Ljus
Storleken på en atom är ungefär 10-7 mm, det vill säga 0,0000001 mm, medan våglängden på ljuset är omkring 0,0005 mm: det betyder att våglängden på ljus är 5000 gånger större än atomen. Om en atom gjordes lika stor som jorden, skulle ljuset i samma skala endast innehålla två vågdalar och två vågtoppar på avstånd mellan jorden och solen.
På 1600-talet kom Isaac Newton fram till att ljus är en ström av små partiklar, det vi i dag kallar fotoner. Länk. Länk.
På 1800-talet gjorde emellertid Thomas Young försök, som bevisade att ljus måste vara vågor. Young gjorde ett försök att skicka en ljusstråle genom två smala parallella spalter. Ljuset fångades upp på en vägg. I stället för att det bildades två ränder på väggen, efter förväntning, bildades flera ränder. Förklaringen var att ljuset uppförde sig som vågor, vilket orsakade interferensmönster: ibland tog vågorna ut varandra, ibland förstärkte de varandra. Länk. Ref.: Illustrerad Vetenskap 5/96.
I början på 1900-talet la Einstein fram teorier om att ljuset helt riktigt sprider sig som vågor, men så snart det växelverkar med materia, ska det uppfattas som en ström av fotoner.
Att det rör sig om små energipaket, kvanta, bevisas genom att man dämpar ljuskällan. I stället för ett svagt interferensmönster likt ovan uppstår, kan man i stället se de enstaka fotonerna.
Då ljuset går från ett mjukt material till ett hårt (t ex från luft till glas), böjs det enligt vänstra figuren. Nu har forskarna gjort ett material, där ljuset böjs åt fel håll (högra figuren). Materialet består av en mängd kopparstrukturer. Ref.: Ny Teknik 15-16/04.
Lasrar
Ljus från en ljuskälla svänger med alla möjliga våglängder i alla möjliga riktningar med alla möjliga orienteringar av vågornas riktningar. Vågorna är inte polariserade.
Ljus mellan två parallella speglar, där den ena spegeln är något genomskinlig, skapar i stort sett parallella ljusstrålar.
Om ett lämpligt material placeras mellan dessa speglar och man pumpar in energi i materialet, skickar materialet ut en våglängd.
Ljusknippet kan aldrig vara absolut parallellt, eftersom speglarna aldrig går att göra absolut parallella. Det är alltså fel uppfattning att laserljus inte sprids: det sprids. En laserpuls mot månen har kanske spritt sig ett par centimeter.
Energin som man pumpar upp lasern med är ljus. Som jag nämnde tidigare pumpar man upp elektroner till ett exciterat tillstånd med energi. Pumpningen kan ske med en fotoblixt: ljuspulsen ur lasern blir därmed kortvarig. Pumpningen kan också ske med en stark lampa med kontinuerligt ljus: ljusflödet ur lasern blir då kontinuerligt.
Om ett lämpligt material sätts in mellan speglarna, hoppar elektronerna bara upp till ett enda slags exciterat tillstånd. De avger då bara en sorts våglängd. Materialet kan vara en gas (argon eller krypton) eller ädelsten (rubin).
En diodlaser är billigare, men ljussvagare än ovan nämnda. Den har inte heller så koncentrerad ljusstråle.
Man pumpar upp en diodlaser med spänning. Man kan ha diodlasrar till CD, trafikljus och bilstrålkastare. Med den tidigare nämnda typen kan man göra hologram, mäta och svetsa.
Då elektronerna hoppar ner från sitt exciterade tillstånd, avges ett ljus med en enda storlek på våglängd: denna ljuspuls påverkar intillvarande atomer. Eftersom den ena spegeln bara är svagt genomskinlig kommer en ljuspuls att gå många gånger fram och tillbaka genom materialet, innan den slutligen går igenom spegeln. För att få en förstärkning av strålen måste avståndet mellan speglarna stämma med våglängden (multipel eller del av våglängden). Förutom att ljusstrålen då är parallell, svänger vågorna i samma fas och i samma plan (är polariserat lika).
I en CD-spelare avläses informationen genom reflexion mot skivan. Olika djup i skivan gör att reflexionen kan slå på en halv våglängd: det blir antingen en signal eller ingen (en digital etta eller nolla). Om inte ljuset hade svängt i fas och varit polariserat, hade man inte kunnat läsa av en halv våglängds skillnad. Då man “bränner” en CD, bränns ytlagret på silver- eller guldytan bort och hoppar in i den intilliggande plasten. En CD som är återinspelningrbar har en magnetisk yta: laserstrålen värmer materialet tills det blir omagnetiskt, varvid informationen raderas.
Men jag måste nämna: CD och DVD varar inte för evigt. När jag kopierar ett VHS-band till ett annat, fick jag alltid en kopia, men med sämre kvalitet. Men när jag kopierar en CD och DVD till en annan, kan man få en perfekt kopia, men en repa eller damm kommer också att kopieras, så filmen eller ljudet blir hackigt. Så det är inte säker en CD eller DVD-kopia blir oförminskad kvalitet.
Sedan lägger återinspelningsbara DVD-skivor (W) av på löpande band: när jag försöker titta på fem års gamla inspelningar, är ungefär 1% är inte längre möjligt att spela. Information hackar eller är helt borta. Inget program eller ingen spelare kan rädda informationen. Ingenting av detta händer med mina gamla VHS-band.
