The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search
Published by info, 2021-05-28 06:38:13

229-Lasers

Gebundeld licht

Keywords: Chemische Feitelijkheden,KNCV

Chemische editie 51 | nr 229 | november 2006
Feitelijkheden
De Context Oplossing zoekt probleem
De Basis Moleculen manipuleren
De Diepte Superflitser fotografeert elektronen

auteur: BAstienne Wentzel

lasers

Gebundeld licht

Foto: Brian Adducci Toen ruim veertig jaar geleden de eerste laser werd Ook is het mogelijk de laserbundel supersnel aan en uit te
gebouwd was eigenlijk helemaal niet duidelijk wat laten gaan. Het laserlicht fungeert dan zoals de flitser in een
voor nut het apparaat zou hebben. Pas na de uit- fototoestel: het bevriest snelle bewegingen. Wetenschappers
vinding van de glasvezelkabel in de jaren zeventig werden kijken met deze superflitser naar chemische reacties, waar-
lasers gebruikt als communicatiemiddel. Sindsdien zijn ze door ze elektronen kunnen zien bewegen en zelfs kunnen
niet meer weg te denken uit ons moderne leven: van cd- manipuleren.
speler tot streepjescodescanner, van chirurgische scalpel tot
lasapparaat – lasers zitten overal in. In deze Chemische Feitelijkheid
Een laser is niet zomaar een sterke zaklamp. Bijzonder is • De Context: Hoe is de laser bedacht en wat deed men er
dat de lichtdeeltjes allemaal tegelijkertijd én even snel
trillen. Daardoor waaiert het licht niet snel uit en blijft het indertijd mee?
sterk geconcentreerd op één punt. Onderzoekers gebruiken • De Basis: Laserlicht is geen gewoon licht. Wat is er zo
die eigenschappen op allerlei manieren. Ze kunnen bijvoor-
beeld aan eiwitmoleculen trekken en zo de kracht bepalen bijzonder aan?
die een enkel spiereiwit kan uitoefenen. • De Diepte: Wetenschappers willen chemische reacties

volgen en sturen. Lasers kunnen daarbij helpen, maar hoe? |

2 De Context

lasers Chemische Feitelijkheden | november 2006

Vlak na de ontdekking van de laser wist nog niemand wat je er eigenlijk mee

moest beginnen. Pas jaren later bleek laserlicht heel geschikt voor communicatie.

OplossingVele andere toepassingen volgden.
zoekt probleem

Langzaam rees er een gebochelde gestal- Lasers kom je overal tegen, van lab tot dansvloer. worden nog steeds gebruikt, bijvoorbeeld
te uit de kuil en iets als een lichtstraal als uiterst nauwkeurige atomaire klok.
leek uit hem tevoorschijn te trillen. van fotonen veroorzaken, zo zei Einstein.
Meteen werd dit gevolgd door flitsen van In de jaren daarop maakte men een appa- Men realiseerde zich al snel dat het veel
werkelijke vlammen, een heldere schittering raat dat volgens dit principe microgolven nuttiger zou zijn om geen microgolven
sprong in de groep inmiddels uit elkaar uitzond. Het werd een maser genoemd, maar lichtgolven te gebruiken in het
gedreven mannen (...). Het was alsof de een afkorting voor microwave amplification by apparaat, dat dan logischerwijs ‘laser’ zou
of andere onzichtbare lichtstraal ze trof en stimulated emission of radiation. Masers heten. De kortere golflengte van licht (in
raakte. Het was alsof iedere man plotseling de orde van nanometers) in vergelijking
en kortstondig in vuur veranderde. met microgolven (millimeters) zorgde
Met deze zinnen introduceerde H.G. Wells echter voor technische problemen.
in 1898 in zijn klassieker ‘The War of the
Worlds’ de laser als een krachtig wapen. Robijn
Daarmee was hij zijn tijd behoorlijk voor-
uit. Niet zozeer omdat dergelijke wapens De oplossing werd in 1958 gevonden
ook nu nog een utopie zijn, maar vooral door Arthur Schawlow en Charles
omdat lasers destijds nog niet eens ontdekt Townes van telefoniebedrijf Bell – de
waren. Pas in 1917 beschreef Einstein Amerikaanse KPN. In een wetenschap-
het basisprincipe van de laser met zijn pelijk artikel deden zij toen uit de doeken
theorie van de zogeheten gestimuleerde hoe een ‘optische maser’ gebouwd zou
emissie: één lichtdeeltje ofwel foton kan moeten worden. Verschillende onder-
in bepaalde omstandigheden een lawine zoeksteams werkten vervolgens hard aan
de bouw van zo’n apparaat. Cruciaal daar-
VEILIGHEIDsklassen bij was de keuze van het materiaal dat de
fotonen moest gaan uitzenden, het gain
Op basis van hun mogelijke biologische schade zijn lasers medium. Schawlow en Townes wilden
ingedeeld in verschillende veiligheidsklassen. een robijnkristal gebruiken, maar omdat
Klasse I Deze lasers zenden geen schadelijk licht uit. ze verkeerde technische informatie had-
den over het materiaal lukte dat niet.
Klasse IA Een speciale tussenklasse voor zwakke lasers, zoals in Onderzoeker Theodore Maiman van de
Hughes Aircraft Company beschikte wél
een streepjescode-scanner. over de juiste kennis van robijn en wist
daardoor in 1960 als eerste een werkende
Klasse II Lage intensiteit zichtbare lasers die krachtiger zijn dan laser te bouwen. Zijn collega’s van de Bell
Labs werden later overigens wel beloond
Klasse I, maar niet meer dan 1 mW. met het patent.

