Hur fungerar en laser? Populationsinversion och typer

En laser fungerar genom att energi pumpas in i ett förstärkningsmedium tills fler atomer är exciterade än oexciterade, så att varje passerande foton kan frigöra nya fotoner med samma våglängd, fas och riktning. Två speglar på var sin sida om mediet skickar ljuset fram och tillbaka så att förstärkningen växer för varje varv. Den ena spegeln släpper igenom en liten del av ljuset och den delen blir laserstrålen. Resultatet är ljus som är koherent, smalbandigt och nästan parallellt.

Vad står LASER för?

LASER är en förkortning av engelskans light amplification by stimulated emission of radiation. På svenska blir det ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning. Enligt Encyclopaedia Britannica myntade den amerikanske fysikern Gordon Gould ordet 1957. Gould sökte patent först 1959 och fick avslag eftersom Charles Townes och Arthur Schawlow redan hade lämnat in sin ansökan. Det första av hans fyra amerikanska grundpatent på lasern beviljades 1977.

Ordet bygger på en äldre förkortning. Maser står för microwave amplification by stimulated emission of radiation och beskriver samma princip för mikrovågor. Enligt tidskriften Physics World införde Townes och hans medarbetare termen maser 1955, ungefär ett år efter att den första masern hade byggts.

Vilka delar består en laser av?

Varje laser har tre grunddelar: en pumpkälla som tillför energi, ett förstärkningsmedium där ljuset förstärks och en optisk resonator som återkopplar ljuset. Förstärkningsmediet kan vara en gas, en kristall, en halvledare, en glasfiber eller en vätska med löst färgämne. Pumpkällan kan vara en blixtlampa, en elektrisk ström, en gasurladdning eller en annan laser. Resonatorn består i den enklaste formen av två speglar som står mitt emot varandra med mediet emellan.

Figuren visar principen. Pumpkällan lyfter atomerna i förstärkningsmediet till högre energi och ljuset studsar mellan den helreflekterande spegeln och utkopplingsspegeln. För varje passage genom mediet frigörs fler fotoner. Utkopplingsspegeln släpper ut en del av ljuset som en smal stråle medan resten skickas tillbaka för att hålla förstärkningen igång.

Speglarna skapar ingen energi själva. All energi i strålen kommer från pumpkällan, medan speglarna bara styr hur ljuset rör sig genom förstärkningsmediet.

Vad händer när en atom tar upp eller sänder ut ljus?

Atomer och molekyler kan bara ha vissa bestämda energier, så kallade energinivåer. När en foton träffar en atom kan atomen ta upp fotonen om fotonens energi exakt motsvarar skillnaden mellan två nivåer. Processen heter absorption och lyfter en elektron till en högre nivå. Atomen sägs då vara exciterad.

Exciterade tillstånd är instabila. Förr eller senare faller atomen tillbaka och sänder ut energiskillnaden som en ny foton i en slumpmässig riktning och vid en slumpmässig tidpunkt. Fenomenet kallas spontan emission och står bakom ljuset från glödlampor, lysrör och lysdioder.

Albert Einstein visade 1917 att det finns en tredje process. I artikeln Zur Quantentheorie der Strahlung i Physikalische Zeitschrift beskrev han hur en foton som passerar en exciterad atom kan få atomen att sända ut ytterligare en foton. Den nya fotonen får samma energi, fas och riktning som den som utlöste den. Processen kallas stimulerad emission. Einstein behövde den för att härleda Plancks strålningslag ur jämvikten mellan absorption och emission. Det dröjde sedan mer än 35 år innan någon byggde en apparat som utnyttjade processen.

Varje foton bär en energi som bestäms av våglängden. Rubinlaserns röda ljus på 694,3 nm motsvarar ungefär 1,79 elektronvolt per foton medan koldioxidlaserns 10,6 µm bara ger cirka 0,12 elektronvolt. Hur fotonenergin räknas fram går vi igenom i guiden om vad ljus är och hur fotoner fungerar.

Vad är populationsinversion och varför behövs den?

