als in het stenen tijdperk: zij zenden incoherent licht uit. Het uitgezonden licht bevat veel verschillende golflengtes.

Nieuw licht

Veertig jaren geleden echter veranderde dat. In 1960 maakten T.H. Maiman en zijn medewerkers de eerste laser met een robijnkristal en twee spiegels. Het verschil met de oude lichtbronnen was onmiddellijk zichtbaar, want uit de laser kwam een sterk gebundelde straal met voor het eerst een direct in de bron ingebouwde stralingsrichting. Bovendien had het licht maar één kleur, maar één golflengte dus. Wat met filtering van het zonlicht niet lukte werd nu plotseling mogelijk: miljoenen Watt per kleur en in één stralingsrichting. Een nieuw licht met een nog nooit eerder vertoonde helderheid was geschapen.

De laserfysici hebben het effect van het nieuwe licht natuurlijk op alle mogelijke materie uitgeprobeerd. Interessante nieuwe effecten waren het gevolg. Een modern voorbeeld is in figuur 5 te zien. De sterkste excimeer-laser ter wereld, in Twente ontwikkeld, boort in een paar microseconden honderd gaten tegelijk in een stuk titanium. De laser blijkt nu in staat om in een week zo’n 10 miljoen microscopisch kleine gaatjes in de vleugeloppervlakken van passagiersvliegtuigen te schieten. Daarvan verwacht men een verminderde luchtweerstand die tot een duurzame brandstofbesparing leidt van 5 tot 15 procent. De gaatjes wekken namelijk, net als de haaienpakken waar schaatsers in gekleed gaan, kleine luchtwervelingen rond de vleugel op. Die zorgen ervoor dat de vleugel minder weerstand ondervindt en dat het vliegtuig dus efficiënter met zijn brandstof omspringt.

Hoe ontstaat nieuw licht?

De werking van een laser zit in zijn naam verborgen: LASER staat voor ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’ oftewel versterking door gestimuleerde emissie van licht.

Een eenvoudige vaste stof-laser is in figuur 6 te zien. Links en rechts staat een spiegel. Het centrale deel is een kristal dat verontreinigd is met metaalatomen, bijvoorbeeld neodymium.

Laten we lichtgolven vervangen door watergolven en de atomen door kleine boeien die op het water drijven (zie figuur 7). Het bovenste deel van deze boeien is erg zwaar. Daardoor bezitten de boeien twee toestanden van verschillende energie. In de eerste toestand staat de boei rechtop (linksboven), met het zwaartepunt boven water. In de tweede toestand is de boei omgeklapt, nu zit het zwaartepunt onder water (rechtsboven). De boei links bezit meer inwendige energie, maar deze toestand is niet stabiel: zo’n boei kan spontaan omklappen. Dat is vergelijkbaar met aangeslagen atomen die spontaan in de stabiele grondtoestand terugvallen.

In de animatie hieronder is dat proces uitgebeeld. Klik op het klokje om de animatie te starten.

Het omklappen van de boei heeft een gevolgeffect: de extra energie wordt afgevoerd in de vorm van watergolven die van de boei weglopen. Als een boei omklapt kan men niet voorspellen in welke richting dat gebeurt. Daarom is de richting waarin de golven weglopen willekeurig. Dit komt overeen met de spontane emissie van licht: ook hier weet men niet in welke richting het atoom zijn straling zal uitzenden. Ook het precieze tijdstip van het omklappen is onbekend. Bij licht zegt men daarom dat de fase van de uitgezonden lichtgolf toevallig is, dat het uitgestraalde licht incoherent is, zoals dat van de zon en van gewone lampen.

Nu het nieuwe licht van de lasers. We verbeteren de boeien een beetje om ze voor spontaan omklappen te behoeden. Daarvoor bevestigen we aan de boeien een stabilisatiering (figuur 7, beneden). Zo’n boei kan men ook een metastabiele boei noemen. Uit zichzelf zal die niet zo snel omklappen, maar met een duwtje gaat dat wel.