Klasse IIIA Gemiddeld intense lasers (1-5 mW), alleen schadelijk bij Niemand wist in die tijd nog wat voor
nut een laser zou kunnen hebben. De
direct in de straal kijken. De meeste laserpointers vallen laser werd ‘een oplossing zoekend naar
een probleem’ genoemd. Schawlow ver-
in deze klasse. klaarde wel te vermoeden dat er toepas-
singen zouden zijn op communicatiege-
Klasse IIIB Gemiddeld intense lasers (5-500 mW), bijvoorbeeld in bied of in de wetenschap, maar ook hij
wist niets concreets te bedenken. Wel
spectrometers. Kan schadelijk zijn voor oog of huid. lukte het vrij snel om een puls van laser-

Klasse IV Hoog intense lasers (meer dan 500 mW), schadelijk bij

direct en indirect in de straal kijken, potentieel brand­

gevaarlijk en brandend op de huid. |

Chemische Feitelijkheden | editie 51 | nummer 229 De Context 3

lasers

Force Technology, Denemarken LASSEN MET LASERS kelijk praktische toepassingen kregen. NIEUWE SCHIJFJES
Kumar Patel, eveneens onderzoeker bij
Een van de toepassingen van laserlicht is lassen. Bell Labs, ontwikkelde toen de CO2-laser: In 2006 zijn de Blu-ray Disk en hd-dvd geïntrodu-
Met CO2- en Nd:YAG-lasers kunnen materialen een infrarood laser waarbij het gain medi- ceerd, die veel meer informatie kunnen opslaan
van staal, aluminium en titanium gelast worden um bestaat uit een mengsel van de gas- dan gewone cd’s en dvd’s: 25 respectievelijk 15
met een dikte variërend van enkele millimeters tot sen koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2), gigabyte, tegenover 4 à 8 gigabyte op een dvd en
waterstof (H2) en helium (He). maximaal 800 megabyte op een cd. Dat is moge-
vele centimeters. lijk doordat de nieuwe schijfjes niet meer worden
licht veertig kilometer verderop waar te Hiermee kunnen chirurgen bijvoorbeeld afgelezen met een rode laser (met een golflengte
nemen. Ongeschikt voor communicatie operaties uitvoeren zonder een scalpel te van 780 of 650 nanometer), maar met een blauwe
helaas, want regen, wolken of een vogel gebruiken. De voordelen zijn talrijk: een laser die een kleinere golflengte heeft (405 nano-
verstoorden de straal. laser is altijd steriel, je kunt minder snel meter). Daardoor kunnen de putjes op de disks
uitschieten en de wond is meteen dicht. dichter op elkaar liggen en passen er dus meer op
Dat probleem werd opgelost toen begin Zo past men bij oogcorrecties laser assisted één schijfje.
jaren zeventig de glasvezelkabel werd in-situ keratomileusis (kortweg LASIK) toe
uitgevonden. Dankzij reflectie tegen de met een erbium-fiber laser. Het bijzon- Het Japanse bedrijf Nichia Chemical Industries
wanden van zo’n glasvezel blijft de sterke dere aan dit lasertje is dat de kleur zo is
laserstraal binnen de kabel en kan hij over gekozen dat die wordt geabsorbeerd door slaagde er halverwege de jaren negentig als eerste
grote afstanden worden waargenomen. een ooglens. Als het zou worden doorge-
Tegenwoordig verloopt bijna alle commu- laten, zou je niet in de ooglens snijden in een blauwe laser te maken met een golflengte
nicatie met behulp van glasfibers en laser- maar in het materiaal eronder dat het
licht. Kleine halfgeleider-lasers zenden licht wél absorbeert. Bij het snijden wordt van 405 nm die geschikt is voor het uitlezen van de
lichtpulsen uit en versturen zo miljarden het materiaal van de ooglens overigens
bits aan informatie per seconde. niet verbrand of doorgesneden maar weg- nieuwe Blu-ray Disk (BD) en hd-dvd. Het betrof een
Snijden met licht geschoten, een proces dat ablatie heet.
diodelaser op basis van een gallium-nitride halfge-
In 1964 zorgde een andere belangrijke Lasers kunnen ook ín het lichaam wor-
uitvinding ervoor dat lasers daadwer- den gebracht zodat operaties die eerder leider die een levensduur had van meer dan tiendui-
niet mogelijk waren nu toch uitgevoerd
LICHTDICHTHEID kunnen worden. Een voorbeeld is het zend uur, een vereiste voor de elektronicamarkt.
verwijderen van galstenen. De arts maakt
Dankzij wavelength division multiplexing kan in daarbij met een laser een klein gaatje in Beide nieuwe standaarden strijden om de gunst
één optische vezel laserlicht met verschillende golf- de maag, waarna een glasvezelkabeltje
lengten tegelijkertijd worden gebruikt. Daardoor is richting de galblaas wordt gestoken. Via van de consument. Het Blu-ray kamp krijgt steun
de informatiedichtheid in glasvezelkabels bijzonder deze ‘sleutelgatoperatie’ kan de arts de
hoog: een vuistdikke kabel zou – in theorie althans – galstenen zien en proberen te verwijde- van grote bedrijven als Sony, Philips, Panasonic
volstaan voor alle datacommunicatie wereldwijd. ren. Als dat niet lukt kunnen de galstenen
met een gepulste laser vergruisd worden,
waardoor de patiënt er geen last meer van
heeft.