I ett material vid vanlig temperatur befinner sig de flesta atomer i grundtillståndet. En foton som går in i materialet träffar då oftare en atom som kan absorbera den än en atom som kan stimuleras att sända ut en ny foton. Ljuset försvagas på vägen i stället för att förstärkas.

Populationsinversion betyder att fler atomer befinner sig på den övre lasernivån än på den undre. Först i det läget vinner stimulerad emission över absorption så att ljuset växer genom mediet. Inversionen uppstår aldrig av sig själv i termisk jämvikt. Den måste skapas och hållas vid liv genom pumpning. Lasrar använder därför tre eller fyra energinivåer i stället för två.

Vad är skillnaden mellan en trenivålaser och en fyranivålaser?

I en trenivålaser slutar laserövergången i grundtillståndet. Rubinlasern är det klassiska exemplet. Pumpljuset lyfter kromjonerna i kristallen till högre energiband som utan ljusutsändning tömmer sig till en långlivad övre lasernivå. Laserövergången går därifrån ned till grundtillståndet. Grundtillståndet är fullt från början, så mer än hälften av jonerna måste lyftas innan inversion uppstår. Trenivålasrar kräver därför intensiv pumpning.

Hur långlivad den övre nivån är syntes redan i det första experimentet. Enligt HRL Laboratories klingade rubinens spontana glöd av under ungefär 3 millisekunder när Theodore Maiman pumpade kristallen svagt.

En fyranivålaser har en extra nivå under laserövergången. Laserövergången slutar på den extra nivån, som snabbt töms ned till grundtillståndet. Den undre lasernivån är därmed nästan tom hela tiden och inversion uppstår vid betydligt svagare pumpning. Nd:YAG och helium-neonlasern är vanliga exempel på fyranivålasrar.

Läroböcker anger ofta att bara fyranivålasrar kan lysa kontinuerligt. Regeln har undantag. Uppslagsverket RP Photonics Encyclopedia beskriver en rubinlaser som pumpades med blå laserdioder och gick i kontinuerlig drift, rapporterad 2019.

Hur pumpas en laser?

Pumpningen anpassas efter förstärkningsmediet. Maimans första laser pumpades av en spiralformad blixtlampa med xenongas som omslöt rubinkristallen. Kristaller som Nd:YAG kan pumpas med blixtlampor eller med laserdioder, eftersom Nd:YAG har bred absorption kring 800 nm. Fiberlasrar pumpas nästan alltid med en eller flera fiberkopplade diodlasrar. En ytterbiumdopad fiber kan till exempel pumpas vid 975 nm för att lysa vid 1030-1080 nm.

Gaslasrar pumpas oftast med en elektrisk urladdning genom gasen. I helium-neonlasern krockar exciterade heliumatomer med neonatomer och lämnar över sin energi. Neonet står sedan för själva laserövergången. Koldioxidlasern bygger på en liknande arbetsfördelning: urladdningen exciterar kväve som för över energin till koldioxid medan helium tömmer den undre lasernivån och leder bort värme.

Diodlasern är enklast att pumpa. En elektrisk ström genom en p-n-övergång i halvledaren får elektroner och hål att mötas och sända ut fotoner. Kristallens kluvna ändytor fungerar som speglar.

Verkningsgraden skiljer sig enormt mellan lasertyper. RP Photonics anger att laserdioder ofta omvandlar runt 50 procent av den elektriska effekten till ljus, ibland över 70 procent. Koldioxidlasrar når omkring 10-20 procent. Argonjonlasrar med hög effekt ligger långt under 0,1 procent och kan dra flera kilowatt el för att ge 10-20 watt ljus.

Vad gör den optiska resonatorn?

Resonatorn tvingar ljuset att passera förstärkningsmediet många gånger. Den bakre spegeln reflekterar så gott som allt ljus. Utkopplingsspegeln i andra änden är delvis genomsläpplig och släpper ut en bestämd andel varje varv. En helt reflekterande utkopplingsspegel skulle inte ge någon användbar stråle alls.

