Lasers stralen overal

Lasers zijn hard op weg het wonderwerktuig van de twintigste eeuw te worden. In de wetenschap, de industrie, de chirurgie en de kunst - overal doen ze het beter dan het traditionele gereedschap.

Er is geen technologie die zoveel verschillende toepassingen kent als de laser. Het instrument wordt gebruikt voor metingen en analyses, het bewerken van materialen, holografie, het opsporen van milieuverontreinigingen, medische chirurgie, telecommunicatie, de digitale opslag van grote hoeveelheden informatie en als lichtbron in printers. En nog altijd lijken de mogelijkheden niet uitgeput. De verwachting is dat de prijs van lasers de komende jaren sterk zal dalen. "Een duidelijke trend is de ontwikkeling van goedkope, uiterst krachtige halfgeleiderlasers,' zegt dr. David Kerr van de Technische Universiteit van Loughborough in Engelse Midlands.

De eerste lasers waren vaste stof-lasers. Werd aanvankelijk een robijnstaaf gebruikt om een laserstraal op te wekken, later lukte dat ook met metaaldampen, chemische verbindingen en met een speciaal soort glas dat met het onedele metaal neodynium wordt vermengd. Toch maken de meeste lasers nog altijd gebruik van gasmengsels, vooral helium-neon. Er is bijna geen onderzoekslaboratorium waar geen He-Ne-laser als meetinstrument staat opgesteld. Omdat elke stof of gas energie uitstraalt in een ander deel van het elektromagnetisch spectrum, kunnen lasers voor een groot aantal industriële toepassingen worden gebruikt. De CO2-laser bijvoorbeeld kan alles op aarde, inclusief diamant, laten smelten. Maar ook vaste stof-lasers leveren bijzonder veel energie, genoeg om staal te harden.

Spiegelend

Sterk in opkomst, zeker voor industriële toepassingen, zijn halfgeleiderlasers. Deze instrumenten zijn gebaseerd op dunne laagjes kristallijn materiaal die op elkaar zijn gestapeld. Een van die laagjes, die aan de achterzijde spiegelend is, zendt onder invloed van een elektrische stroom de laserstraal uit. De reikwijdte ervan is maar een paar centimeter, niet erg krachtig dus, maar daar staat wel tegenover dat het licht elektronisch geschakeld kan worden. Vandaar dat men vaak spreekt van laserdioden.

De uitdaging is nu om halfgeleiderlasers met hogere vermogens te ontwikkelen. Kerr (Loughborough): "Voor toepassingen met lage vermogens is de halfgeleiderlaser al bijna net zo geschikt als helium-neonlasers, maar in de toekomst zouden wel eens zeer krachtige halfgeleiderlasers kunnen worden ontwikkeld die niet alleen erg compact, maar ook erg goedkoop zijn.'

Kerr werkt vooral aan meet- en regeltoepassingen. Lasers kunnen in combinatie met holografie zeer nauwkeurig afwijkingen van instrumenten, rotatiesnelheden, kritische dimensies, slijtages en afwijkingen in de procesgang meten. Naast holografische interferometrie (waarbij een dubbel belicht hologram een indicatie geeft van mechanische veranderingen, bijvoorbeeld vóór en na het buigen van metaal) worden ook nieuwe methoden gebruikt, zoals Particle Image Velocimetry (PIV) en Speckle Pattern Interferometry, waarvoor nog goede Nederlandse vertalingen moeten worden gevonden. Deze technieken - de meting van het gedrag van kleine deeltjes in vloeistoffen - zijn volgens Kerr veelbelovend omdat ze kunnen worden gebruikt in plaats van ingewikkelde computermodellen.

Kunstwerken

Een weer heel andere toepassing van lasers - eveneens ontwikkeld in Loughborough - is het reinigen van gebouwen en kunstwerken. Het principe is eigenlijk heel simpel: de hitte van een vaste stof-laser (yttrium-aluminium-granaat-kristal vermengd met neodynium, kortweg Nd:YAG) wordt gebruikt om vuil dat zich op marmer en kalksteen heeft vastgezet te verwijderen. De zure regen heeft veel gebouwen en kunstwerken poreus gemaakt. Microben nestelen zich in het steen en laten koolstofresten achter. Richt men daar een laser op dan zal het vuil hitte absorberen en uiteindelijk loslaten. Een bijkomend voordeel is dat de laser net zolang blijft stralen totdat de schone onderlaag is bereikt: het laserlicht wordt dan weerkaatst. Een mooie toepassing, zo lijkt het, maar wel omslachtig: om een heel oppervlak te reinigen, moet de laser telkens een stukje worden opgeschoven.

"Het is monnikenwerk, jazeker,' lacht David Emmony van de Universiteit van Loughborough. 'We hebben heel lang gedaan over het schoonmaken van de waterspuwer van de kathedraal van Lincoln en kunstwerken in Liverpool.' Toch zijn er belangrijke voordelen boven traditionele reinigingsmethoden, zo verzekert Emmony. "Als U een gebouw zandstraalt of chemisch reinigt, haalt U niet alleen het vuil weg, maar ook een laagje steen. Van heel fijne details blijft vaak helemaal niets meer over. Het ziet er wel mooi schoon uit, bijna parelwit, maar restaurateurs willen dat niet meer.'

Ook voor het schoonmaken van kleine kunstwerken is de techniek uiterst geschikt. Traditionele reinigingstechnieken zijn volgens Emmony traag: met een luchtpenseel haakl je nog geen 12 vierkante centimeter per dag. Emmony zoekt nog naar mogelijkheden om de laser beter te bedienen. Het idee is om daarvoor glasvezel te gebruiken, zodat men de laser als een penseel in de hand kan houden.