Alledaags en Paramount, hd-dvd van onder andere Microsoft

De toepassingen van laserlicht gaan en Toshiba. De eerste hd-dvd-speler van Toshiba
nog veel verder. De metaalindustrie
zou in november 2006 naar Nederland komen.

snijdt er materialen mee op maat, of last De eerste BD-speler lag half oktober 2006 in de

ze juist met laserlicht aan elkaar. Ook Nederlandse winkels. De introductie van Sony’s

in ons dagelijks leven zijn lasers veel nieuwe Playstation met Blu-ray werd bijvoorbeeld

gewoner dan menigeen zich realiseert. keer op keer uitgesteld wegens een tekort aan

Sandia National Laboratory, USA De streepjescode-scanner is een laser, de blauwe lasers.

laserpointer is de moderne aanwijsstok, Lucent en IBM zijn bezig met een nieuwe techniek

de afstandmeters, de waterpas en ook de waarmee gegevens opgeslagen kunnen worden

cd-, dvd- of de nieuwe Blu-ray- en hd-dvd- in een klein kristal. De methode is gebaseerd op

spelers bevatten een laser. En niet te ver- holografie, waarbij twee lichtbundels samen een

geten de laserprinter, hoewel daar tegen-

woordig vaak LED’s in gebruikt worden driedimensionaal beeld vormen. Deze methode

in plaats van lasers. Een ander voorbeeld kan data op een schijfje zetten dat eruit ziet als een

is de ondertiteling van films, die met cd. De eerste hvd’s (Holographic Versatile Disk) zul-

een geavanceerde laser op het filmma- len een capaciteit hebben van rond de 125 gigabyte

teriaal wordt gebrand. Ook worden veel en een superhoge uitleessnelheid van 40 megabyte

films tegenwoordig digitaal opgenomen per seconde. Een probleem is nog om gegevens

en vervolgens met een driekleurige laser nauwkeurig uit te lezen als er veel data in een

alsnog op de klassieke 35 mm filmstroken kristal worden gepropt. |

geprint. |

4 De Basis

lasers Chemische Feitelijkheden | november 2006

Laserlicht heeft bijzondere eigenschappen. Dat maakt het mogelijk om met

lasers in detail te kijken naar chemische reacties, of om met een optische

pincet te trekken aan DNA en andere biomoleculen.