Lasern startar när förstärkningen under ett helt varv blir lika stor som förlusterna. Förlusterna kommer från ofullkomliga speglar, absorption, spridning och det ljus som avsiktligt kopplas ut. Under den gränsen, laserns tröskel, lyser mediet bara med svag spontan emission.

Mellan speglarna bildas stående vågor, så kallade longitudinella moder. Avståndet i frekvens mellan två närliggande moder är ljushastigheten delad med dubbla resonatorlängden. En tom resonator på 40 centimeter ger ett modavstånd på ungefär 375 megahertz. Lasern kan bara lysa på de frekvenser som både passar resonatorn och förstärks av mediet.

Varför är laserljus koherent, smalbandigt och har liten divergens?

Laserljusets tre kännetecken följer direkt av stimulerad emission och resonatorn. En glödlampa består av otaliga atomer som sänder ut fotoner oberoende av varandra i alla riktningar och över ett brett spektrum. En laser kopierar i stället samma våg om och om igen.

Koherent

Koherens betyder att vågorna svänger i takt med varandra. Varje foton som frigörs genom stimulerad emission får samma fas som den foton som utlöste den. Resonatorn förstärker sedan bara de vågor som passar mellan speglarna. Helium-neonlasern är känd för smal linjebredd och lång koherenslängd och används därför fortfarande i interferometrar och som frekvensstandard.

Smalbandigt

Laserljus innehåller ett mycket smalt våglängdsområde. Arthur Schawlow och Charles Townes visade 1958 att en resonator där bara ändväggarna är högreflekterande kan välja ut en enda mod och ge mycket monokromatiskt och koherent ljus. Principen används än i dag.

Liten divergens

All strålning sprids något på grund av ljusets vågnatur. För en idealisk laserstråle är halva spridningsvinkeln våglängden delad med pi gånger strålens radie vid midjan. RP Photonics räknar fram att en Nd:YAG-stråle på 1064 nm med 1 millimeters radie bara divergerar 0,34 milliradianer, vilket motsvarar 0,019 grader. Efter 100 meter har strålens radie då ökat med ungefär 34 millimeter. Ljuset från en glödlampa sprids åt alla håll.

Vem uppfann lasern?

Ingen enskild person uppfann lasern. Teorin kom från Einstein 1917 och tekniken växte fram i flera laboratorier under 1950-talet.

Charles Townes och hans kollegor vid Columbia University byggde den första masern 1954. Enligt American Physical Society använde masern en stråle av ammoniakmolekyler i en resonanskavitet och strålade på en våglängd strax över en centimeter med en effekt på omkring tio nanowatt.

Townes fick hälften av Nobelpriset i fysik 1964. De sovjetiska fysikerna Nikolaj Basov och Aleksandr Prochorov delade på den andra hälften. Motiveringen löd grundläggande arbete inom kvantelektroniken som lett till oscillatorer och förstärkare byggda på maser-laserprincipen.

I december 1958 publicerade Schawlow och Townes artikeln Infrared and Optical Masers i Physical Review. Artikeln beskrev hur maserprincipen kunde flyttas till infrarött och synligt ljus med en resonator på ungefär en centimeter och förstärkt kaliumånga som exempel.

Theodore Maiman och rubinlasern

Den första fungerande lasern lyste den 16 maj 1960 vid Hughes Research Laboratories i Malibu i Kalifornien. Theodore Maiman använde en syntetisk rubinkristall på ungefär 1 gånger 2 centimeter med försilvrade ändytor. Ett litet hål i den ena silverbeläggningen släppte ut ljuset. Vid låg blixtenergi syntes bara spontan glöd men när energin ökades kom plötsliga kraftiga pulser av stimulerad emission. Maimans korta rapport i Nature publicerades den 6 augusti 1960 och angav våglängden 6943 ångström, det vill säga 694,3 nm.

Helium-neonlasern och de första gaslasrarna

Ali Javan, William Bennett och Donald Herriott vid Bell Labs fick en helium-neonlaser att svänga den 13 december 1960. Strålen låg i det infraröda vid 1,15 µm och var kontinuerlig, inte pulsad. Herriott fick rikta in de plana speglarna med en noggrannhet på ett par bågsekunder. Resultatet publicerades i Physical Review Letters i februari 1961. Kort därefter byggde Alan White och Dane Rigden vid samma laboratorium den röda helium-neonlasern på 632,8 nm. Det är den varianten som används i dag.

