Lasern: Historiens spektakulära felbedömning

När den första lasern tändes våren 1960 hade forskarna lyckats skapa något märkvärdigt: en extremt koncentrerad stråle av rött ljus. Problemet var bara att ingen riktigt visste vad den skulle användas till. Apparaten som den amerikanske fysikern Theodore Maiman byggt hade ett hjärta av syntetisk rubin, omgiven av en kraftig blixtlampa. När lampan avfyrades pumpades energi in i rubinen och ur ena änden kom korta pulser av intensivt rött ljus.

Vanligt ljus består av många våglängder som sprids i olika riktningar och vars vågor inte följer varandra i takt. I en laser samlas i stället ljuset så att fotonerna har samma våglängd, rör sig åt samma håll och svänger i takt. Resultatet blir en smal och sammanhållen stråle som fokuseras till en ytterst liten punkt.

Det såg imponerande ut – men nyttan var mindre uppenbar. Lasern fick snart rykte om sig att vara en lösning som letade efter ett problem.

I efterhand framstår det som en av teknikhistoriens mer spektakulära felbedömningar.

Genombrott på 50-talet

Fysiken bakom Theodore Maimans maskin var då redan mer än 40 år gammal. Albert Einstein hade 1917 beskrivit det fenomen som kallas stimulerad emission. En atom som tillförts energi kan avge energin igen i form av en foton. Albert Einstein visade att en passerande foton också kan få en sådan exciterad atom att släppa ifrån sig ytterligare en foton med samma egenskaper. Den ena ljuspartikeln får alltså sällskap av en kopia.

Om tillräckligt många atomer förs upp till ett högre energitillstånd kan processen förstärka sig själv i en kedjereaktion. Fotoner skapar nya fotoner, som i sin tur framkallar fler. Genom att låta ljuset studsa mellan speglar kan det förstärkas ytterligare innan en del släpps ut som en koncentrerad stråle.

Principen fick sitt första praktiska genombrott på 1950-talet, men då med mikrovågor. Amerikanen Charles Townes och de sovjetiska forskarna Nikolaj Basov och Aleksandr Prochorov utvecklade oberoende av varandra grunderna för masern, en akronym för microwave amplification by stimulated emission of radiation. Charles Townes och Arthur Schawlow beskrev därefter hur principen skulle kunna överföras till synligt och infrarött ljus.

Den 16 maj 1960 visade Theodore Maiman att det faktiskt gick. I hans rubinlaser fick blixtlampan kromjonerna i ädelstenen att nå högre energinivåer. När tillräckligt många hade exciterats uppstod den kedjereaktion av fotoner som Albert Einstein hade beskrivit fyra decennier tidigare.

Namnet följde med: microwave byttes mot light. Maser blev laser – light amplification by stimulated emission of radiation.

Nya användningsområden

Därifrån gick utvecklingen snabbt. Andra forskare byggde gaslasrar och halvledarlasrar, mindre och billigare lasrar, samt lärde sig framställa ljus med olika våglängder, effekter och egenskaper.

Redan 1964 belönades forskningen med Nobelpriset i fysik. Charles Townes fick halva priset, medan Nikolaj Basov och Aleksandr Prochorov delade på den andra hälften, för det grundläggande arbetet inom kvantelektroniken som lett fram till maser- och laserprincipen. Theodore Maiman, som hade byggt den första fungerande lasern, fick inget Nobelpris.

Det skulle bli långt ifrån det sista Nobelpriset med koppling till lasern. Arthur Schawlow och Nicolaas Bloembergen belönades 1981 för utvecklingen av laserspektroskopin. År 1997 gick priset till Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji och William Phillips för metoder att kyla och fånga atomer med laserljus. Halvledarfysiken bakom de laserdioder som kom att massproduceras belönades med Nobelpris år 2000. Donna Strickland och Gérard Mourou fick 2018 priset för en metod att skapa extremt korta och intensiva laserpulser, medan Arthur Ashkin samma år belönades för den optiska pincetten, där laserljus används för att fånga och flytta mikroskopiska objekt.

Varje steg öppnade nya användningsområden. Och någonstans på vägen försvann problemet med att hitta problem åt lasern.

I industrin skär, svetsar, borrar och graverar lasrar material med stor precision. De mäter avstånd och kontrollerar tillverkningsprocesser, samtidigt som betydligt svagare varianter läser streckkoder och används i skrivare och sensorer.

Inom medicinen används laser för att korrigera synfel, behandla näthinnor, avlägsna vävnad och genomföra kirurgiska ingrepp där precisionen är avgörande. Inom forskningen avslöjar laserspektroskopin vilka ämnen som finns i ett prov genom att mäta hur atomer och molekyler reagerar på ljus. Lidar skickar ut laserpulser och mäter tiden tills de återvänder, vilket gör det möjligt att skapa tredimensionella bilder av allt från skogar och arkeologiska lämningar till att göra självkörande bilar medvetna om sin omgivning.

Tänjer på gränserna

Av kanske ännu större betydelse är de lasrar vi aldrig ser. I fiberoptiska nät omvandlas digital information till snabba ljuspulser som skickas genom hårstråtunna glasfibrer. Kombinationen av effektiva halvledarlasrar och optiska fibrer gör det möjligt att överföra enorma datamängder över kontinenter och oceaner och tekniken blev därmed en av förutsättningarna för det moderna internet.

Samtidigt fortsätter forskningen att tänja på gränserna. Dagens minsta lasrar ryms på mikrochip, medan de största anläggningarna fyller byggnader och koncentrerar enorma energimängder till ofattbart korta ögonblick. Laserljus kan mäta jordens avstånd till månen, styra atomur och manipulera enskilda biologiska partiklar. När gravitationsvågor för första gången observerades 2015 registrerades de genom att laserstrålar mätte förändringar i avstånd som var mindre än en bråkdel av en atomkärnas diameter.

Theodore Maiman kunde knappast ha förutsett något av detta när han tände sin rubinlaser 1960. Han hade visat att det gick att kontrollera ljus på ett helt nytt sätt, men varken han eller någon annan behövde känna till alla problem som uppfinningen en dag skulle lösa.

Drygt 65 år senare finns lasern överallt, ofta utan att vi märker den. Den bär vår internettrafik, opererar våra ögon, tillverkar våra elektronikkomponenter och låter forskare mäta sådant som tidigare låg utanför människans räckvidd.

Den koncentrerade röda ljusstrålen som en gång saknade ett självklart användningsområde har blivit en av de tekniker som den moderna världen knappast skulle fungera utan.