Laser som en kerne-teknologi i den moderne verden og fremtiden

Laserens potentiale

Siden den første laser blev bygget i 1960, og forskerne bag den fysik, der gjorde den mulig, blev belønnet med Nobelprisen i fysik i 1964, har teknologien fortsat fundet nye anvendelser. Laser anvendes almindeligt til:

• gravering & trykning,
• fiberoptisk kommunikation,
• optiske diske,
• semikonduktorfremstilling,
• kirurgi,
• sundhedsbehandling,
• målinger,
• militær målretning.

På baggrund af dette kan de nærmeste år endda blive afgørende i fremstillingsprocesser (svejsning, 3D-print), satellittelekommunikation, fremdrift af rumskibe, bioteknologi, computing (photonik), kernesfusion og endda våben.

Laserprincipper

Laser er en forkortelse, der står for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling). Hovedideen bag laserteknologi er at producere “koherent” lys i stedet for almindeligt lys.

Koherente lysstråler skaber et meget smalt lys ved en enkelt bølgelængde, som ikke spreder sig over lange afstande.

Kilde: Britannica

Måden at skabe en laser på er at stimulere emitterens atomer, som normalt er lavet af gas, men kan også være væske eller fast stof, så de udsender lys, og det meste af dette lys fastholdes og reflekteres inde i laseren, indtil det kan slippe ud som en koherent lysstråle.

Kilde: University of Kwazulu-Natali

Laser kan fremstilles til et bredt udvalg af lysbølgelængder, hver med sit eget materiale til at producere lyset, hvilket ændrer deres funktion. Forskellige bølgelængder vil bære forskellige energiniveauer og absorberes forskelligt afhængigt af det målrettede materiale.

For eksempel kan der i medicin anvendes mange forskellige laserer afhængigt af målet.

Kilde: University of Kwazulu-Natali

Forbedring af laserteknologi

Gennem årene har laserer forbedret sig markant. Nye materialer har øget de tilgængelige bølgelængder, med CO₂, rubin, titanium-safir og kvantepriklaser (som selv vandt Nobelprisen i fysik i 2023).

Dette åbnede muligheden for ultrakorte pulslaser, såvel som laserer finjusteret til specifikke anvendelser inden for fremstilling og medicin.

Lavstrømslaser blev hurtigt billige nok til at blive integreret i stregkodescannere i 1970’erne. Senere blev de brugt til at læse data gemt på CD’er og senere DVD’er og Blu-Ray-diske.

Kilde: Laser Warfare

Laseranvendelser

Infinitesimale tidsobservationer

En af anvendelserne af ultrakorte laserpulser er at “belyse” et mål meget kortvarigt, i størrelsesordenen femtosekund, en million af en milliardtedel af et sekund.

Dette gør observationen af fænomener som molekylære kemiske reaktioner, som tidligere blev betragtet som øjeblikkelige, mulig.

Kilde: Nobel Prize

Yderligere fremskridt åbner endda et helt nyt videnskabeligt felt, attosekundvidenskab (1/1000 af en femtosekund). Med den kan forskere studere elektron-dynamikken inde i atomer og molekyler, og materie i den kondenserede fase kan undersøges.

Gravering & Fremstilling

Laser kan bruges til at skære i materialer meget præcist. Problemet er dog, at for lang brug af laserens stråle hurtigt opvarmer materialet, hvilket skaber skadelige chokbølger. For kraftige laser eller materialer, der kræver ingen fejl, var dette et problem.

Forbedrede femtosekundlaser udfører stadig graveringen, men er korte nok til ikke at overophede, hvilket fjerner dette problem.

Kilde: Nobel Prize

I dag anvendes laser rutinemæssigt til boring, skæring, mærkning, teksturering og svejsning af metaller samt plast, træ, glas osv.

“Mange af nutidens fremstillede dele kræver mikroskopiske funktioner, som kun kan skabes med laserboring.

Meget små, komplekse funktioner kan produceres i en række materialer med metoder såsom direkte skrivning, trepanning og maskprojektion, uden varmeeffekter eller materialeskade.

Matt Nipper, direktør for engineering for Laser Light Technologies, nu en del af Spectrum Plastics.

Moderne lasermaskiner styres gennem avanceret software på samme måde som CNC-maskiner. Laserfremstillingsværktøjer spænder fra små desktop-enheder, der koster nogle få tusinde dollars, til fabrikstørrelsesmaskiner til flere millioner dollars.

Laser kan endda være så præcise, at de nu bruges til at fjerne isolering fra ledninger.

“Isolering kan fjernes med en tolerance på 0,005 tommer. Afisolering kan programmeres til at afablere isolering på ethvert punkt langs ledningen, hvilket muliggør højpræcisions fjernelse midt på ledningen.”