Daarna plaatsen we vele van zulke metastabiele boeien op het water. Bekijk dit in de simulatie. Door de stabilisatiering blijft iedere boei rustig staan. De energie in de boeien wacht er nu op om in golven omgezet te worden en daarvoor is slechts één klein duwtje nodig. Dit duwtje veroorzaken we zelf met een klein watergolfje dat van links naar rechts loopt. Klik op de klok en het golfje komt eraan. Als de watergolf de eerste boeien bereikt gebeurt het: de boeien kantelen naar rechts, omdat de watergolf hen aan de linkerkant aantikt. Die boeien zullen daarbij een nieuwe golf produceren, die eveneens naar rechts loopt en de oude golf versterkt. Deze versterking gebeurt natuurlijk niet op een willekeurig tijdstip, want het omklaptijdstip wordt door de invallende golf bepaald. Men zegt dat de golf de boeien stimuleert om, door doelgericht omklappen, een gerichte watergolf aan het geheel toe te voegen.

Alle boeien klappen naar rechts om en veroorzaken golven naar rechts. Uit de kleine watergolf die een bepaalde richting had, ontstaat een grote watergolf in dezelfde richting. Deze watergolfversterker bezit uit zichzelf geen eigen voorkeur voor de richting. Loopt de begingolf bijvoorbeeld van rechts naar links, dan zal de versterking naar links plaatsvinden en geeft die een golflawine naar links. Analoog aan het acroniem LASER zouden we het effect hier WASER kunnen gebruiken, waarbij de ‘W’ dan staat voor watergolf.

De versterking van licht werkt op dezelfde wijze. De verbeterde boeien zijn nu de metaalatomen in het kristal. Zij worden naar boven ‘gekanteld’ door energie in het kristal te brengen. Daarna is het kristal gereed om licht te versterken.

Wat brengt nu in het kristal de lichtlawine op gang? Gelukkig vervallen toch enkele van de metastabiele atomen op een spontane manier waarbij ze lichtgolven in willekeurige richtingen uitzenden, zie figuur 8. Hier komen de spiegels in het spel. Op een zeker moment vliegt namelijk één van de spontane lichtgolven toevallig precies loodrecht op één van de spiegels. Dit licht doorloopt na reflectie dan wederom het kristal waarin het een beetje versterkt wordt. Daarna treft dit licht de tweede spiegel, gevolgd door een tweede versterking enzovoort. De ruimte tussen de spiegels vult zich uiteindelijk met een sterke lichtstraal die loodrecht op de spiegels staat.

Daarna moet men het licht nog uit de resonator laten komen, bijvoorbeeld door bliksemsnel één van de spiegels te verwijderen. In de praktijk kiest men ervoor om één spiegel een beetje doorlatend te maken. Het licht stroomt dan als een scherpgevormde bundel uit de resonator.

De vorm van het spook

Hier begint de laserfysicus het lichtspook zijn vorm te geven. Maar welke gedaantes kan ons spook aannemen? Het licht bezit drie eigenschappen: zijn voortplantingsrichting, zijn kleursamenstelling en zijn polarisatie (figuur 9).

Om deze drie eigenschappen vast te leggen plaatsen we drie typen lichtfilters in de resonator. Het eerste filter, dat de voortplantingsrichting vastlegt, wordt gevormd door de spiegels die alleen maar loodrecht invallend licht in de versterker terugkaatsen. De kleur van het licht kunnen we vastleggen met een kleurfilter. Een prisma bijvoorbeeld laat samen met de spiegels slechts één kleur in de versterker terugkomen. Geheel analoog verloopt het vastleggen van een gewenste tijdstructuur of polarisatie, met een tijdfilter of een polarisatiefilter. Samenvattend kan men door een geschikte keuze van filters alle energie die in de aangeslagen atomen zat, in licht van een gewenste vorm condenseren.

