Vad är laser?

För att kunna förstå vad laser är och hur den fungerar måste man utgå från att man vet vad ljus är och efter det vad laserljuset består av och hur det skiljer sig från vanligt ljus.

Vad är ljus?

När man närmare börjar undersöka ljuset kan man konstatera att det finns ljus av olika slag och av olika karaktär. Utan ljus skulle det inte finnas liv och vi ska gå närmare in på ljuset och hur det uppkommer, hur det påverkar människan.

För ett par hundra år sedan kände vi endast till den lilla del av den elektromagnetiska strålningen som vi kallar ljus, d.v.s. den visuella delen. Newton med flera påvisade ljusets vågkaraktär och att vågorna kunde interferera med varandra. Man fann att ljusets färger hängde samman med våglängden. Längsta våglängden hade rött ljus, sedan orange, gult, grönt, blått och kortaste våglängden hade violett.

När man sedan fann att värmestrålning var av samma slag som ljus, men med längre våglängd, d.v.s. bortom det röda ljusets våglängd, kallade man det för infraröd strålning. Men trots namnet infraröd så är värmestrålningen helt osynlig. Fotonenergin räcker inte till för att i våra synceller i näthinnan kunna framkalla nervsignaler. På samma sätt kom den osynliga strålning som hade kortare våglängd än det violetta ljuset att kallas för ultraviolett strålning.

Ljusets karaktär

Observera att t.ex. en 60-wattslampa inte avger 60 watt ljusflöde utan bara 1-2 watt. Däremot konsumerar den 60 watt i elektrisk effekt för att kunna producera dess 1-2 watt ljusflöde.

Ett ljusknippe från en lampa kan ges olika geometri. Det kan vara mer eller mindre divergent, parallellt eller konvergent. Från en vanlig glödlampa kommer starkt divergent ljus (d.v.s. vidvinkligt – det går ut åt alla riktningar). Från en strålkastare kommer ljuset i stort sett parallellt. Man säger också att ljuset är kollimerat. Man kan också med linser och speglar åstadkomma att ljuset blir konvergent. Det innebär att strålknippet smalnar mot en fokus. Mellan ett brännglas och dess fokus är strålningen konvergent. (Pöntinen, 1991, s. 17-19)

Ljusets uppkomst

Ljus är en form av energi som uppstår i materia och består av vågor. Ljus kan ha lång eller kort våglängd. En ljuskälla avger i regel ljus med många olika våglängder – man kan säga att den har ett spektrum av ljus. Vissa lampor avger speciellt mycket ljus av en viss färg, t.ex. vägbelysningar, neonljus, lysdioder. Vitt ljus är en blandning av flera olika färger.

Elektromagnetisk strålning

Strålningen som kommer från solen, glödlampor, eld, radiovågor o.s.v. kallas elektromagnetisk strålning. Den är en form av energi, som består av fotoner – energipaket – vilka rör sig med ljusets hastighet 300.000 km/sekund. Fotonerna kan ses som vågpartiklar eller vågpaket. Varje foton är ett litet energipaket format av vågor, i vilket vågorna har en bestämd våglängd och en frekvens beroende av våglängden. Man kan jämföra med vågorna på havet eller ljudvågor. (Tunér, Hode, 1999, s. 14)

Den elektromagnetiska strålningen är ett energiflöde som kan uppfattas på två sätt; dels som en vågrörelse med vågors alla egenskaper (våglängd, polarisation, interferens, diffraktion etc) dels som en ström av partiklar med partiklars olika egenskaper (massa, kvantiserad energi, påverkan av gravitation etc). Fotonen uppvisar både vågkaraktär och partikelkaraktär. Den har alltid en viss bestämd energi – fotonenergin. Ju större våglängden är, desto mindre är dess energi! (Pöntinen, 1991, s. 14 )

Fotoner uppstår när elektroner som, roterar runt atomkärnor byter bana. I regel tillgår detta så att någon form av energi tillförs till atomen. Energin kan tillföras i form av:

Värmesvängningar
Atom- eller elektronkollisioner
Elektron-hål-rekombinationer
Kemisk reaktionsenergi
Andra inkommande fotoner

Fotonernas energi är lägst hos radiovågor, eftersom de har den längsta våglängden. När en foton träffar ett föremål kan den avlämna sin energi.

Följande kan hända:

Den reflekteras.
Den transmitteras.
Den absorberas.