Fler gaslasrar följde snabbt. William Bridges fick fram argonjonlaserns blå linje på 488 nm i februari 1964. Enligt Optics & Photonics News hade Kumar Patel en kontinuerlig koldioxidlaser på 200 watt i mitten av 1965.

Vilka typer av lasrar finns?

Lasrar delas oftast in efter förstärkningsmediet. Mediet bestämmer våglängden, effekten, verkningsgraden och om lasern passar bäst för kontinuerlig drift eller korta pulser.

Gaslasrar

Helium-neonlasern lyser oftast rött på 632,8 nm med några milliwatts effekt men har även linjer i grönt, gult, orange och infrarött. Koldioxidlasern lyser på 10,6 µm och ger från tiotals watt till många kilowatt. Argonjonlasern har sina starkaste linjer på 514,5 nm och 488 nm men ersätts i allt högre grad av frekvensdubblade diodpumpade fastatillståndslasrar. Excimerlasrar lyser i ultraviolett: argonfluorid på 193 nm, kryptonfluorid på 248 nm, xenonklorid på 308 nm och xenonfluorid på 351 nm.

Fastatillståndslasrar

Fastatillståndslasrar använder en kristall eller ett glas dopat med joner. Rubinlasern bygger på kromdopad korund och lyser på 694,3 nm. Alexandritlasern har också krom som aktiv jon men lyser vanligen mellan 0,7 och 0,8 µm. Inom dermatologin används främst 755 nm. Nd:YAG lyser på 1064 nm och kan frekvensdubblas till 532 nm. Er:YAG lyser på 2,94 µm och används inom tandvård och för hudslipning.

Diodlasrar

Diodlasern är en halvledarlaser som pumpas direkt med elektrisk ström. Materialet i halvledaren bestämmer våglängden. Galliumnitridbaserade dioder lyser i violett och blått kring 380-470 nm medan andra materialkombinationer täcker rött, nära infrarött och mellaninfrarött upp till omkring 3,4 µm. Dioder finns i optisk lagring, fiberkommunikation, laserpekare, avståndsmätare och medicinska apparater. Diodlasrar används också för att pumpa andra lasrar.

Fiberlasrar

En fiberlaser är en fastatillståndslaser där förstärkningsmediet är en optisk fiber dopad med sällsynta jordartsmetaller. Ytterbium ger ljus kring 1 µm, erbium kring 1,5 µm och tulium kring 2 µm. Högeffektsfiberlasrar ger hundratals watt och ibland flera kilowatt ur en enda fiber och har blivit ett standardverktyg för skärning och svetsning av metall.

Färgämneslasrar

Färgämneslasern har ett organiskt färgämne löst i en vätska som förstärkningsmedium. Färgämnen förstärker över ett brett våglängdsområde och lasern kan därför ställas in på tiotals nanometer. Med olika färgämnen täcks ultraviolett till nära infrarött. Inom hudvården används blixtlampspumpade pulsade färgämneslasrar på 585-595 nm mot kärlförändringar som portvinsfläckar.

Vilka lasrar används inom medicin och teknik 2026?

Tabellen sammanfattar vanliga lasertyper, deras våglängd och typiska användningsområden. Våglängderna kommer från RP Photonics Encyclopedia och från kunskapsdatabasen StatPearls.

