De laser begon als nutteloze vondst

Vijftig jaar geleden scheen het eerste laserlicht op de wereld. Niemand wist toen wat ermee te doen. Dat veranderde snel. Bennie Mols

Maandagmiddag 16 mei 1960. Theodore Maiman en zijn assistent Irnee D’Haenens staan klaar voor de eerste test van hun robijnlaser. Het apparaat ziet er bedrieglijk eenvoudig uit. In een aluminium omhulsel niet groter dan een drinkglas zit een robijnstaaf met spiegelende uiteinden. Daaromheen is een spiraalvormige flitslamp gedraaid, de krachtigste die verkrijgbaar was.

Negen maanden werkte Maiman aan het ontwerp, in het geniep. Zijn werkgever, Hughes Research Laboratories in Californië, zag niets in de poging om een robijnlaser te bouwen. Dat was omdat Arthur Schawlow, een topnatuurkundige bij het concurrerende Bell Labs, had voorspeld dat het met robijn niet kon. Vrijwel alle laseronderzoekers geloofden hem. Het Hughes-management ook. Maiman had Schawlows voorspelling echter uitgeplozen en was er van overtuigd dat zijn concurrent het bij het verkeerde eind had.

Terwijl het machtige Bell Labs gelooft dat het zelf spoedig de eerste laser zal demonstreren, schroeven Maiman en D’Haenens de elektrische spanning op de flitslamp langzaam op. Een krachtige flits moet uiteindelijk laserlicht uit de robijnstaaf persen. Ze kijken op de oscilloscoop, die het uitvoersignaal van de robijnlaser analyseert. Wanneer ze de teller boven de 950 volt draaien, gebeurt het.

‘Het uitvoersignaal op de oscilloscoop schiet razendsnel omhoog en meteen weer snel omlaag. De voorspelde piek. Voilà, dit is het. De laser is geboren.’ Zo beschrijft Maiman die allereerste laserpuls in zijn autobiografie The Laser Odyssey.

GOUDSMIT

Ruim een maand later stuurt Maiman het manuscript voor een wetenschappelijke artikel dat zijn primeur beschrijft het tijdschrift Physical Review Letters, eerste keus voor doorbraken in de natuurkunde. De Nederlander Samuel Goudsmit heeft het tijdschrift in 1958 opgericht en is nog steeds hoofdredacteur. Goudsmit bedacht in 1925 in Leiden samen met George Uhlenbeck het concept van de elektronenspin en emigreerde twee jaar later naar de VS. Hij is iemand van de fundamentele natuurkunde, niet van de toepassingen.

Goudsmit krijgt Maimans artikel op 24 juni 1960 onder ogen en stuurt het vrijwel meteen terug, met de opmerking ‘Het zou beter zijn uw artikel ter publicatie aan te bieden aan een tijdschrift over toegepaste natuurkunde, waar het op een geschikter publiek zou kunnen rekenen.’ Het is een van de grootste blunders uit de geschiedenis van het prestigieuze tijdschrift.

“Goudsmit heeft het compleet verknald! Overduidelijk bleek dat hij gewoon niet begreep wat voor een grote prestatie Maiman had geleverd. En hij was later niet mans genoeg om te zeggen: O, dat heb ik gemist.” Dat zegt de in lasers gespecialiseerde journalist Jeff Hecht – auteur van het boek Beam, The race to make the laser – over de weigering.

Binnen enkele weken reproduceerden andere onderzoeksgroepen Maimans robijnlaser. Feest voor Maiman, zou je denken. Maar hij moest vechten voor erkenning. Allereerst toonde het machtige Bell Labs zich een slecht verliezer. Het had op papier de beste onderzoekers en stopte het meeste geld in het laseronderzoek. Vanaf het begin af aan kleineerde Bell Labs Maimans prestatie.

ERKENNING

Bovendien ontbrandde een strijd om het geestelijke vaderschap van de laser. In 1958 hadden Charles Townes en zijn zwager en Bell Labs-onderzoeker Arthur Schawlow een baanbrekend wetenschappelijk artikel gepubliceerd dat beschrijft hoe een laser in principe moet werken. De stap van theorie naar praktijk bleek weerbarstig. Het artikel van Townes en Schawlow gaf alleen het startschot voor de race om de eerste laser.