maniMpolecuulenleren

Licht kan worden opgevat als een de intensiteit van een laserbundel evenre- University of New England, Australië
golfverschijnsel, maar ook als een dig met het kwadraat van de hoeveelheid
stroom fotonen ofwel lichtquanten. atomen in het lasermedium. Dat maakt Biofysici gebruiken blauw laserlicht om met
Bij een gloeilamp gaan alle fotonen die laserlicht veel krachtiger. fluorescentiespectroscopie de binding te bestu-
het gloeidraadje uitzendt verschillende
richtingen uit. Met een lens kun je wel Smaller, sterker, verder deren van eiwitten aan celmembranen.
zorgen dat het grootste deel naar één
kant gaat – zoals bij een zaklamp – maar De goed georganiseerde laserbundel fotonen heeft zich immers verspreid over
daarmee heb je natuurlijk nog geen laser- heeft een aantal bijzondere eigen- een groter oppervlak. Honderd meter
straal. Het bijzondere van een laser is dat schappen. Doordat alle fotonen geconcen- verderop kun je de straal al niet meer
de fotonen gecontroleerd uit het apparaat treerd worden op een relatief klein opper- zien. De kleine straal van een laserpoin-
komen. De meeste van de honderden ver- vlak is de intensiteit van het licht daar ter is echter op enkele honderden meters
schillende soorten lasers hebben name- heel hoog. Dat is belangrijk voor toepas- afstand nog zichtbaar. Een sterke bundel
lijk twee dingen gemeen: de fotonen singen zoals snijden of lassen met lasers. laserlicht van twee meter breed die van de
van de laserstraal bewegen allemaal exact Verder valt een laserbundel met behulp aarde naar de maan schijnt, is in theorie
dezelfde kant uit en ze hebben allemaal van een lens makkelijker dan gewoon slechts dertig meter breed als hij daar (385
exact dezelfde golflengte en fase. licht te focusseren op één bepaalde plek. duizend kilometer verder!) aankomt. In
De intensiteit is op die manier vrij een- de praktijk is dat wel wat meer, maar des-
Fotonen in een laserstraal zijn dus gelijk- voudig nóg hoger te maken. ondanks lukte het de Apollo 11 in 1969
gestemd (coherent). Ze trillen in de pas, om dit laserlicht te meten. Daaruit kon
zodat de toppen van hun golven steeds Een tweede voordeel is dat de stralen van men de afstand van de aarde tot de maan
op dezelfde plek liggen. De sterkte (inten- een laserbundel niet snel uitwaaieren. De op de centimeter nauwkeurig bepalen.
siteit) van gewoon licht is evenredig met lichtvlek die een zaklamp van een paar
het aantal atomen in het materiaal. Ieder centimeter doorsnee maakt, is na een Spectroscopie
atoom zendt één foton uit. Daarentegen is meter of tien al zeker tien keer zo groot
en vele malen zwakker. Hetzelfde aantal Ook in andere takken van de weten-
schap hebben lasers hun nut inmid-
Typen lasers dels meer dan bewezen. Biologen en
chemici gebruiken ze tegenwoordig
naam gain medium licht toepassing routinematig, bijvoorbeeld voor fluores-
vaste-stof laser (infra)rood centiespectroscopie. Daarbij wordt een
gaslaser robijn, YAG, wetenschappelijk kleurstof gekoppeld aan het molecuul
kleurstof-laser titaan-saffier zichtbaar tot IR onderzoek dat je wilt bestuderen. Vervolgens wordt
halfgeleider-laser het molecuul beschenen met licht van
excimeerlaser CO2, Ar, CO, HeNe lassen, snijden,
spectroscopie
chemische laser organische zichtbaar licht
verbindingen zichtbaar tot IR wetenschappelijk
onderzoek
halfgeleiders
cd/dvd-spelers,
gasmengels (Cl2/Ar) ultraviolet glasvezelnetwerken

