Laserit modernin maailman ja tulevaisuuden keskeisenä teknologiana

Laserien potentiaali

Ensimmäinen laser rakennettiin vuonna 1960, ja sen mahdollistaneen fysiikan kehittäneet tutkijat saivat fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1964. Sen jälkeen teknologialle on löytynyt jatkuvasti uusia käyttökohteita. Lasereita käytetään yleisesti:

• kaiverrus ja tulostus,
• valokuituinen viestintä,
• optiset levyt,
• puolijohteiden valmistus,
• kirurgia,
• terveydenhuollon hoito,
• mittaukset,
• sotilaallinen kohdistus.

Tämän kehityksen myötä lasereista voi jo lähitulevaisuudessa tulla ratkaisevan tärkeitä valmistusprosesseissa (hitsauksessa ja 3D-tulostuksessa), satelliittiviestinnässä, avaruusalusten työntövoimassa, biotekniikassa, tietojenkäsittelyssä (fotoniikassa), ydinfuusiossa ja jopa aseissa.

Laserin periaatteet

Sana laser on lyhenne englannin ilmauksesta Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation eli valon vahvistaminen säteilyn stimuloidulla emissiolla. Laserien keskeinen periaate on tuottaa tavallisen valon sijaan koherenttia valoa.

Koherentti valonsäde on erittäin kapea, koostuu yhdestä aallonpituudesta eikä hajaannu pitkänkään matkan aikana.

Lähde: Britannica

Laser tuotetaan virittämällä säteilevän aineen atomeja. Aine on tavallisesti kaasua, mutta se voi olla myös nestettä tai kiinteää ainetta. Atomit alkavat lähettää valoa, josta suurin osa pidetään laserin sisällä heijastumassa, kunnes se pääsee ulos koherenttina valonsäteenä.

Lähde: University of Kwazulu-Natali

Lasereita voidaan valmistaa monille eri valon aallonpituuksille. Jokainen aallonpituus edellyttää omanlaistaan valoa tuottavaa materiaalia, mikä vaikuttaa laserin toimintaan. Eri aallonpituudet kuljettavat eri määrän energiaa ja imeytyvät eri tavoin kohdemateriaalin mukaan.

Jo pelkästään lääketieteessä käytetään monia erilaisia lasereita käyttötarkoituksen mukaan.

Lähde: University of Kwazulu-Natali

(Lukijat, jotka ovat kiinnostuneita laserin tieteellisistä periaatteista, voivat lukea “Laserin periaatteet” saadakseen lisätietoa).

Laseriteknologian kehitys

Laserit ovat kehittyneet vuosien mittaan huomattavasti. Uudet materiaalit ovat laajentaneet käytettävissä olevien aallonpituuksien valikoimaa. Käytössä ovat esimerkiksi CO₂-, rubiini-, titaanisafiiri- ja kvanttipistelaserit, joiden taustalla olevasta työstä myönnettiin fysiikan Nobelin palkinto vuonna 2023.

Kehitys mahdollisti erittäin lyhyitä pulsseja tuottavat laserit sekä valmistuksen ja lääketieteen erityissovelluksiin tarkasti viritetyt laserit.

Pienitehoiset laserit halpenivat nopeasti niin paljon, että niitä voitiin käyttää viivakoodinlukijoissa jo 1970-luvulla. Myöhemmin niillä luettiin CD-, DVD- ja Blu-ray-levyille tallennettua tietoa.

Lähde: Laser Warfare

Myös uusia lasertyyppejä saattaa olla tulossa. Esimerkiksi avoimen ilman laserit voisivat olla nykyisiä kestävämpiä ja kevyempiä.

Laserin sovellukset

Äärimmäisen lyhyiden aikavälien havainnointi

Erittäin lyhyillä laserpulsseilla voidaan valaista kohde vain hetkeksi, femtosekunnin ajaksi. Femtosekunti on sekunnin miljoonasosan miljardisosa.

Näin voidaan havainnoida esimerkiksi molekyylien kemiallisia reaktioita, joita pidettiin aiemmin silmänräpäyksellisinä.

Lähde: Nobel Prize

Edistys on synnyttämässä kokonaan uuden tieteenalan, attosekuntitieteen. Attosekunti on femtosekunnin tuhannesosa. Sen avulla tutkijat voivat tarkastella atomien ja molekyylien elektronidynamiikkaa sekä tutkia ainetta tiiviissä olomuodossa.