Laser	Typ	Våglängd	Typisk användning
Helium-neon	Gas	632,8 nm	Inriktning, interferometri, frekvensstandard
Argonjon	Gas	488 och 514,5 nm	Näthinnebehandling, holografi, spektroskopi
Excimer (ArF)	Gas	193 nm	Synkorrigering av hornhinnan, litografi för halvledare
Koldioxid	Gas	10,6 µm	Skärning och svetsning, kirurgi, ablativ hudslipning
Rubin	Fast	694,3 nm	Tatueringar och pigment, pulsad holografi
Alexandrit	Fast	755 nm	Hårborttagning, tatueringar, pigment
Nd:YAG	Fast	1064 nm (532 nm dubblad)	Hårborttagning, materialbearbetning, Q-switchade pulser
Er:YAG	Fast	2940 nm	Hudslipning, tandvård
Diodlaser	Halvledare	Cirka 380 nm till 3,4 µm, ofta 810 nm i hudvård	Hårborttagning, telekom, datalagring, pumpning
Fiberlaser (ytterbium)	Fiber	Cirka 1030-1080 nm	Skärning och svetsning av metall
Pulsad färgämneslaser	Vätska	585-595 nm	Kärlförändringar som portvinsfläckar

Vad är skillnaden mellan kontinuerlig och pulsad laser?

En kontinuerlig laser, ofta kallad cw efter engelskans continuous wave, lyser med jämn effekt så länge den är påslagen. Helium-neonlasern är det klassiska exemplet. En pulsad laser samlar i stället energin i korta pulser. Toppeffekten i varje puls kan bli flera storleksordningar högre än medeleffekten.

Utan särskilda knep ger en blixtlampspumpad rubinlaser frilöpande pulser i storleksordningen en millisekund. Kortare pulser kräver att resonatorn styrs aktivt eller passivt.

Hur fungerar Q-switch?

Vid Q-switchning hålls förlusterna i resonatorn höga så att lasern inte kan starta medan pumpen fyller på energi i mediet. Förlusterna sänks sedan plötsligt. Den lagrade energin töms då på en gång i en jättepuls som brukar vara några nanosekunder lång och ofta bär millijoule även från små lasrar. Aktiv Q-switchning styrs elektriskt med en akustooptisk eller elektrooptisk modulator medan passiv Q-switchning använder en mättningsbar absorbator, till exempel Cr4+:YAG för lasrar kring 1 µm. Kristaller som Nd:YAG passar bäst eftersom deras övre lasernivå lagrar energi länge.

Vad är modlåsning?

Modlåsning låser fasen mellan resonatorns många longitudinella moder så att en enda kort puls cirkulerar mellan speglarna. Varje gång pulsen träffar utkopplingsspegeln lämnar en del av den lasern. Pulserna är typiskt mellan 30 femtosekunder och 30 pikosekunder långa och i extrema fall nere kring 5 femtosekunder. Upprepningsfrekvensen ges av hur lång tid ett varv i resonatorn tar.

Ultrakorta pulser med mycket hög intensitet var länge svåra att förstärka utan att förstöra optiken. Donna Strickland och Gérard Mourou delade halva Nobelpriset i fysik 2018 för sin metod att skapa intensiva ultrakorta optiska pulser.

Driftsätt	Typisk pulslängd	Exempel
Kontinuerlig (cw)	Ingen puls	Helium-neon
Frilöpande puls	Kring 1 ms	Blixtlampspumpad rubinlaser
Excimerpuls	Några ns, ibland kring 100 ns	ArF-laser på 193 nm
Q-switch	Nanosekunder	Nd:YAG, rubin
Modlåsning	30 fs till 30 ps, extremt ned mot 5 fs	Fiberlasrar, fastatillståndslasrar

Varför tas olika våglängder upp av vatten, melanin och hemoglobin?

Ljus gör bara nytta i vävnad om det absorberas. Hudens viktigaste ljusabsorberande ämnen kallas kromoforer: vatten, melanin och hemoglobin. Varje kromofor tar upp vissa våglängder mycket bättre än andra och lasern väljs efter vad som ska träffas.

Richard Anderson och John Parrish beskrev 1983 i Science principen selektiv fototermolys. Korta pulser av ljus som absorberas selektivt kan skada pigmenterade strukturer utan att omgivande vävnad tar skada. I deras försök skadade en puls på 577 nm och 0,3 mikrosekunder hudens små blodkärl selektivt. En puls på 351 nm och 20 nanosekunder träffade melanosomerna i melanocyterna.