D/F-CO, O2 met I2 infrarood wetenschappelijk
onderzoek, chirurgie

lassen, snijden, wapens

Chemische Feitelijkheden | editie 51 | nummer 229 De Basis 5

lasers

Hoe werkt een laser? Deze techniek bestaat al langer, maar Einsteins theorie
om goede resultaten te krijgen moeten
Een laser kun je zien als een orgelpijp. Bij het bespelen de excitatiegolflengte en de detectiegolf- Normaal gesproken bevinden de meeste ato-
van een orgel wordt geluid in de vorm van trillende lengte goed gescheiden zijn. Sinds daar men in een materiaal zich in de grondtoe-
lucht in de pijp geblazen. De vorm en lengte van de lasers voor worden gebruikt lukt dat veel stand. Door licht op het materiaal te schijnen of
buis is zodanig dat de trillende lucht zichzelf versterkt beter. De laserstraal kan bovendien veel er stroom op te zetten worden de atomen aan-
tot het luid genoeg is om te kunnen horen. Een eenvou- nauwkeuriger op een monster gericht geslagen. Een atoom kan een lichtdeeltje (foton)
dige laser werkt vergelijkbaar. Ditmaal zijn de trillingen worden dan gewoon licht, waardoor de uitzenden als het van de aangeslagen toestand
geen geluidsgolven maar lichtgolven. In de buis, die resolutie van fluorescentiespectroscopen terugvalt naar de grondtoestand.
cavity wordt genoemd versterken de lichtgolven elkaar hoger is geworden.
tot ze aan één kant ontsnappen via een spiegel die
maar een klein deel doorlaat. Die lichtgolven vormen Onderzoekers van het Lasercentrum van
de laserstraal. de Vrije Universiteit in Amsterdam kij-
ken met deze techniek naar motoreiwit-
uitgangssituatie ten zoals kinesine. Dit zijn moleculen die
voedingsstoffen voor de cel transporteren.
lichtbron Daarbij bewegen ze langs de zogeheten
microtubuli, buisvormige eiwitstructuren
cavity in cellen. Er is nog weinig bekend over de
mechanismen waarmee het motoreiwit
spiegel atomen van half-doorlatende deze taak vervult. De onderzoekers kop- Bij gewoon licht (zoals een gloeilamp) gaat het
gain medium spiegel pelden aan het kinesine een kleurstof
en maakten met behulp van een laser- foton dan een willekeurige richting uit. In laserlicht
fluorescentiemicroscoop een filmpje van
lichtbron slaat atomen aan de moleculaire activiteit. Zo konden ze vindt gestimuleerde emissie plaats, een fenomeen
onder andere de snelheid meten en zien
op welke manier het kinesine stapjes zet dat Einstein al voorspelde en dat ervoor zorgt
over de microtubuli.
dat fotonen in een laserstraal in de pas lopen. In
Laserpincet
een bepaalde situatie zou volgens Einstein het
Het Lasercentrum beschikt daarnaast
over een optische pincet waarmee uitgezonden foton de emissie van andere fotonen
aan DNA of een ander biologisch mole-
cuul kan worden getrokken. Het DNA stimuleren. Dit foton komt een ander aangeslagen
wordt daartoe eerst gebonden aan een
polystyreenbolletje van een micrometer atoom tegen en botst daarmee. Daardoor zal ook
groot. Dit bolletje beschijnt men vervol-
aangeslagen atoom gens met een laserstraal. Het bolletje zal het elektron van dit atoom terugvallen en een
aangeslagen atomen zenden fotonen uit dan willen ontsnappen uit de bundel,
maar de fotonen uit de laserbundel oefe- foton uitzenden. Het bijzondere aan gestimuleerde
uitgezonden licht nen er kracht op uit. Daardoor wordt het
fotonen worden weerkaatst door spiegels bolletje steeds weer teruggetrokken naar emissie is dat dit tweede foton exact dezelfde fase
en stimuleren emissie identieke fotonen het midden van de laserbundel en kan
het dus nooit weg. De VU-onderzoekers en richting heeft als het eerste. Dit kan alleen
monochroom laserlicht verlaat de buis kunnen zo meten hoe groot de kracht
is waarmee je een opgerolde DNA-helix gebeuren als de atomen van het ‘laserende’ mate-
kunt uittrekken. Ook meten zij de kracht
waarmee de eerdergenoemde kinesines riaal allemaal in de aangeslagen toestand zijn
vastzitten aan microtubuli.
– zogeheten populatie-inversie. Een manier om
Dankzij zo’n laserpincet kun je ook
met grote precisie zeer kleine afstanden dit te bereiken is het materiaal beschijnen met
meten. Aan de Amerikaanse Stanford
University heeft onderzoeker Steve Block een sterke bundel gewoon licht of met een andere
met behulp van een optische pincet ver-
plaatsingen van een eiwitmolecuul geme- laser. |
ten met een nauwkeurigheid van minder
dan één Ångström (10-10 meter – 500.000 these dat het eiwit over de keten ‘wandelt’
keer minder dan de dikte van een haar).
Hij keek naar een RNA polymerase-eiwit, met stappen van één basepaar, door de
dat langs een DNA-keten beweegt om
basen te identificeren en daarvan nieuw exacte grootte van die stap te bepalen.
RNA te maken. Block bevestigde de hypo-
Een vergelijkbaar experiment als de

optische pincet kan worden gebruikt om

atomen stil te zetten. In stilstand zijn ze

extreem afgekoeld, tot in de buurt van

het absolute nulpunt (-273,15 °C). Door

er laserlicht met een bepaalde golflengte

op te schijnen kan hun impuls (snelheid)

worden overgedragen naar de fotonen,

zoals de ene biljartbal de andere in gang

een zodanige golflengte, dat specifiek de kan zetten en daarbij zelf stil komt te lig-
kleurstof wordt aangeslagen (excitatie).
Veranderingen in het molecuul worden gen. Als je hiermee lang genoeg doorgaat,
daarna bij een andere golflengte gede-
tecteerd. komen alle atomen stil te liggen. Dit heet

een Bose-Einstein condensaat ofwel ‘opti-

sche stroop’. |

6 De diepte

lasers Chemische Feitelijkheden | november 2006

Met snel flitsende femtoseconde-lasers kijken wetenschappers naar

het gedrag van moleculen en atomen. Om ook greep op elektronen te krijgen

Superflitseris zwaarder geschut nodig: een attoseconde-laser.
fotografeert elektronen