Kaiverrus ja valmistus

Lasereilla voidaan kaivertaa materiaaleja erittäin tarkasti. Pitkäkestoinen lasersäteily kuitenkin kuumentaa materiaalia nopeasti ja synnyttää vaurioittavia paineaaltoja. Tämä oli aiemmin ongelma tehokkaiden laserien ja virheettömyyttä vaativien materiaalien käsittelyssä.

Kehittyneet femtosekuntilaserit kaivertavat edelleen tehokkaasti, mutta niiden pulssit ovat niin lyhyitä, ettei materiaali ylikuumene. Näin ongelma poistuu.

Lähde: Nobel Prize

Nykyisin lasereita käytetään yleisesti metallien sekä muovin, puun ja lasin kaltaisten materiaalien poraamiseen, leikkaamiseen, merkitsemiseen, teksturointiin ja hitsaamiseen.

”Moniin nykyisin valmistettaviin osiin tarvitaan mikroskooppisia ominaisuuksia, jotka voidaan toteuttaa vain laserporauksella.

Hyvin pieniä ja monimutkaisia piirteitä voidaan valmistaa useisiin materiaaleihin esimerkiksi suorakirjoituksella, trepanoinnilla ja maskiprojektiolla ilman lämpövaikutuksia tai materiaalivaurioita.”

Matt Nipper, Laser Light Technologiesin teknologiajohtaja. Yhtiö on nykyisin osa Spectrum Plasticsia.

Nykyaikaisia laserlaitteita ohjataan edistyneillä ohjelmistoilla CNC-koneiden tapaan. Laservalmistuksen laitteet vaihtelevat muutaman tuhannen dollarin pienistä pöytälaitteista useiden miljoonien dollarien tehdaskokoisiin koneisiin.

Laserit ovat niin tarkkoja, että niitä käytetään nykyisin myös johtimien eristeiden poistamiseen.

”Eristys voidaan poistaa 0,005 tuuman toleranssilla. Kuorinta voidaan ohjelmoida poistamaan eristystä mistä tahansa johtimen kohdasta, mikä mahdollistaa erittäin tarkat poistot johtimen keskiosasta.”

Matt Nipper, Laser Light Technologiesin teknologiajohtaja. Yhtiö on nykyisin osa Spectrum Plasticsia.

 3D-tulostus

Monet 3D-tulostimet sulattavat lopulliseen tuotteeseen käytettävän muovin tai metallin laserilla. Menetelmiin kuuluu laserjauhepetisulatus, josta voidaan tehdä entistä tarkempaa ja tehokkaampaa rengasmaisen lasersäteen avulla.

Lähde: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Kahden laserin samanaikaisesta käytöstä voi tulla vakiomenetelmä, jolla nopeutetaan lisäävää valmistusta.

Kun 3D-tulostuksen osuus valmistuksesta kasvaa, kuten artikkelissa ”3D-tulostuksesta tulee olennainen osa valmistuksen tulevaisuutta” käsitellään, myös laserien kysynnän voidaan odottaa kasvavan.

Lääketieteelliset käyttötavat

Laserien voimakkaalla valolla voidaan synnyttää laserplasmakiihdytys, joka kiihdyttää protonien ja elektronien kaltaisia hiukkasia erittäin suuriin energioihin. Hiukkasia voidaan käyttää sädehoidossa, ja laserien ansiosta laitteet voidaan tehdä sairaalaan sopiviksi. Tavalliset hiukkaskiihdyttimet ovat huomattavasti suurempia ja kömpelömpiä.

Ultranopeita lasereita käytetään myös silmäkirurgiassa. Käyttökohteita ovat silmälasien tarpeen poistava LASIK-leikkaus sekä diabeettisen retinopatian eli verkkokalvosairauden hoito valokoagulaatiolla.

Lähde: Nobel Prize

Lasereilla voidaan hoitaa ihoa. Käytetty aallonpituus ratkaisee, kohdistuuko vaikutus vain ihon pintakerrokseen vai syvempiin verisuoniin.

Lähde: Laser Focus World

Lasereita käytetään myös kosmeettisissa hoidoissa, kuten karvojen ja tatuointien poistossa, ihon nuorentamisessa sekä aknearpien ja pigmenttimuutosten, esimerkiksi maksaläiskien ja luomien, poistossa.

Datavarastointi

Lasereita on käytetty tiedon tallentamiseen optisille levyille jo useiden vuosikymmenten ajan. Tehokkaammat ja lyhyemmän aallonpituuden laserit pystyvät tallentamaan tietoa tiheämmin, minkä vuoksi Blu-Ray-levyissä siirryttiin sinisiin LED-lasereihin.

Nyt on kuitenkin käymässä selväksi, etteivät optiset levyt ole pitkäikäinen tiedontallennusmuoto.