Spoedig bleek dat nóg iemand had de laser theoretisch bedacht: Gordon Gould. Waar Townes en Schawlow voor de wetenschappelijke erkenning gingen en die ook kregen – een Nobelprijs in respectievelijk 1964 en 1981 – ging de tamelijk onbekende Gould voor het grote geld. Hij had zijn laserontwerp in een notitieboekje opgeschreven en er een notaris er een officieel datumstempel in laten zetten: 13 november 1957. Hij vroeg echter geen patent aan, omdat hij (ten onrechte) dacht dat hij daarvoor een werkende laser moest demonstreren.

Townes en Schawlow dienden namens Bell Labs op grond van hun theorie in juli 1958 wel een patentaanvraag in. Gould ontdekte zijn misser en volgde in april 1959. Het patent ging in maart 1960 naar Townes en Schawlow. Er volgde een bijna dertig jaar lange patentenoorlog, waarin Gould in 1987 uiteindelijk toch aan het langste eind trok.

Maimans briljante ingenieurswerk is nooit op zijn juiste waarde geschat. “Terugkijkend”, zegt Hecht, “hadden Townes en Maiman samen de Nobelprijs moeten krijgen, de een voor het idee, de ander voor de uitvoering, maar dat is helaas niet gebeurd.”

De toekomst

De uitvinders van de laser hadden niet kunnen voorspellen dat het apparaat zo succesvol zou worden. Nadat Theodore Maiman de eerste laserpuls had gecreëerd, noemde zijn assistent Irnee D’Haenens de laser enigszins gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. Een prachtprestatie, dat laserlicht, maar wat moest je er nu mee doen?

Vijftig jaar later vuren dagelijks miljoenen lasers hun laserstralen af op cd’s en dvd’s. Medici zetten er losgelaten netvliezen mee vast. Kassabedienden scannen streepjescodes met infraroodlasers. Telefoontjes en emails schieten razendsnel door glasvezelkabels, verpakt in laserpulsen.

In de wetenschap heeft de laser grote invloed gehad. Acht Nobelprijzen gingen naar laseronderzoek, van het koelen van atomen tot het in beeld brengen van ultrasnelle chemische reacties.

GEORDEND

Het geheim van laserlicht is dat het zo extreem netjes in ruimte en tijd geordend is. Laserlicht bestaat uit golven met precies dezelfde golflengte, die precies in dezelfde richting lopen en ook nog eens perfect in de pas: golftoppen vallen precies over golftoppen, golfdalen precies over golfdalen. Heel anders dan lampen die altijd licht uitzenden van meerdere golflengten die nooit exact in dezelfde richting lopen.

In vijftig jaar tijd heeft Maimans allereerste laser vele familieleden erbij gekregen. Met verschillende kleuren en golflengten, van infrarood tot ultraviolet en röntgenlasers. Maar ook met zeer uiteenlopende vermogens, van zwakke laserpointers met een vermogen van minder dan een milliwatt, tot ultrakrachtige petawattlasers (1015 watt) die worden gebruikt voor onderzoek naar het opwekken van kernfusie met laserlicht.

Toch is de laser nog lang niet uitontwikkeld. Het apparaat kan nog kleiner worden, nog kortere pulsen maken en nog kortere golflengten.

Het veelbelovendst is waarschijnlijk de verdere miniaturisering van de laser. De tot nu toe kleinste laser stamt uit 2009. Hij produceert zichtbaar laserlicht in een puntje van vijf nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). Dat is kleiner dan een enkel eiwit. Veel laseronderzoekers verwachten dat de laser binnen tien jaar een lichtpuntje kan maken niet groter dan een nanometer; honderden malen kleiner dan de golflengte van het licht zelf.

Rust een microscoop uit met zo’n nanolaser en hij biedt de mogelijkheid om de belangrijkste informatie van biomoleculen als RNA of DNA, hun basevolgorde, direct af te lezen. Die basen zijn veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Vandaar dat een gewone lichtmicroscoop ze niet kan zien. Maar dat lukt wel wanneer hetzelfde licht uit een opening komt die kleiner is dan een base.

Daarnaast bieden nanolasers ook grote mogelijkheden om digitale informatie op een nog kleinere oppervlakte op te slaan. Een dunner pennetje kan immers fijner schrijven.

Ten slotte zetten nanolasers een stap in de richting naar nog snellere computers. De computers van deze tijd zijn gebaseerd op elektronica. Een computer die informatie grotendeels met licht (fotonica) verwerkt in plaats van met elektronen, zou veel meer informatie per seconde kunnen verwerken. Om van elektronicagebaseerde computers geleidelijk over te stappen op lichtgebaseerde computers, zou steeds meer elektronica door fotonica moeten worden vervangen. Dat kan alleen als er een handige manier is om de elektronica met de fotonica te laten praten. Nanolasers bieden die mogelijkheid. Laserpuntjes ter grootte van een nanometer hebben namelijk dezelfde orde van grootte als de golflengte van een elektron. Dat betekent dat er een natuurlijke koppeling ontstaat tussen elektronica en fotonica en dat beide informatie met elkaar kunnen uitwisselen.