Matt Nipper, direktør for engineering for Laser Light Technologies, nu en del af Spectrum Plastics.

 3D-Print

Mange 3D-printere bruger en laser til at smelte plasten eller metallet, der bruges til at danne det endelige 3D-printede produkt. Dette inkluderer laser-bed fusion, en teknik, der kan blive endnu mere præcis og kraftfuld ved at bruge en ringformet laserstråle.

Kilde: International Journal of Machine Tools and Manufacture

To laserer samtidigt kunne også blive en standardopsætning for at fremskynde den additive fremstillingsproces.

Generelt, efterhånden som 3D-print bliver en stadig større del af fremstillingsprocesserne, som diskuteret i “3D-Print Konsoliderer i Fremtidens Fremstilling”, kan vi forvente, at efterspørgslen efter laserer også vil stige.

Medicinske anvendelser

Laserens intense lys kan bruges til at skabe laser-plasmaacceleration, som accelererer partikler som protoner og elektroner til ekstreme energiniveauer. Disse kan anvendes til strålebehandling, hvor lasererne muliggør maskiner, der er små nok til at passe ind i et hospitalsmiljø, i modsætning til partikelacceleratorer, der er meget større og mere omfangsrige.

Ultrafaste laserer bruges også til øjenkirurgi, fra LASIK-kirurgi, der fjerner behovet for briller, til fotokoagulation for at behandle diabetisk retinopati (sygdomme i nethinden).

Kilde: Nobel Prize

Laser kan bruges til hudbehandling, fra kun at påvirke det øverste lag til de dybere blodkar, afhængigt af den anvendte bølgelængde.

Kilde: Laser Focus World

Endelig har laser anvendelser inden for kosmetisk behandling, fra hår- og tatoveringsfjernelse til hudfornyelse, fjernelse af akne-ar og pigmenterede pletter (fx alderspletter og modermærker).

Dataopbevaring

Laser har i flere årtier været brugt til at kode data på optiske diske. Stærkere, kortere bølgelængde laserer kan lagre data tættere, derfor overgangen til blå LED-laser til Blu-Ray.

Det bliver dog nu klart, at optiske diske ikke er en holdbar form for datalagring.

Der overvejes nu mange metoder, der bruger laser, såsom lavstrømsgravering på polymerer, andre former for mekanisk datalagring, gravering af diamanter eller 5D krystaldiske.

Kilde: University of Southampton

Under alle omstændigheder gør laserens evne til at være så præcis som nanometerne i deres lysbølgelængde dem sandsynligvis til at forblive en foretrukken metode til dataoptagelse, især til langtidsopbevaring.

Semikonduktorgravering

Siden industriens begyndelse har semikonduktorfabrikanter brugt laser til at forberede materialet, der bruges til at skabe computerchips.

En vigtig fordel er, at laserklipning og -gravering ikke kræver kontakt og producerer mindre støv end alternativer, en vigtig fordel for materialer, der kræver den højeste renhed. Laserklipning spilder også mindre materiale og skaber ikke revner.

Laser bruges til at udføre svejsning, fjernelse af belægning og mærkning af semikonduktormateriale og udstyr.

Databehandling

Efterhånden som klassiske siliciumchips bliver så små som muligt, overvejes nye former for computing for at fortsætte med at øge kraften i vores computere og datacentre.

En af dem er fotonik, som bruger lys i stedet for elektroner til at transportere beregningsdata. Metoden bruger mange ultrafaste laserer samt lyssensorer og optiske fibre til at erstatte siliciumtransistorer og kan være en måde at holde Moores lov i live.

En anden mulighed er kvantecomputere, som bruger kvanteeffekter til at udføre beregninger, der normalt er umulige for almindelige computere. Laser kan også hjælpe her, fra infrarøde laserer til at manipulere hydrogenatomer til at bruge laserer til at magnetisere ikke-magnetiske stoffer.

Telekommunikation

Udover semiconductorer & computing har laser i årtier været brugt til at overføre information.

Laserdioder kan producere koherent lys med en smal frekvens, hvilket tillader flere informationskanaler at blive sendt gennem et enkelt fiberoptisk kabel. De bruges primært til langdistancetelekommunikation og fremstilles ved hjælp af kvanteprikker.

Laser kan også bruges til rumtelekommunikation, enten mellem satellitter eller mellem satellitter og jordbaserede stationer.

Den største fordel ved at bruge laserkommunikation frem for radiobølger er øget båndbredde, hvilket muliggør overførsel af mere data på kortere tid. En anden egenskab er, at lasertelekommunikation er næsten umulig at aflytte, da det kræver, at en aflytning fysisk befinder sig ved modtageren.