Siksi tarkastellaan monia lasereita hyödyntäviä menetelmiä, kuten polymeerien pienitehoista kaiverrusta, muita mekaanisen tiedontallennuksen muotoja, timanttien kaiverrusta ja viisiulotteisia kristallilevyjä.

Lähde: University of Southampton

Laserien nanometriluokan tarkkuus tekee niistä joka tapauksessa todennäköisesti suositun tiedontallennusmenetelmän jatkossakin, etenkin pitkäaikaisessa säilytyksessä.

Puolijohteiden kaiverrus

Puolijohdevalmistajat ovat alan alkuajoista lähtien käyttäneet lasereita tietokonesirujen valmistusmateriaalien käsittelyyn.

Laserleikkauksen ja -kaiverruksen keskeinen etu on, ettei menetelmä edellytä kosketusta ja että se tuottaa vaihtoehtoja vähemmän pölyä. Tämä on merkittävä etu erittäin puhtaita materiaaleja vaativassa valmistuksessa. Laserleikkaus myös hukkaa vähemmän materiaalia eikä aiheuta halkeamia.

Lasereita käytetään puolijohdemateriaalien ja valmistuslaitteiden hitsaukseen, pinnoitteiden poistoon ja merkitsemiseen.

Laskenta

Perinteiset piisirut ovat jo lähes niin pieniä kuin mahdollista, joten tietokoneiden ja datakeskusten tehon kasvattamiseksi tutkitaan uusia laskentatapoja.

Yksi niistä on fotoniikka, jossa laskentatietoa kuljetetaan elektronien sijasta valolla. Menetelmä korvaa piitransistorit lukuisilla ultranopeilla lasereilla, valoantureilla ja optisilla kuiduilla, ja se saattaa auttaa pitämään Mooren lain voimassa.

Toinen vaihtoehto ovat kvanttitietokoneet, jotka hyödyntävät kvantti-ilmiöitä tavallisille tietokoneille mahdottomien laskutoimitusten tekemiseen. Lasereista voi olla apua myös tässä: vetyatomeja voidaan käsitellä infrapunalasereilla ja ei-magneettisia aineita voidaan magnetoida lasereilla.

Telekommunikaatio

Lasereita on käytetty tiedonsiirtoon jo vuosikymmeniä puolijohde- ja tietojenkäsittelysovellusten lisäksi.

Laserdiodit tuottavat kapeakaistaista koherenttia valoa, joten yhden valokuitukaapelin kautta voidaan lähettää useita tietokanavia. Niitä käytetään enimmäkseen kaukoliikenteessä, ja ne valmistetaan kvanttipisteiden avulla.

Lasereita voidaan käyttää myös avaruusviestintään joko satelliittien välillä tai satelliittien ja maa-asemien välillä.

Laserin suurin etu radioaaltoihin verrattuna on suurempi kaistanleveys, jonka ansiosta tietoa voidaan siirtää enemmän lyhyemmässä ajassa. Lisäksi laserviestintää on lähes mahdoton salakuunnella, sillä salakuuntelijan pitäisi sijaita fyysisesti vastaanottimen vieressä.

Esimerkiksi jokaisessa Starlink-satelliitissa on kolme satelliittien välistä laseryhteyttä (ISL), jotka toimivat 200 Gbit/s:n nopeudella. Niiden kautta satelliitit välittävät tietoa toisilleen ennen sen lähettämistä Starlinkin maa-asemille.

Myös tulevassa avaruusviestinnässä mahdollisten Kuu- tai Mars-tukikohtien kanssa käytetään todennäköisesti lasereita, koska ne tarjoavat sekä nopeimman mahdollisen tiedonsiirron että suurimman mahdollisen kaistanleveyden.

Biotekniikka

Fluoresenssi

Laserien usein unohtuva käyttökohde on biotekniikka. Varhainen menetelmä oli laserindusoitu fluoresenssi (LIF), jossa biologinen kudos tai molekyyli saadaan laserilla lähettämään vihreää tai punaista valoa. Näin sitä voidaan havainnoida fluoresenssimikroskoopilla.

Lähde: MicroscopyU

Lasereita käytetään myös virtaussytometreissä näytteen solujen erotteluun.

Menetelmän tärkeä osa-alue on LIF-spektroskopia, jota käytetään kromatografiassa ja kapillaarielektroforeesissa. Molemmat ovat biokemiassa hyvin tärkeitä biologisten molekyylien analyysimenetelmiä.

Geenisekvensointi ja lääketiede

Lähde: Memorial University

Laserteknologian kehitys ja kustannusten lasku ovat olleet keskeisiä tekijöitä geenisekvensoinnin yleistymisessä ja sen tuomisessa sekä tutkijoiden että lääketieteen ammattilaisten ulottuville.