Sinds de uitvinding van de laser is het een populair spel om het licht in steeds weer nieuwe verschijningsvormen te condenseren, bijna zoals in een wedstrijd. Men zou kunnen zeggen: een nieuw licht voor het ‘Guinness-book of records’. Wie maakt de zuiverste kleur en wie de kortste golflengte? Of wie heeft de kortste puls? Femtoseconde (10-15 s) wint van picoseconde (10-12 s). En wie heeft de sterkste laser? Omdat licht als sleutel en werktuig werkzaam is, introduceert iedere nieuwe vorm van licht kansen voor nieuwe kennis en toepassingen.

De optische neus

Als eerste voorbeeld heb ik ‘ruiken’ met behulp van licht gekozen, zie figuur 10. Geurherkenning is bijvoorbeeld belangrijk bij beveiliging van vliegvelden. Bagage wordt daar nu besnuffeld door getrainde honden die zelfs de kleinste sporen van drugs of explosieven kunnen ontdekken. Het nadeel van honden is echter dat ze langdurig getraind moeten worden en dat ze sterk op elkaar lijkende moleculen maar moeilijk kunnen onderscheiden. Bovendien laat een hondenneus zich voor de gek houden, wanneer de geur van een ander materiaal de gezochte geur maskeert.

Wij zijn nu van plan om met lasers een geursensor te ontwikkelen die snel en gevoelig is, die zich door niets laat misleiden en die bovendien alle beoogde moleculen en stoffen bij hun chemische naam noemt: de optische neus.

De optische neus is gebaseerd op de absorptie van verschillende infrarode kleuren door moleculen. Deze kleuren zijn karakteristiek voor elk molecuul. Dus noemt men het betreffende infraroodbereik ook wel het ‘bereik van de moleculaire vingerafdrukken’. Intussen kent men honderdduizenden van zulke vingerafdrukken. Waarom is er dan nog steeds geen perfect werkende optische neus? De oorzaken daarvan zijn de enorme technische moeilijkheden om geschikt testlicht te produceren. Geschikt zijn betekent dat het noodzakelijk is om infrarood licht met een nieuwe combinatie van eigenschappen te vormen: een relatief hoog lichtvermogen, een bundel van hoge kwaliteit en extreem nauwkeurige kleuren. Bovendien moet de kleur enorm snel afstembaar zijn. Voldoet men niet aan één van die eisen, dan wreekt zich dat onmiddellijk in de vorm van dagenlange meettijden, het over het hoofd zien van moleculen of het ‘herkennen’ van de ene soort moleculen als een andere soort.

We beginnen met een diodelaser zoals in figuur 11 is te zien. De golflengte wordt met een bewegend traliefilter bepaald en is op die manier precies en snel afstembaar. Helaas is het licht daarna 100.000 keer te zwak en de golflengte vier keer te kort. Dus verhogen we het lichtvermogen tot ongeveer 10 watt met een 30 meter lange glasvezelversterker die in figuur 11, gewikkeld op een klos, te zien is. Maar de golflengte is nog steeds te kort. Daarom passen wij tenslotte een ‘kleuromzetter’ toe, die op een niet-lineair kristal gebaseerd is. Deze kleuromzetter brengt de golflengte precies in het gebied van de moleculaire vingerafdrukken. Een vergelijkbaar gepulst systeem werkt al en heeft ons een kleurensnelheidsrecord opgeleverd. Wij kunnen nu ongeveer 100.000 verschillende kleuren per seconde meten in een willekeurig gekozen volgorde.

Met dit nieuwe licht kunnen we een speciaal gasmengsel analyseren dat voor ons allemaal zeer belangrijk is: de menselijke adem. We kennen al vele moleculen die in de adem voorkomen zoals bijvoorbeeld CO2. In onze adem bevinden zich met zeer geringe concentraties ook andere uiterst interessante gassen, zelfs giftige gassen zoals benzinemoleculen. Deze stoffen komen niet van buiten maar worden door ons zelf geproduceerd. De optische neus kan dus waardevolle informatie opleveren over onze stofwisseling en dus over onze gezondheid.

Samen met de KU-Nijmegen willen wij een medisch-optische databank realiseren: de vakgroep laserfysica levert de fysische meetgegevens en het Akademisch Ziekenhuis levert medische diagnosegegevens voor dezelfde patiënten. Met deze databank verwacht men met een grotere snelheid en zekerheid inzicht te krijgen in de biofysica van de mens.