ATTOSECONDE

Een tweede fundamentele ontwikkeling – naast de miniaturisering – ligt in het verkorten van de pulsduur van gepulste lasers. Gepulste lasers zijn onder andere handig om razendsnelle bewegingen te ‘fotograferen’. De pulsduur is dan zoiets als de flitsduur bij een fotoapparaat of een stroboscoop. Hoe korter de pulsduur, hoe scherper de laser snelle bewegingen in beeld brengt. De snelste lasers genereren nu pulsen met een duur van een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde: een femtoseconde (10-15 seconde). Maar als de huidige ontwikkelingen in hetzelfde tempo doorzetten, dan behoren attosecondelasers binnen tien jaar tot de standaard wetenschappelijke gereedschapskist. Zij produceren pulsen die nog eens een factor duizend korter zijn: een attoseconde (10-18 seconde).

Het mooie is dat een attoseconde de natuurlijke tijdschaal is van elektronen die in een atoom rond de kern bewegen. Zo cirkelt het ene elektron van een waterstofatoom in honderdvijftig attoseconde rond zijn kern. En bovendien komt een attoseconde ongeveer overeen met de tijd die het licht zelf nodig heeft om de diameter van een atoom te doorkruisen. Daarom kunnen attosecondelasers in principe stroboscopische opnamen maken van het gedrag van elektronenwolken tijdens een chemische reactie. Daarmee kunnen wetenschappers chemische reacties beter begrijpen en hopelijk ook beter naar hun hand zetten.

RÖNTGENLASER

Naast het verkleinen van de laser en het verkorten van de pulsduur, zit een derde fundamentele laserontwikkeling in het verkorten van de golflengte. Waar de pulsduur van de laser bepaalt hoe snel de bewegingen mogen zijn die je nog kunt fotograferen, bepaalt de golflengte van het laserlicht hoe klein de structuren kunnen zijn die de laser nog kan fotograferen. Hoe korter de golflengte, hoe groter de resolutie.

Sinds de uitvinding van de laser is voortdurend geprobeerd om de golflengte te verkorten. Daar is echter steeds meer energie voor nodig. En dat is de reden dat röntgenlasers, met een veel kortere golflengte dan zichtbaar licht en zelfs nog korter dan ultraviolet licht, al snel een fabrieksgebouw groot zijn. In 2009 is in de Verenigde Staten de Linac Coherent Light Source (LCLS) aangezet. En vanaf 2014 zou de Europese concurrent, de X-ray Free Electron Laser (XFEL) bij het Duitse Hamburg, zijn eerste röntgenlaserlicht moeten produceren.

BIOMOLECULEN

Met dit röntgenlaserlicht willen wetenschappers de atomaire details van virussen en eiwitten in beeld brengen, de moleculaire samenstelling van cellen, driedimensionale plaatjes van de nanowereld maken en chemische reacties bestuderen. Voor de studie van biomoleculen biedt röntgenlaserlicht een groot voordeel boven gewoon, niet-coherent röntgenlicht. Onderzoekers hoeven niet eerst een kristal van de biomoleculen te maken - iets wat voor veel van zulke moleculen in de praktijk zeer lastig is gebleken. Ze kunnen de moleculen in een bundel röntgenlaserlicht brengen en hun driedimensionale structuur in kaart brengen. Zo kunnen de nieuwe röntgenlasers een nieuwe kijk bieden op precies die moleculen die in de levenswetenschappen van cruciaal belang zijn.

Laserpionier en Nobelprijswinnaar Charles Townes verwachtte in 1960 alleen maar lasertoepassingen op het gebied van communicatie en in de wetenschap. Van de belangrijkste laserpioniers is hij een van de weinige nog levende. In juli van dit jaar hoopt Townes 95 te worden. “Vele toepassingen van de laser had ik nooit kunnen bedenken”, zei hij in een recent interview. “Ik had bijvoorbeeld nooit gedacht dat de laser zo’n belangrijk instrument in de geneeskunde zou worden. Het is enorm bevredigend om te weten dat vele ogen van mijn vrienden gered zijn door de laser.” Alles lijkt erop dat de toekomst van de laser minstens zo rijk gaat zijn als de geschiedenis.