Lasereita käytetään syövän havaitsemiseen ja syöpäsolujen analysointiin. Niillä voidaan myös leikata ohuita kudosviipaleita jatkotutkimuksia varten.

Anturit ja itseohjautuvat ajoneuvot.

Lasereilla voidaan mitata ympäristöä. Niitä voidaan käyttää tehtaissa paikannukseen sekä etäisyyksien ja esteiden havaitsemiseen.

Tällaisista lasereista koostuvia monimutkaisia järjestelmiä käytetään lidarissa (Light Detection and Ranging), jossa ympäröivien kohteiden etäisyys mitataan laserpulsseilla. Lidar-järjestelmiä käytetään yleisesti kartoituksessa.

Lidar on keskeinen osa useimpia itseohjautuvien ajoneuvojen järjestelmiä, kuten Googlen Waymoa (GOOGL ). Poikkeuksena on Tesla, joka luottaa pelkkiin kameroihin.

Suunnatun energian aseet

Kun drooneista tulee yhä suurempi uhka nykyaikaisilla taistelukentillä, eri maiden asevoimat etsivät edullisia tapoja niiden torjumiseen.

Tämä on erityisen tärkeää, koska useimmat itsemurhadroonit maksavat enintään muutamia tuhansia dollareita. Ohjukseen tai jopa tykkiin perustuva torjuntaratkaisu on siksi usein kohdettaan kalliimpi.

Yksi ratkaisu voisi olla laserase, joka kuuluu suunnatun energian aseisiin yhdessä esimerkiksi mikroaaltosäteiden kanssa. Ajatuksena on polttaa drooni tehokkaalla lasersäteellä ennen kuin siitä muodostuu uhka.

Lähde: Laser Focus World

Ammus maksaisi vain siihen käytetyn energian verran, joten laser voi pitkällä aikavälillä olla yksi harvoista käyttökelpoisista vaihtoehdoista. Teknologia on kuitenkin vielä kaukana valmiista, ja useita ongelmia on ratkaistava ennen sen käyttöönottoa taistelukentillä:

• Sumuinen sää voi heikentää laseraseiden toimintaa.
• Energiankulutus on valtava, joten sekä energian tuottaminen että sen varastoiminen nopeaa tulitusta varten on ongelmallista.
• Laserit ovat yleensä melko herkkiä laitteita, mikä heikentää niiden luotettavuutta etulinjassa.

Laseraseiden ensimmäinen laajamittainen käyttökohde on todennäköisesti sotilastukikohtien ja alusten kaltaisten kiinteiden kohteiden suojaaminen.

Ydinfuusio

Tällä hetkellä hallitseva ydinfuusion tavoittelun strategia perustuu tokamakeihin eli renkaanmuotoisiin rakenteisiin, joissa plasma pidetään koossa magneettikenttien avulla.

Kuten artikkelissa ”Ydinfuusio – horisontissa siintävä äärimmäinen puhtaan energian ratkaisu” selitimme, tämä ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen tapa saada aikaan ydinfuusio. Toinen vaihtoehto on kuumentaa vetyatomeja lasereilla niin voimakkaasti, että ne törmäävät toisiinsa. Törmäykset synnyttävät välittömästi paineaaltoja, jotka puristavat vetyatomeja yhteen.

Hyvä esimerkki on Yhdysvaltain National Ignition Facility (NIF), jossa 192 voimakasta lasersädettä ohjataan, vahvistetaan, heijastetaan ja kohdistetaan lyijykynän pyyhekumin kokoiseen kohteeseen. Näin yhteen pisteeseen saadaan 500 biljoonan watin huipputeho.

Lähde: Britannica

Tällaiset järjestelmät ovat lupaavia ehdokkaita kaupalliseen ydinfuusioon, ja niistä voi olla hyötyä myös syvän avaruuden alusten pulssifuusiotyöntövoimassa.

Avaruussovellukset

Astrofysiikka

Astrofysiikassa tutkitaan usein äärimmäisiä paineita ja lämpötiloja, joita on vaikea jäljitellä maapallolla. Tällaisia olosuhteita esiintyy esimerkiksi tähtien ja kaasujättiläisten sisällä.

Röntgenalueen vapaaelektronilaserit (XFEL) voivat auttaa tutkimaan lämmintä tiheää ainetta (WDM), mikä puolestaan voi auttaa kehittämään parempia avaruusaluksia ja fuusiomoottoreita.