Het vluchtige karakter van licht

Voor het tweede voorbeeld, figuur 12, geldt dat praktische toepassing de eerste paar jaar niet hoeft te worden verwacht. Het gaat hier vooral om fundamentele kennis, met een groot potentieel voor de toekomst.

Ik heb eerder het vluchtige karakter van licht benadrukt, dat zich met een enorme snelheid voortplant: zo’n 300.000 km per seconde in lucht en ca. 200.000 km per seconde in glas. Dit is natuurlijk een groot voordeel bij informatieoverdracht zoals met licht in glasfibers, via de radio of bij satellietcommunicatie. Maar hoe moeten we deze snelle lichtinformatie afremmen, stoppen en bewaren?

Men kan licht omzetten in elektrische signalen en die dan opslaan, maar hierbij gaat de informatie die in het ritme van het licht zit verloren. Daarom hebben onderzoekers zich al vaak de vraag gesteld of het licht niet langzamer te maken is of zelfs misschien helemaal stilgezet kan worden, zonder daarbij natuurlijk haar eigenschappen te veranderen of te vernietigen.

Ongeveer tien jaar geleden hebben we in Stanford, USA, in de groep van professor Steve Harris, een verschijnsel ontdekt dat een antwoord geeft op die vraag namelijk: ‘Electromagnetically Induced Transparency, ofwel EIT. Kortgeleden lukte het twee onderzoekgroepen in Cambridge, USA, door gebruikmaking van dit effect licht te vertragen of anders gezegd ’in te vriezen’. Dit was een geweldig succes dat geheel nieuwe mogelijkheden in de omgang met licht opent.

Zoals altijd met nieuwe dingen, ontstaan er tegelijkertijd weer vele nieuwe vragen die een antwoord behoeven. Bijvoorbeeld zal onderzocht moeten worden of van het licht tijdens het invriezen inderdaad alle informatie behouden blijft, met andere woorden: of dit proces werkelijk de naam ‘invriezen’ verdient. Een ander probleem is om materie te vinden die de houdbaarheid van het ingevroren licht kan verlengen. Vervolgens komt de vraag aan de orde wat men met dit ingevroren licht zoal zou kunnen doen.

Op deze vragen proberen we antwoorden te vinden. Tot nu toe werd uitsluitend gasvormige materie gebruikt om het licht in te vriezen. Een zeer groot nadeel hiervan is dat de atomen die alle lichtinformatie bevatten, zeer snel heen en weer bewegen en met elkaar botsen. Misschien is daarom de huidige invriestijd slechts tussen een duizendste en een miljoenste seconde. Wij gaan proberen om het licht in een optisch kristal in te vriezen, omdat hier de atomen tenminste aan vaste roosterplaatsen gebonden zitten.

Om te beginnen nemen we een circa 1 cm lang optisch kristal (zie figuur 13) dat gedoteerd is met speciale atomen, namelijk praseodymium-atomen, die het licht zullen opnemen. Deze atomen maken het kristal sterk absorberend voor rood licht. Zoiets kan men makkelijk zien met een zogenaamde rode testlaserpuls die het kristal niet binnendringt.

Daarna belichten we het kristal met een tweede laser die een iets andere kleur uitzendt. Deze laser wordt de ‘controlelaser’ genoemd en maakt het kristal weer transparant, het eerder genoemde EIT-effect.

Als we dit allemaal goed doen kan de testlaserpuls binnendringen in het kristal. De snelheid van de testlaserpuls daalt drastisch, zodat de voor- en achterkant van de puls dicht op elkaar komen te liggen. De lichtpuls schuift als het ware ineen. De vertraging en compressie die we verwachten is enorm groot en ligt in de orde van honderd miljoen keer. Dit betekent dat een testlaserpuls van 100 kilometer lengte zich in het kristal samenperst tot een lengte van 3 millimeter en daar dan langzamer beweegt dan een auto.