Ooit geprobeerd een kolibrie te moet dus wel een heel snelle flitser heb-
fotograferen? De kleinste soort is ben om dat beeld vast te leggen.
nog geen zes centimeter lang en
beweegt zijn vleugels tweehonderd keer Pulseren Experimentele opstelling van een snelle gepulste
per seconde op en neer. Geen wonder dat laser bij de TU Twente.
die vleugels meestal als vage vlekken op Laserlicht blijkt uitstekend geschikt als
de foto staan. Om het beeld te bevriezen flitser. Sinds een aantal jaren gebrui- een camera. Door de tijd tussen de pump
moet de sluitertijd van de camera immers ken fysici en chemici dan ook lasers en de probe te variëren kan men proces-
veel sneller zijn dan één tweehonderdste die flitsen met een pulsduur van femto­ sen in de tijd volgen.
seconde. Dat kan eigenlijk alleen maar seconden. Dat is 10-15 seconde ofwel een
via een camera met een flitser, die dank- miljoenste van een miljardste seconde. Met deze pump-probe techniek kunnen
zij een kort lichtflitsje van minder dan Een voor de hand liggende toepassing elementaire reacties van biomoleculen
één duizendste seconde het beeld van de van deze snelle ‘gepulste’ lasers ligt in de goed bestudeerd worden. Een voorbeeld
vleugel vastlegt. spectroscopie. is het onderzoek naar de verschillende
functies van carotenen. Carotenen zijn
Maar wat te doen als we naar de bewe- Probleem bij het meten van zulke korte rode of gele pigmenten die een belang-
ging van moleculen willen kijken? Die lichtflitsen is dat het verwerken van de
bewegen zich nog veel sneller: zuur- gegevens veel langer duurt dan het tota-
stofmoleculen in de lucht verplaatsen le proces dat men wil bestuderen. Een
zich binnen een seconde zo’n vijfhonderd oplossing daarvoor is het pump-probe
meter. Tijdens een chemische reactie leg- experiment. Daarbij wordt een zeer korte
gen atomen bovendien slechts een paar puls laserlicht (de pump) afgeschoten om
nanometer af. Zo’n reactie duurt dus een materiaal aan te slaan of een reactie
ultrakort – in een paar nanoseconden in gang te zetten. Vervolgens wordt een
(miljardste seconde), picoseconden (10‑12 vaste tijd later een tweede puls afgescho-
seconde) of minder is het gebeurd. Je ten (de probe), die het effect van de eerste
puls registeert – net zoals een flitser op

Nobelprijzenregen voor lasers

Chemische Feitelijkheden | editie 51 | nummer 229 De diepte 7

lasers

ultrasnelle lasers microstructuren

Een gewone laser kan niet zomaar omgebouwd pulsduur in picosec daling pulsduur gepulste De vakgroep Toegepaste Lasertechnologie van
worden tot een ultrasnelle gepulste laser. De dye lasers de Universiteit Twente gebruikt een speciale
eerste truc die werd bedacht om snelle pulsen te 10 techniek, femtoseconde gepulste laserablatie, om
maken is het zogenaamde mode-locking. In de het oppervlak van metalen te bewerken. Op die
cavity, de holte waarin zich de stof bevindt die 1 manier hopen ze de eigenschappen te verbete-
‘lasert’, bewegen lichtgolven met verschillende ren en bijvoorbeeld ‘zelfreinigende’ materialen te
golflengten heen en weer. Sommige van die gol- 0,1 maken. Dat blijkt geen sinecure. Conventionele
ven liggen precies met de toppen over elkaar en laserapparatuur genereert een grote hoeveelheid
zullen elkaar versterken. Anderen doven elkaar uit. 0,01 warmte, waardoor het metaal als gevolg van warm-
Door de golflengtes ofwel cavity modes nauwkeu- tediffusie lokaal smelt en er kratervorming optreedt.
rig te kiezen ontstaan er plekken waar de golven 0,001 Hierdoor ontstaan op microniveau onregelmatige
elkaar maximaal versterken. Ertussenin is het – en bovenal ongewenste – vervormingen. Een
‘stil’. De plekken waar de golven elkaar maximaal 0,0001 femtoseconde gepulste laser kent deze nadelen
versterken zien eruit als een envelop van golfjes. 1969 1973 1974 1985 1988 2001 niet. Vergeleken met het tempo waarmee warmte-
diffusie plaatsvindt is dit type laser extreem snel,
jaar waardoor de ontstane warmte beperkt blijft tot een
toplaagje van tien tot vijftig nanometer. Door vaker
Deze carrier envelope is bij een goede keuze van met de laser te schieten kunnen de gaatjes netjes
uitgediept worden.
de cavity modes heel kort, in de orde van femto-