Och blue Ray har inte bättre kvalitet.
Jag talar inte om färdigköpta filmer och musik, för ingen av dessa skivor har lagt av än.
Det är enkelt att få en diodlaser att avge rött ljus. Då man vill packa informationen på CD-skivor vill man ha blått eller ultraviolett ljus. En sådan diodlaser tappar energin då den blir varm.
En lysdiod som ska sända ut blått ljus har hittills varit dyr. Lysdioder som används till platta skärmar, som då måste bestå av röda, gröna och blå små punkter. Stefan Spiekermann har emellertid kommit på, att om man i änden på en infraröd laser sätter på “fördubblingskristaller” (V-etsade spår i en kiselplatta), så ändras det röda ljuset till blått. Ref.: Ny Teknik 42/01.
Shuji Nakamara har varit anställd hos Nichia Chemicals, men är numera anställd på University of California. Där uppfann han en blå lysdiod, en blå laserdiod, en grön lysdiod samt en vit lysdiod. Den sistnämnda anses ersätta glödlampan. Han får det finska milleniumpriset på 10 miljoner kronor. Nichia dömdes att betala 1,3 miljarder kronor till honom. Ref.: Ny Teknik 21/06.
Man har byggt en laser av Rydbergsmateria (tidigare nämnt). Med hjälp av ett gitter kan man reglera våglängden, som i huvudsak är inom det infraröda området. Ref.: Forskning & Framsteg 4/03.
Hologram
Atomlaser
Medan fotonen gärna slår sig samman till strålar, är det svårt att samla partiklar till strålar. Partiklar stöter i allmänhet bort varandra: det är därför man kan placera ett fast ämne ovanpå ett annat.
Lösningen till att skapa en atomlaser var att kyla ner materialet till Bose-Einstein-kondensat (tidigare nämnt): alla atomer svänger då i samma takt. Vid ett lyckat försök sänkte man temperaturen på natrium till en miljarddel över absoluta nollpunkten: atomerna har därvid inte energi nog att svänga i olika plan. Därpå sände man en svag radiovåg genom gasen, tillräckligt svag för att slunga ut klumpar av materia, men utan att värma kondensatet. Man förväntar sig att kunna konstruera i nanoteknik, det vill säga designa i atom-storlek med denna atomlaser.
Med samma teknik kan man styra strålen så pass, att man kan bygga mikrochips och rita bokstäver: det vill säga att mikrochipsen blivit så små, att man kan utforma dem som bilder (genom att placera atomerna rätt). Ref.: Illustrerad Vetenskap 15/00.
Röntgenstrålar
Som bekant går röntgenstrålarna genom de mesta material: endast tjocka blyplåtar eller betongväggar hindrar vågorna. Det betyder i sin tur att det är svårt att fokusera strålarna. Det är emellertid nödvändigt att fokusera dem, om man ska få en någorlunda klar bild av fjärran objekt i våglängden för röntgenvågor. Satelliter måste kunna fokusera strålarna. Detta går inte att göra med en spegel: röntgenstrålar går nästan obehindrat genom spegeln.
Men som bekant påverkar material röntgenstrålar en liten aning: det är därför man kan se skelettet framträda mot andra organ på röntgenbilder.
Det finns inget material som reflekterar en röntgenstråle som en spegel. Däremot kom man på, att en metallyta kan reflektera en röntgenstråle, om strålen kommer i en mycket flack vinkel. Genom att kombinera flera konformade rör, kan man fokusera röntgenstrålarna. Man kan på detta sätt få en någorlunda detaljrik bild av objekt som sänder ut röntgenstrålar, men den kan aldrig bli så detaljrik som ett normalt foto.
Det finns röntgen-teleskop som är byggt som den understa bilden visar, med de fyra första rören utformade paraboliska och de fyra sista hyperboliska. Varje rör böjer strålarna mindre än 2°. Detta leder till att teleskopet måste vara 10 meter långt. Kameran består av 69 miljoner små glasrör av blyoxid: då de träffas av röntgenstrålning, avges elektroner, som är lätta att mäta. Satelliten gå i en bana som går mellan 10 000 och 140 000 km över jorden. Ref.: Illustrerad Vetenskap 4/99.
Linköpings universitet kan belägga glas med mängder med atomtjocka skikt och få lagren jämntjocka. Det är inga problem med att belägga en plan yta med ett atomlager: atomerna lägger sig snyggt och prydligt, som ett lager spelkulor i botten på en spann. Det är inte heller något problem att lägga på ett andra och ett tredje lager atomer (detta gör t ex Maxlab i Lund). Men Linköpings universitet lyckas lägga 1200 lager med atomer snyggt och prydligt. Hemligheten är att efter varje pålagt lager med atomer, som sker i vakuum, att knuffa till atomerna, så de som inte riktigt hamnat på plats knackas in. Genom att lägga några lager med krom, några med scandium, därpå krom igen och så vidare, får man en perfekt röntgenspegel. Varje olika skikt mellan de två metallerna reflekterar en liten del av röntgenstrålningen. Genom att låta tjockleken på skikten motsvaras av röntgens våglängd, kommer de reflekterade strålarna i fas. Därmed kommer man förhoppningsvis att kunna se atomerna i hela celler, eventuellt levande celler. Ref.: Nova våren 2003.