For eksempel indeholder hver af Starlinks satellitter 3 laser-Inter-satellit-forbindelser (ISL’er), der opererer ved 200 Gbps (Gigabyte per sekund) for at overføre data til hinanden, før de sender dem tilbage til Starlink-stationerne.

I fremtiden vil enhver rumtelekommunikation med potentielle måne- eller Mars-baser sandsynligvis også bruge laser, da den både giver den hurtigste mulige dataoverførsel og den højeste mulige båndbredde.

Bioteknologi

Fluorescens

En ofte glemt anvendelse af laser er inden for bioteknologi. Den tidlige metode var Laser Induced Fluorescence (LIF), hvor en laser bruges til at få biologisk væv eller molekyler til at udsende grønt eller rødt lys, så de kan observeres i et fluorescensmikroskop.

Kilde: MicroscopyU

Laser bruges i flowcytometre til også at adskille celler i en prøve.

Et vigtigt delsegment af denne teknik er LIF-spektroskopi, der bruges i kromatografi og kapillærelektroforese, begge meget vigtige teknikker i biokemi til analyse af biologiske molekyler.

Gensekventering & Medicin

En anden stadig vigtigere bioteknologisk anvendelse af laser er genetisk sekventering.

Kilde: Memorial University

Forbedringer i laserteknologi og faldende omkostninger har været nøglefaktorer i at gøre gensekventering mere generel og tilgængelig for både forskere og medicinske specialister.

Laser bruges til kræftdetektion og analyse af kræftceller og kan også bruges til at skære tynde vævssektioner til videre analyse.

Sensorer og selvkørende køretøjer.

Laser kan bruges til at måle omgivelserne omkring dem. De kan bruges til at positionere laser i fabrikker, måle afstand eller tilstedeværelsen af en forhindring.

Komplekse systemer af sådanne laserer bruges i LIDAR (Light Detection and Ranging), som bruger pulser af laserlys til at måle afstanden til objekter omkring dem. LIDAR-systemer bruges rutinemæssigt til kortlægning.

LIDAR er en nøglekomponent i de fleste selvkørende køretøjssystemer (med undtagelse af Teslas afhængighed af kun kameraer), inklusive Googles Waymo (GOOGL ).

Direkte energivåben

Efterhånden som droner bliver en voksende trussel på moderne slagmarker, søger hære over hele verden efter omkostningseffektive løsninger til at skyde dem ned.

Dette er især vigtigt, da de fleste selvmordsdroner kun koster nogle få tusinde dollars, hvilket gør enhver missil- eller endda våbenbaseret løsning ofte dyrere end målet.

En løsning kan være laserbaserede våben, en underkategori af direkte energivåben (som også inkluderer mikrobølgestråler, for eksempel). Ideen er at bruge en kraftig laserstråle til at brænde dronen, før den kan blive en trussel.

Kilde: Laser Focus World

Da omkostningerne ved “ammunitionen” kun vil være energikostnaden, kan dette være en af de eneste levedygtige muligheder på lang sigt. Ideen er dog stadig langt fra moden, med nogle få problemer, der skal løses før implementering på aktive slagmarker:

• Laservåben kan hindres af tåget vejr.
• Energiforbruget er enormt, hvilket gør både generering og lagring til hurtig affyring problematisk.
• Laserer har en tendens til at være relativt skrøbelige enheder, hvilket gør dem mindre pålidelige i frontlinjerollen.

Sandsynligvis vil den første storskala implementering af laserbaseret våben være for faste faciliteter som militærbaser og skibe.

Kernefusion

I øjeblikket er den dominerende strategi for at opnå kernefusion at bruge tokamaks og donutformede strukturer, der bruger magnetfelter til at indeholde plasmaet.

Som vi forklarede i “Kernefusion – Den ultimative rene energiløsning på horisonten”, er dette dog ikke den eneste mulige metode til at opnå kernefusion. En anden mulighed er at bruge laser til at forsøge at gøre hydrogenatomer så varme, at de kolliderer med hinanden, hvilket straks skaber chokbølger, der presser hydrogenatomerne sammen.

Et godt eksempel er den amerikanske National Ignition Facility (NIF), som guider, forstærker, reflekterer og fokuserer 192 kraftfulde laserstråler på et mål på størrelse med en blyantgummistykke. Dette leverer 500 billioner watt peak‑effekt på ét punkt.

Kilde: Britannica

Sådanne systemer er gode kandidater til potentiel kommerciel kernefusion og kan også være nyttige til pulseret fusionsdrevet fremdrift for dyb‑rymdskibe.