seconden. |

rijke rol spelen bij de bescherming van Agostini. Het Amolf slaagde er begin Max Groenendijk, TU Twente
organismen tegen schade tijdens de foto- 2006 in om de dissociatie van een deuteri-
synthese, het proces waarbij zonlicht in ummolecuul te beïnvloeden door gebruik Elektronenmicroscopische opname van een poreus
energie wordt omgezet. Carotenen absor- te maken van de oscillaties (trillingen) van perfluoroalkoxy polymeer.
beren fotonen uit zonlicht, waarna ze elektronen. De onderzoekers gebruikten
deze omzetten in energie die nabijgele- het meest eenvoudige molecuul dat ze Samen met collega’s van de Membraan Technologie
gen chlorofyl-moleculen kunnen gebrui- zich konden indenken: twee protonen
ken voor de fotosynthese. Dit proces ver- (deuteriumkernen) met twee elektronen. Groep in Twente hebben de onderzoekers een
loopt extreem snel. Desondanks viel het Een van de twee elektronen werd uit
toch te bestuderen met een pump-probe het molecuul geschoten met een laser, nieuwe methode gebruikt (zogeheten phase sepa-
experiment waarin de pulsen van de laser zodat een D2+ ion ontstond. De binding
slechts vijftig femtoseconden duurden. tussen de twee deuteriumkernen bestaat ration micromolding) om dergelijke microstructu-
Uit de studies bleek dat er veel meer kort- daarin uit één elektron, dat tussen de
levende tussenproducten van het caro- twee kernen oscilleert met een pulsduur ren via een mal aan te brengen in polymeren. Bij
teen bestaan dan tot dan toe waren gere- in de orde van attoseconden. Haal je de
gistreerd. Daardoor is het mechanisme twee kernen steeds verder uit elkaar, dan de eerste experimenten ontdekten zij onder andere
waarmee caroteen energie doorgeeft aan zal het elektron op een bepaald moment
chlorofyl een stapje verder opgehelderd. moeten ‘kiezen’ voor één van de twee ker- dat er tijdens de ablatie vanzelf een microstructuur
nen. Onder invloed van de krachten van
Lichtsnelheid de laser wordt het elektron naar links of ontstaat. De onderzoekers richten zich nu op het
naar rechts gestuurd. Door de fase van de
Ook chemische processen – zoals laser te kiezen konden de onderzoekers gebruik van deze zelfstructurering voor het genere-
reacties en bewegingen van molecu- zelf bepalen bij welke van de twee kernen
len – kunnen met een femtoseconde-laser het elektron eindigt. ren van een zelfreinigende structuur. De kennis die
uitstekend bestudeerd worden. De basis
van alle chemische reacties ligt echter bij Revolutie deze laserablatie-experimenten oplevert reikt ech-
de beweging van nog kleinere en snel-
lere deeltjes: elektronen. Hun snelheid Het sturen van de richting van een ter verder. Zo kunnen printerfabrikanten dit soort
ligt vaak in de buurt van de lichtsnel- chemische binding – zoals nu is
heid, bijna driehonderd miljoen meter gelukt bij deuterium – is altijd een belang- nieuwe bewerkingsprocessen gebruiken voor het
per seconde. Dit betekent dat een snel rijk doel geweest van onderzoekers. Deze
elektron binnen een femtoseconde nog zogenaamde electron transfer speelt bij- vervaardigen van onderdelen van kopieerapparaten
altijd een paar tiende micrometer aflegt. voorbeeld een cruciale rol bij beschadigin-
Veel te veel dus om met een femtolaser gen en het repareren van DNA-basepa- en printers. |
naar elektronen in moleculen te kijken. ren. Het gericht repareren van DNA door
Wetenschappers wilden daarom een fac- elektronen op de juiste plek te zetten zou niek betekent dat er veel nauwkeuriger
tor duizend sneller kijken, op attosecon- een revolutie betekenen.
denschaal (10-18 seconde). gemeten kan worden. Dat kan bijvoor-
Grootste uitdaging is nu om vast te stel-
Attosecondenpulsen zijn pas in 2001 len wat je allemaal nog meer kan onder- beeld zorgen voor een betere positione-
voor het eerst gemaakt door Harm Geert zoeken met attosecondenpulsen en hoe je
Muller van het FOM-instituut Amolf in dat netjes doet. Ook op andere terreinen ring van GPS-satellieten, maar ook voor
Amsterdam – overigens in samenwer- heeft de techniek mogelijk spin-offs. De
king met de Franse onderzoeker Pierre hoge snelheid van de nieuwe lasertech- een nóg nauwkeurigere definitie van de