Het principe van laserreiniging werd al meer dan dertig jaar geleden gedemonstreerd door Arthur Schawlow, een van de uitvinders van de laser. "Schawlow gaf in zijn tijd schitterende demonstraties,' zegt Emmony. "Als je op een ouderwetse typemachine een tikfout maakt zul je hem met Tipp-Ex moeten herstellen. Maar Schawlow richtte een enorme laser op die ene letter en brandde hem weg zonder het papier te beschadigen. Praktische toepassingen zijn uitgebleven, al heeft men ooit overwogen om met lasers gebitten schoon te maken.'

Anno 1993 lijkt de belangstelling voor laserreiniging groter dan ooit. De National Museums and Galleries van Merseyside hebben vorig jaar een Nd:YAG-laser aangeschaft voor het reinigen van stenen beeldhouwwerken. In Canada wordt met lasers oud sierwerk schoongepoetst. En onderzoekers van de Foundation for Research & Technology op Kreta en de National Gallery in Athene gebruiken een kryptonfluoride excimeerlaser (een gepulste gaslaser) om kaarsenwas, vernis, vetten en stofdeeltjes van op achttiende eeuwse ikonen te verwijderen.

Overigens heeft de laser nog een belangrijke toepassing in de kunst gevonden. The National Museums en Galleries in Merseyside gebruiken het instrument voor het driedimensionaal opmeten van beelden. Met die informatie kunnen speciale verpakkingen of zelfs replica's worden gemaakt zonder dat daarvoor mallen hoeven worden gebruikt. Steeds meer kunsthistorische musea overwegen voor tentoonstellingen replica's te gebruiken om duur verzekerde kunstwerken tegen slijtage te beschermen. Het opmeten van de kunstwerken (op een draaiend platform) gebeurt met een helium-neonlaser. De driedimensionale informatie wordt verkregen door trigonometrische berekeningen (driehoeksmetingen).

Logisch dat ook de textiel-industrie deze ontwikkelingen met belangstelling volgt: komt er een moment waarop de kleermakers van Savile Row in Londen de klant niet langer met meetlint ontvangen, maar hem rechtstreeks naar de "laserpaskamer' verwijzen? Technisch kan het. Peter Jones van de HUMAG Research Group van de Universiteit van Loughborough meet in opdracht van het modehuis Marks & Spencer jaarlijks enkele honderden Britten. Net als andere bevolkingsgroepen in Europa zijn ook de Engelsen sinds de Tweede Wereldoorlog gemiddeld 6 tot 10 millimeter gegroeid. Modefabrikanten zullen met deze trend rekening moeten houden. Het opmeten van het volledige lichaam van enkele honderden proefpersonen is echter tijdrovend: zelfs een ervaren antropometrist heeft voor het opmeten van een persoon nog altijd zo'n twintig minuten nodig. Met de Loughborough Anthropemetric Shadow Scanner (LASS) is dat nu secondenwerk geworden. LASS werkt in grote lijnen net zoals de eerder beschreven lasermeetsystemen. Een proefpersoon staat op een draaiend platform en wordt door licht beschenen. Niet door laserlicht, maar door vier lichtstrepen van een tungsten halogeen lamp. Uit de schaduwpatronen die op het lichaam vallen kunnen camera's en computers de radius van het lichaam afleiden. Jones: "Als je het hele lichaam met lasers zou willen opmeten, dien je de ogen tegen het laserlicht te beschermen. Dat hoeft nu niet.''

Omdat LASS rechtstreeks kan worden gekoppeld aan een CAD-programma (Computer Aided Design), zou kleding in de toekomst volautomatisch ontworpen kunnen worden. Maar het systeem kent nog andere toepassingen. Met Marks & Spencer en een bustehouderfabrikant probeert men in Loughborough door nauwkeurige metingen betere protheses te ontwikkelen voor vrouwen bij wie een borst geamputeerd is.

Foto's: Buisje van titaan dat met een Nd:YAG-laser in een gecontroleerde atmosfeer van stikstof en argon is omgesmolten tot een diepte van ongeveer 0,05 mm.Door de reactie van titaan met stikstof is een goudkleurige, zeer harde oppervlaktelaag ontstaan die titaannitride (TiN) bevat. Omgesmolten oppervlak combineert de goede eigenschappen van titaan en TiN: het is relatief licht en sterk, corrosievast en zeer slijtvast.

Omsmelten met behulp van een CO2-laser. Een stalen as is eerst door middel van thermisch opspuiten van een keramische laag (aluminiumoxide) van ongeveer 0,4 mm dikte voorzien. Vervolgens wordt een gedeelte van deze laag omgesmolten met het doel een porievrij oppervlak te verkrijgen. De as roteert met een omtreksnelheid van ca. 2 meter per minuut en de laser beweegt van rechts naar links, zodat een spiraalvormige baan wordt verkregen.

Met behulp van een eximeerlaser wordt een kunsstoffen weefsel bestraald. De laserbundel wordt via een rechthoekig diafragma en een lens op het weefsel geprojecteerd. Het weefsel is op een trommel gespannen die roteert. Door fluorescentie is het diafragma als een rode vlek op de lens zichtbaar. Ook tussen lens en weefsel vindt door ionisatie van de vochtige atmosfeer fluorescentie plaats. Het lichte gedeelte is bestraald, het donkere nog niet. Doel van de bestraling is om de kunsstofvezels enigszins te verruwen, waardoor kleurstoffen of andere deeltjes zich beter kunnen hechten aan de vezels.