I de två första fallen bibehåller den sin energi, i det tredje fallet avlämnas energin till atomerna eller molekylerna i det objekt den träffar. Energin kan då omvandlas till andra former:

den kan omvandlas till värmesvängningar (atomen/materialet värms)
den kan excitera en atom eller molekyl (elektroner byter bana)
den kan jonisera en atom eller molekyl (skicka ut en elektron)
den kan splittra upp kemiska bindningar (bilda nya ämnen)

Risker med ljus

Eftersom olika våglängder har olika energinivåer är också riskerna att utsätta sig för olika sorters strålning mycket varierande. Högenergifotoner, såsom gammastrålar, röntgenstrålar, ultraviolett ljus, kan ”söndra” atomer och bryta upp kemiska bindningar i molekyler, medan lågenergifotoner, såsom radiovågor, mikrovågor, infrarött och synligt ljus, förorsakar inte jonisering, men ändå värme och magnetism. Fotoner inom det optiska fältet, vare sig de är synliga eller osynliga, ultravioletta eller infraröda, kan reflekteras, transmitteras (gå rakt igenom) eller absorberas vid kontakt med vävnad. Huden är mera genomsläpplig för våglängder nära infrarött (800-1200 nm) än för synligt ljus. När en foton absorberas släpper den all sin energi till vävnaden och förintas. Energiutsläppet transformeras till en annan typ av energi, oftast värme. Av den orsaken blir t.ex. en sten het i solen eftersom en stark strålning (många watt / många fotoner per sekund). Genom att koncentrera strålningen på ett litet område, genom att fokusera den, uppnås en hög effekt täthet på området och strålningen kan bli så stark att strålen bränner, smälter eller avdunstar materien i området. Den tekniken används inom den kirurgiska laserbehandlingen.

De människor som lider av ljusallergi och endast klarar av rött ljus (ljus med våglängder över 600 nm) och inte kan gå ut i synligt ljus (400 – 800 nm) klarar av laserljuset med våglängd över 630 nm, fastän stearinljus eller glödlampsljus ger dem allergiska symtom. (Hode, 1999, s. 16)

Lasern

Namnet laser är en akronym från meningen:

Light - Amplification by - Stimulated - Emission of Radiation

Vad är en laser?

Inom medicinen används kirurgisk laser och medicinsk laser. Den kirurgiska lasern smälter, förångar eller skär. Den medicinska lasern (också kallad LLLT – low level laser therapy) har biostimulerande effekt. (Tunér, Hode, 1999, s. 21)

För att då kunna få en massa fotoner med en och samma våglängd så måste man försöka se till att alla exciterade (upphoppade) elektroner först och främst ligger upphoppade på precis samma nivå och sedan gör precis likadana hopp ned. Lyckas man med det, då har man gjort en laser. (Pöntinen, 1991, s. 21)

I lasersammanhang använder man alltid radiometri, d.v.s. dess ljusflöde (ofta felaktigt sagt ljusstyrka) mäts i watt eller för lågeffektslasrar i milliwatt. Om man har en 60-wattslaser så avger den 60 watt i ljuseffekt medan den för att kunna göra det konsumerar flera tusentals watt i elektrisk effekt i motsats till 60-wattslampan som avger 1-2 watt i ljusflöde men konsumerar 60 watt. (Pöntinen, 1991, s. 19)

Laserljusets egenskaper

Laserljus har fyra typiska egenskaper. Det som främst skiljer det från ”vanligt” ljus är

dess mycket smala bandbredd (bara en enda våglängd)
dess stora koherens

Dessa två egenskaper är de mest lasertypiska och finns alltid hos laserljuset. Det är också de som är viktigast i laserterapi men saknar betydelse vid användningen av laser som kirurgiskt instrument.

Ibland kan ljuset även vara:

i form av parallella ljusknippen
hög intensitet.

Detta kan i regel lätt åstadkommas i en laser genom lämplig geometrisk utformning av lasermedium och resonanskavitet. I kirurgiska instrument är det främst de två sistnämnda egenskaperna man använder sig av och det är också just de egenskaperna som gör att laserljus i vissa fall kan vara farliga för ögonen.

Lasern har, som tidigare nämndes, koherent ljus. Ljusvågorna hänger samman i långa vågtåg. Längden på dessa vågtåg, koherenslängden, kan variera från ljuskälla till ljuskälla. En flöjt har koherent ljud; långa sammanhängande vågor. Skakar man en burk med stenar är ljudet som uppstår inkoherent, dvs helt oordnat.

När en matt yta belyses med synligt laserljus ser man en sorts grynighet i ljuset. Dessa gryn eller fläckar kallas laser speckler och uppstår genom interferens mellan olika ljusstrålar. Om ljuset är koherent kan nämligen ljusvågor adderas på samma sätt som när vattenvågor möts eller som när man i ett badrum prövar olika toner och finner en som låter extra stark. Den extra styrkan uppstår genom interferens; ljudvågor som reflekteras av väggarna adderas när de möts och vi har då fått vad som kallas resonans. (Hode, 2002)