meter. |

8 Aanvullende informatie Chemische Feitelijkheden | november 2006

lasers

Meer weten

Aanbevolen literatuur University of Adelaide, Australië
- C. Day, ‘Phase-locked femtosecond laser directs the outcome
Om schade aan hun ogen te voorkomen kijken studenten Elektronica
of a simple chemical reaction’, Physics Today, June 2006, p. 13 met beschermende brillen naar hun laseropstelling.
- H.C. Ohanian, Physics, Second Edition, WW
onderzoeken? Zoek een voorbeeld op van zo’n kleurstof.
Norton&Company, New York, 1989, p. X-1 6. Welke twee factoren bepalen het gevaar van lasers?
7. Met een laserstraal is de afstand van de aarde tot de maan
Aanbevolen websites
tot op enkele centimeters te bepalen. Hoe lang doet laser-
- www.bell-labs.com/about/history/laser/: de geschiedenis van licht erover om die afstand te overbruggen?
de laser volgens Bell Labs 8. Carotenen absorberen fotonen uit zonlicht. Zoek de struc-
tuur op van carotenen. Wat maakt deze verbindingen
- www.colorado.edu/physics/2000/index.pl (ga naar ‘Einsteins geschikt om fotonen te absorberen?
legacy’): hoe werkt een laser? 9. Van welke eigenschap van een laser maak je gebruik bij
een laser-waterpas of een politie-laser?
- mediatheek.thinkquest.nl/~lla157/index.html: alles over 10. Een sterke laserstraal kan ook als wapen worden gebruikt.
lasers, geschreven voor en door scholieren Leg uit waarom een echte lasermitrailleur (nog) een utopie is.

- www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=46 en
www.kennislink.nl/web/show?id=93507: femtolasers

- www.kennislink.nl/web/show?id=27386: blauwe lasers, Blu-
ray Disk en holografie

- www.nat.vu.nl/pr/masterlab/lasers/index.html: masterLab
‘Lasers en Leven’ voor VWO-scholieren

Voor op school

1. Laser is een afkorting. Waarvan? Leg alle afzonderlijke
woorden van de afkorting uit.

2. Een laserstraal blijft binnen een glasvezelkabel, zelfs als de
glasvezel gebogen is. Hoe kan dat?

3. Bij LASIK gebruiken chirurgen een erbium-fiber laser,
waarvan het licht wordt geabsorbeerd door de ooglens. Doe
een gefundeerde suggestie voor de golflengte van dit laser-
licht.

4. Ablatie ofwel ablation is een techniek waarbij weefsel of
metaal ‘verdampt’. Beschrijf dit proces. Leg ook uit waar-
door thermische laserablatie uitermate geschikt is voor chi-
rurgische ingrepen.

5. Waarom moet aan motoreiwitten een speciaal kleurstofmo-
lecuul gekoppeld worden om ze met lasers te kunnen

Colofon l a s er s

Chemische Feitelijkheden: actuele Uitgever: Abonnementen: editie 51
encyclopedie over moleculen, Roeland Dobbelaer • papieren editie en toegang tot nummer 229
mensen, materialen en milieu. Bèta Publishers digitaal archief op internet: november 2006
Losbladige uitgave van de KNCV, Postbus 249, 2260 AE Leidschendam eerste jaar
verschijnt drie maal per jaar met in tel. 070-444 06 00 (inclusief verzamelmap): € 90,- Met dank aan:
totaal tien onderwerpen. fax 070-337 87 99 • Prof.dr. Marc Vrakking, FOM
[email protected] KNCV- en KVCV-leden: € 80,-
Redactie: tweede jaar en verder: € 56,- Institute for Atomic and Molecular
Alexander Duyndam (C2W) Abonnementen opgeven: Physics (AMOLF),
Marian van Opstal (Bèta Communicaties) Abonnementenland KNCV- en KVCV-leden: € 46,- e-mail: [email protected]
Arthur van Zuylen (Bèta Communicaties) De Trompet 1739, 1967 DB Heemskerk • Dr.ir. Erwin Peterman, Laser Centrum
Gerard Stout (Noordelijke tel. 0251-31 39 39 • alleen toegang tot digitaal archief Vrije Universiteit Amsterdam,
Hogeschool Leeuwarden) fax 0251-31 04 05 op internet: e-mail: [email protected]
[email protected] eerste jaar: € 70,- • Dr. Gijs Wuite, Laser Centrum Vrije
Basisontwerp: Menno Landstra Universiteit Amsterdam,
Abonnementen kunnen elk moment KNCV- en KVCV-leden: € 60,- e-mail: [email protected]
Redactie en realisatie: ingaan. Abonnementen worden tweede jaar en verder: € 45,-
Bèta Communicaties automatisch verlengd tenzij vóór
tel. 070-306 07 26 1 november van het lopende jaar een KNCV- en KVCV-leden: € 40,-
[email protected] schriftelijke opzegging is ontvangen.


Click to View FlipBook Version