Op het moment dat de testlaserpuls zich helemaal in het kristal bevindt verassen we hem door de controlelaser uit te schakelen waarmee de absorberende toestand weer terugkeert. De testpuls is plotseling omringd door sterk absorberende en donkere materie. De energie van het licht gaat niet verloren maar wordt in de praseodymium-atomen opgeslagen. De testpuls wordt opgeslagen als een gezamenlijke slingerbeweging van de elektronen, een slingerbeweging die een precieze kopie vormt van de lichttrillingen en ook van hun ritme.

Het laatste gegeven is uitermate belangrijk omdat alle eigenschappen van de testlaserpuls op deze manier het absorptieproces overleven en als echte materie-eigenschappen van het kristal aanwezig blijven.

De laatste stap is gemakkelijk. Men schakelt de controlelaser weer aan om het invriezen weer ongedaan te maken. Door een soort gestimuleerde-emissie-effect wordt de testlaserpuls weer in het juiste ritme opgewekt. De opnieuw opgewekte testpuls kruipt vervolgens weer langzaam vooruit tot het einde van het kristal. Daar aangekomen ziet hij weer normale omstandigheden: de voortplantingssnelheid wordt weer de lichtsnelheid en de puls wordt opgerekt tot de oorspronkelijke lengte.

Op zichzelf is het invriezen van licht uiterst fascinerend, maar interessant is ook het bedenken van toekomstige toepassingen (figuur 14). En blijven echt alle eigenschappen van het licht hier behouden, gaat geen foton verloren? Kan men met een lange invriestijd van honderd seconden misschien een 30 miljoen kilometer lange interferometer maken, waarbij in werkelijkheid de experimentele opstelling op een laboratoriumtafel past? Of kan men misschien zelfs een fototoestel bouwen dat ook kleurenfoto’s kan maken met de resolutie van een enkel foton? Misschien kan men twee foto’s tegelijkertijd invriezen en daarna de foto’s in het kristal met elkaar laten communiceren? Is dit misschien een prototype van een driedimensionale quantumcomputer?

Elektronen volgen het licht

Nog een derde voorbeeld van materie in een nieuw licht. In plaats van het licht zo langzaam te maken als materie, gaan we nu materie zo snel maken als het licht. Het gaat hier om een moderne elektronenversneller die op licht gebaseerd is.

De krachtigste versnellers worden nu gebouwd ten behoeve van fundamenteel onderzoek naar elementaire deeltjes (zie figuur 15). De elektronen worden daarbij versneld totdat ze bijna zo snel als licht zijn. Kleine elektronenversnellers zijn belangrijk bijvoorbeeld in de medische toepassingen of voor conservering van levensmiddelen.

Speciaal voor de laserfysici zijn krachtige versnellers bijzonder interessant, omdat ze de enige manier blijken te zijn om afstembare röntgenlaserstraling te verkrijgen. Dit gebeurt in theorie als men elektronen met voldoende snelheid door een regelmatig veranderend magnetisch veld leidt, de zogenoemde wiggler, die ze in trilling brengt. Normaal heeft zo’n röntgenlaser een grote versneller van meerdere kilometers lengte nodig om een voldoend hoge elektronensnelheid te bereiken.

Kleinere opstellingen gebaseerd op hetzelfde principe die lange golflengtes produceren bestaan echter wel. Al jaren geleden is er een in Twente gebouwd. We zijn nu bezig met een verbeterde versie. De moeilijkste component van het lasersysteem is de versneller, die we ontwikkelen in het kader van een FOM-programma en in samenwerking met de TU-Eindhoven en het FOM-instituut Rijnhuizen. Omdat de versneller op lasers is gebaseerd, is hij veel korter: in plaats van een paar kilometer nu slechts een meter. Toch verwachten we dezelfde elektronensnelheden als in een grote versneller.

Om het werkingsprincipe van de lichtversneller toe te lichten, maak ik een vergelijking met een surfer zoals te zien in figuur 16. Deze wil een watergolf achter een schip gebruiken, het zogenaamde kielzog, om te versnellen. Allereerst moet de surfer op eigen kracht op de top van een van de golven zien te komen die met het schip meebewegen. Vanaf zo’n top kan hij dan naar het dal surfen om te versnellen.

