De laser is een andere belangrijke uitvinding van de mensheid sinds de 20e eeuw, na kernenergie, computers en halfgeleiders. Het staat bekend als 'het snelste mes', 'de meest nauwkeurige liniaal' en 'het helderste licht'. Op 16 mei 1960 vond de Amerikaanse natuurkundige Theodore Maiman de eerste laser ter wereld uit. Voor het eerst had de mensheid toegang tot zo’n wonderbaarlijke lichtbron met uitstekende monochromaticiteit, hoge collimatie en hoge energiedichtheid. Sinds de uitvinding van de eerste laser in 1960 zijn lasers op grote schaal gebruikt in de communicatie, de geneeskunde, de industriële productie, militaire wapens en andere terreinen, en zijn ze uitgegroeid tot een interdisciplinaire technologie voor algemene{9} doeleinden die een enorme impact heeft gehad op het onderzoek op veel gebieden en de verbetering van de efficiëntie van de sociale productie heeft bevorderd. Wat is een laser precies? En hoe wordt het geproduceerd?
Laser is een acroniem voor "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", wat betekent dat lichtversterking wordt veroorzaakt door gestimuleerde emissie van straling. Toen deze technologie in 1964 in China werd geïntroduceerd, bedacht de heer Qian Xuesen deze naam ervoor. In populair gebruik heeft het ook een nogal indrukwekkende getranscribeerde naam: 'leishe'. Voordat we lasers gaan begrijpen, moeten we eerst kijken naar wat licht is.
Licht wordt geproduceerd door fotonen. In 1905 introduceerde Albert Einstein het concept van fotonen voor het eerst in zijn artikel over het foto-elektrisch effect. Fotonen zijn een van de fundamentele deeltjes waaruit materie bestaat. Fotonen zijn extreem klein en hebben in rust geen massa. Volgens de principes van de kwantummechanica laat de corresponderende atoomkern, wanneer een elektron valt van een buitenste schil met hogere-energie naar een binnenste schil met lagere-energie, een foton vrij, waardoor licht ontstaat. Hoe groter het aantal schillen waar het elektron doorheen valt, hoe groter de energie van het foton. Dit proces is omkeerbaar; wanneer een foton invalt, absorbeert de atoomkern het foton en beweegt het elektron, nadat het energie heeft gewonnen, van een binnenschil met lagere-energie naar een buitenste schil met hogere-energie.
Het kenmerk van een laser is dat al zijn fotonen samen met dezelfde golflengte en fase bewegen. In een atomair systeem bewegen elektronen zich in wezen in lagen. Wanneer een atoom wordt beïnvloed door zijn externe omgeving en elektronen met hoge-energie overgaan naar lagere energieniveaus, zijn er twee verschijnselen: 'spontane emissie' en 'gestimuleerde emissie'. Lasers worden geproduceerd door gestimuleerde emissie. Simpel gezegd is een laser de ‘lichtstraling’ die wordt uitgezonden wanneer de atomen van een stof ‘aangeslagen’ worden door een specifieke ‘pompbron’.
Een laser is een apparaat dat laserlicht genereert, voornamelijk bestaande uit een pompbron, een versterkingsmedium en een resonantieholte. De pompbron is de excitatiebron van de laser en levert energie aan elektronen met lage- energie om ze naar hogere energieniveaus te exciteren. Veel voorkomende pompbronnen zijn onder meer optische excitatie, excitatie van gasontladingen, chemische excitatie en excitatie van kernenergie. De resonantieholte is het circuit tussen de pompbron en het versterkingsmedium, meestal bestaande uit twee spiegels met specifieke geometrische vormen en optische reflectiekarakteristieken die op een bepaalde manier zijn gecombineerd. Hierdoor kan het geëxciteerde licht meerdere keren heen en weer reizen binnen de holte, waardoor coherente, aanhoudende oscillaties worden gevormd die worden versterkt, en ook de frequentie en richting van de lichtbundel worden beperkt. Het versterkingsmedium verwijst naar het werkmedium dat het licht versterkt.
Sinds Einstein in 1917 gestimuleerde emissie voorstelde, hebben wetenschappers 43 jaar aan meedogenloze verkenningen besteed voordat ze in 1960 uiteindelijk 's werelds eerste laser creëerden. De wetenschapper Maiman, van Hughes Research Laboratories in Californië, gebruikte een flitslamp met hoge -intensiteit om een robijn te verlichten, waardoor de chroomatomen in de robijn werden opgewonden om rood licht uit te zenden. Door een gat te boren in het oppervlak van de robijn, dat bedekt was met een reflecterende spiegel, kon het rode licht door dit gat ontsnappen, waardoor een zeer geconcentreerde, smalle straal rood licht ontstond. Wanneer deze straal op een punt werd gericht, kon deze temperaturen bereiken die hoger waren dan het oppervlak van de zon. Zo werd 's werelds eerste laser-de robijnrode laser- geboren, met een golflengte van 0,6943 micrometer. Dit was de eerste laserstraal die ooit door de mensheid is geproduceerd.