Rumbaserede anvendelser

Astrofysik

Astrofysik beskæftiger sig ofte med ekstreme tryk- og temperaturforhold, som er svære at reproducere på Jorden. For eksempel indholdet af stjerner eller gasformige kæmpeplaneter.

X-ray free-electron Lasers (XFELs) kan hjælpe med at studere sådan Warm Dense Matter (WDM).

Orbital solenergi

En voksende mulighed for ren energiproduktion er orbital solenergi. Dette skyldes, at omkostningerne ved at sende et energisystem i kredsløb falder meget hurtigt, hvilket gør idéen om at løfte tusinder af tons gods i kredsløb eller rumbaseret fremstilling levedygtig.

Som vi udforskede i “Rumbaserede energiløsninger for uendelig ren energi”, kan den genererede energi sendes tilbage til Jorden ved hjælp af enten mikrobølgestråler eller kraftfulde laser.

Solsejl

En anden fremtidig rumbaseret mulighed for laser er solsejl. Hovedideen er, at selvom fotoner er masseløse, bærer de stadig et mikroskopisk momentum.

I det vægtløse miljø i det dybe rum kan dette lille skub være nok til at accelerere et rumskib.

Et solsejl ville være et stort sejl lavet af folie, der kan fange lys og omdanne det til fremdrift. Orbital- eller månebaserede lasersystemer kunne kaste mere lys på et sådant system og få det til at accelerere til hastigheder, der er uopnåelige med kemisk raketmotor.

Kilde: For All Mankind TV

Investering i laserteknologi

Laser er til stede i utallige dele af moderne teknologi, fra optiske diske til kirurgiske værktøjer, 3D‑print, semikonduktorer, fremstilling og gensekventeringsmaskiner, med et marked på 17,8 mia. USD, der forventes at vokse med 7,8 % CAGR indtil 2030.

Du kan investere i laserrelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan her på securities.io finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, Storbritannien samt mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge specifikke virksomheder, kan du også kigge på teknologiske ETF’er som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY), selvom der ikke findes en dedikeret laser‑ETF, hvilket vil give en mere diversificeret eksponering til at drage fordel af nanoteknologi‑ og teknologiske aktier.

Du kan også lære, hvordan du investerer i gallium i vores dedikerede rapport, da gallium er et nøgleelement til fremstilling af laser, der i øjeblikket er i centrum af USA‑Kina handelskrigen.

Laserfirma

II-VI Marlow / Coherent

Coherent er et stort industrielt konglomerat med over 26.000 ansatte og en leder inden for laserteknologi, som er resultatet af fusionen mellem det avancerede materiale II-VI (COHR ) Marlow og laserproducenten Coherent.

Virksomheden er ekspert i avancerede materialer, der bruges i laser, optik og fotonik, såsom indiumfosfid, epitaksialskiver og galliumarsenid. Den voksede betydeligt takket være flere opkøb i det sidste årti.

Kilde: Coherent

Virksomheden får 29 % af sine indtægter direkte fra laser, mens resten er knyttet til tilhørende udstyr som optisk fiber og elektronik. Instrumentationskategorien omfatter primært livsvidenskab og medicinske anvendelser.

Kilde: Coherent

Virksomhedens tilstedeværelse inden for avancerede materialer som termofotovoltaik (som vi diskuterede i en tidligere artikel), siliciumkarbid, laser og elektronik hjælper den med at drage fordel af strukturelle tendenser som væksten i præcisionsfremstilling, additiv fremstilling (3D‑print), elektrificering og vedvarende energier.

Virksomheden har for nylig adskilt sin siliciumkarbidforretning i en ny enhed, som ejes 75 % af Coherent, mens resten ejes lige af partnerne Mitsubishi Electric (der bidrager med siliciumkarbid‑kraft‑IP) og Denso (der bidrager med sin aktivitet som billeverandør inden for elektrificering og kraftsemikonduktorer).

Dette skyldes, at siliciumkarbid i stigende grad er sin egen teknologi, primært brugt i højtydende anvendelser som elbiler, batterier og vedvarende energi.

Coherent er en leder inden for LIDAR og 3D‑digital sensing, inklusive til selvkørende anvendelser, bioteknologi Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, og laser til semikonduktorfremstilling. Den forventer, at dens hovedmarkeder vil vokse med 8‑20 %.

Kilde: Coherent

De andre potentielle nye anvendelser af laser som direkte energivåben, fotonisk computing, kernefusion og rumteknologi kan alle lige så godt hjælpe med at opretholde virksomhedens langsigtede vækst.

Samlet set er Coherent så tæt som muligt på at være et “ren spil” børsnoteret laserfirma for investorer, der er interesseret i sektoren, med stærk vertikal integration og over 3.100 patenter, der beskytter dets innovationer.