In ons onderzoek willen we precies hetzelfde principe toepassen, maar met veel hogere snelheden. Het water vervangen we door een plasma, een heet gas dat nog uitsluitend uit geladen deeltjes bestaat. Dit plasma produceren wij door het focusseren van een intensieve laserstraal in een gas. Daarna maken we een golf in dit plasma met behulp van een tweede laserpuls, die de taak van het schip vervult. Achter de puls onstaat in het plasma een kielzog dat met de lichtsnelheid de laserpuls volgt. Tenslotte gebruiken we kleine plukjes elektronen als surfers. Ook deze worden eerst voorversneld, zoals echte surfers, en op het juiste moment op die plek gebracht waar de plasmagolf het sterkst is.

Als deze lichtversneller werkt verwachten we dat een elektronenenergie tot 100 GeV bereikbaar wordt voor iedere onderzoeker in een normaal laboratorium. Tegen die tijd verwachten we ook een röntgenlaser met een lichtgolflengte die nog eens duizend keer korter is dan nu mogelijk is. Deze nieuw lichtsoort – afstembare röntgenlaserstraling – betekent zonder twijfel een doorbraak in het wetenschappelijk onderzoek: op het programma staan filmopnamen van chemische reacties met een subatomaire resolutie, nieuwe lithografietechnieken voor snellere computers en nieuwe vormen van biologisch onderzoek aan levende cellen.

Licht van de achttiende macht

De toekomst van de laserfysica zal zich op vele fronten tegelijkertijd afspelen, zowel op het gebied van grondbeginselen als op het gebied van toepassingen. Een voorspelling over wat er precies zal gebeuren is moeilijk: wij zijn wel experts op het gebied van helderheid, maar helderziend zijn we daarom nog niet!

Toch lijkt er een gezamenlijke noemer te zijn. Het getal 18, of beter gezegd de achttiende macht van tien lijkt een bijzondere rol te spelen (figuur 17). We zullen waarschijnlijk leren om doelgericht met individuele fotonen om te gaan met de piepkleine hoeveelheid lichtenergie van ongeveer 10-18 joule, een attojoule. Dat betekent informatieoverdracht nabij de theoretische grens van één bit per foton. Het tegenovergestelde hiervan vormt een extreem hoog lichtvermogen, dat vanaf het huidige vermogen van petawatts (1015) zal toenemen tot 1018 watt, een exawatt. Tegelijkertijd zal men steeds kortere lichtpulsen gaan opwekken. De eerste puls korter dan een femtoseconde is al gegenereerd en men is hard op weg naar een pulsduur van 10-18 seconde, een attoseconde. Zo’n puls herbergt automatisch ook een extreem hoge lichtfrequentie van 1018 hertz, hetgeen men röntgenstraling noemt. Er zullen lasers ontwikkeld worden die een frequentiestabiliteit van slechts 10-18 hebben. Dit komt overeen met een optische klok die de huidige internationale tijdstandaard duizend keer verbetert.

In het dagelijks leven, in de industrie en in het onderzoek zijn lasers al meer dan twintig jaar lang in ruime mate toegepast: voor het bewerken van materialen op microschaal, maar ook in de fabriek (lassen en snijden van staal en kunststoffen), voor allerlei meetprocessen (afstandsmetingen, atmosferische metingen), in de geneeskunde (bijvoorbeeld de laser als steriele scalpel om de scherpte van de ooglens te verbeteren, of om met fotodynamische therapie kanker te bevechten), voor supersnel transport van informatie (sneller dan 1 terabit/seconde) met diodelaserpulsen in glasvezels, en voor opslaan en uitlezen van informatie bijvoorbeeld in cd- en dvd-spelers. Toch staat de ontwikkeling en de toepassing van lasers nog pas aan het begin. Alle experts zijn het erover eens: de rol van lasers in de wereld zal nog reusachtig toenemen.

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Twente (UT).
© Universiteit Twente (UT), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 september 2003
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.