Vatten absorberar starkt i det infraröda. Koldioxidlaserns 10 600 nm tas främst upp av vatten och enligt StatPearls absorberas Er:YAG-laserns 2940 nm 12 till 18 gånger kraftigare än koldioxidlaserns ljus. Båda förångar därför ett tunt ytskikt av huden.

Melanin är målet vid hårborttagning. Rubinlasern på 694 nm, alexandritlasern på 755 nm, diodlasern på 810 nm och Nd:YAG på 1064 nm används alla för att värma upp pigmentet i hårsäcken. Hemoglobin i blodet absorberar bra i det gula området. Pulsade färgämneslasrar på 585-595 nm används därför mot kärlförändringar. Hur djupt olika våglängder når i huden beskriver vi i artikeln om ljusets väg genom hud och vävnad.

Är laserljus farligt för ögonen?

Ögat samlar ljus till en liten fläck på näthinnan och en parallell laserstråle kan därför ge mycket hög intensitet just där. RP Photonics varnar för att redan en enda puls från en liten Q-switchad laser kan skada ögat. Den första pulsen efter ett uppehåll i ett pulståg kan bli särskilt kraftig.

I Sverige krävs tillstånd från Strålsäkerhetsmyndigheten för att använda laser i klass 3B eller 4 vid till exempel lasershower och på allmän plats. Tillstånd krävs också för starka laserpekare i klass 3R, 3B och 4. Strålsäkerhetsmyndighetens sida om laser anger att starka laserstrålar kan skada både ögon och hud. Vilka skador som kan uppstå och hur du skyddar dig går vi igenom i artikeln kan laser göra dig blind. Sök vård direkt om du fått en laserstråle i ögat och ser en fläck, suddigt eller förvrängt.

Vanliga frågor om hur en laser fungerar

Hur fungerar en laser enkelt förklarat?

En pumpkälla tillför energi till ett förstärkningsmedium så att fler atomer är exciterade än oexciterade. Fotoner som passerar mediet frigör då nya fotoner med samma våglängd och riktning. Två speglar skickar ljuset fram och tillbaka och en delvis genomsläpplig spegel släpper ut strålen.

Vad betyder förkortningen LASER?

LASER står för light amplification by stimulated emission of radiation. På svenska blir det ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning. Gordon Gould myntade ordet 1957 enligt Encyclopaedia Britannica.

Vad är populationsinversion?

Populationsinversion betyder att fler atomer finns på den övre lasernivån än på den undre. Inversionen behövs för att stimulerad emission ska vinna över absorption så att ljuset förstärks. Pumpningen skapar och upprätthåller inversionen.

Vem byggde den första lasern?

Theodore Maiman fick den första lasern att fungera den 16 maj 1960 vid Hughes Research Laboratories i Kalifornien. Lasern hade en rubinkristall som pumpades med en blixtlampa. Rubinlasern lyste rött på 694,3 nm.

Varför är laserljus så rakt?

Laserljus består av vågor i samma fas och riktning som förstärkts mellan två speglar. Spridningen begränsas bara av ljusets vågnatur. En idealisk Nd:YAG-stråle med 1 millimeters radie divergerar omkring 0,34 milliradianer.

Vad är skillnaden mellan Q-switch och modlåsning?

Q-switch lagrar energi i mediet och släpper ut den i en puls på några nanosekunder. Modlåsning låser fasen mellan resonatorns moder och ger pulser från omkring 30 femtosekunder till 30 pikosekunder.

Var används diodlasrar?

Diodlasrar finns i allt från fiberkommunikation och optisk lagring till laserpekare, avståndsmätare och medicinska apparater. Diodlasrar används också för att pumpa många andra lasrar.

Varför har lasrar olika våglängd?

Våglängden bestäms av energiskillnaden mellan de nivåer i förstärkningsmediet där laserövergången sker. Olika medier ger därför olika färger, från 193 nm i excimerlasrar till 10,6 µm i koldioxidlasrar. Inom medicinen väljs våglängden efter vilken kromofor som ska träffas.

Läs vidare på Laser.nu

Källor

Källorna kontrollerades 14 oktober 2026.