Orbitaalinen aurinkoenergia

Kiertoradalla tuotettava aurinkovoima on yhä varteenotettavampi puhtaan energian vaihtoehto. Voimajärjestelmän laukaiseminen kiertoradalle halpenee hyvin nopeasti, joten tuhansien lastitonnien nostaminen avaruuteen tai valmistus avaruudessa voi tulla taloudellisesti mahdolliseksi.

Kuten artikkelissa ”Avaruuteen perustuvat ratkaisut rajattoman puhtaan energian tuottamiseen” käsittelimme, tuotettu energia voitaisiin lähettää maahan joko mikroaaltosäteillä tai voimakkailla lasereilla.

Aurinkopurjeet

Aurinkopurjeet ovat toinen laserien mahdollinen tuleva avaruussovellus. Vaikka fotoneilla ei ole massaa, ne kuljettavat hyvin pienen määrän liikemäärää.

Syvän avaruuden painottomassa ympäristössä tämä vähäinen työntö voi riittää kiihdyttämään avaruusalusta.

Aurinkopurje on suuri kalvosta valmistettu purje, joka vastaanottaa valoa ja muuntaa sen työntövoimaksi. Kiertoradalle tai Kuuhun sijoitetut laserjärjestelmät voisivat suunnata purjeeseen lisää valoa ja kiihdyttää sen nopeuksiin, joihin kemiallisilla raketeilla ei päästä.

Lähde: For All Mankind TV

Menetelmää voitaisiin käyttää jopa tähtienväliseen matkailuun, sillä tunnetun fysiikan mukaan sillä voitaisiin teoriassa kiihdyttää avaruusalus 20 prosenttiin valonnopeudesta.

Laseriteknologiaan sijoittaminen

Lasereita käytetään lukemattomissa nykyteknologian sovelluksissa optisista levyistä kirurgisiin välineisiin, 3D-tulostukseen, puolijohteisiin, valmistukseen ja genomisekvensointilaitteisiin. 17,8 miljardin dollarin markkinoiden odotetaan kasvavan 7,8 prosentin vuotuisella yhdistetyllä kasvuvauhdilla vuoteen 2030 saakka.

Lasereihin liittyviin yhtiöihin voi sijoittaa monien välittäjien kautta. Securities.io-sivustolta löytyvät suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä yhtiöitä, voit tutustua myös teknologia-ETF-rahastoihin, kuten iShares U.S. Technology ETF:ään (IYW) tai ProShares Nanotechnology ETF:ään (TINY). Vaikka pelkkiin laseryhtiöihin keskittyvää ETF:ää ei ole saatavilla, nämä rahastot tarjoavat hajautetumman tavan hyötyä nanoteknologia- ja teknologiayhtiöiden kehityksestä.

Voit myös lukea erillisestä raportistamme, kuinka galliumiin voi sijoittaa. Gallium on laserien valmistuksessa keskeinen alkuaine ja tällä hetkellä Yhdysvaltojen ja Kiinan kauppasodan keskiössä.

Laseryhtiö

II-VI Marlow / Coherent

Coherent on yli 26 000 työntekijän suuri teollisuuskonserni ja laserteknologian johtava yhtiö. Se syntyi, kun edistyneitä materiaaleja valmistanut II-VI Marlow (COHR ) yhdistyi laservalmistaja Coherentin kanssa.

Yhtiö on erikoistunut lasereissa, optiikassa ja fotoniikassa käytettäviin edistyneisiin materiaaleihin, kuten indiumfosfidiin, epitaksiaalisiin kiekkoihin ja galliumarsenidiin. Se on kasvanut merkittävästi viime vuosikymmenen lukuisten yritysostojen ansiosta.

Lähde: Coherent

Yhtiö saa 29 prosenttia liikevaihdostaan suoraan lasereista. Loppu liittyy valokuidun ja elektroniikan kaltaisiin oheislaitteisiin. Instrumentointiluokkaan kuuluvat pääasiassa biotieteiden ja lääketieteen sovellukset.

Lähde: Coherent

Yhtiön osaaminen edistyneissä materiaaleissa, kuten lämpösähköisissä aurinkokennoissa, piikarbidissa, lasereissa ja elektroniikassa, auttaa sitä hyötymään täsmävalmistuksen, lisäävän valmistuksen eli 3D-tulostuksen, sähköistymisen ja uusiutuvan energian rakenteellisesta kasvusta. Olemme käsitelleet lämpösähköisiä aurinkokennoja aiemmassa artikkelissa.

Yhtiö eriytti hiljattain piikarbidiliiketoimintansa uudeksi yritykseksi, josta Coherent omistaa 75 prosenttia. Loput omistavat tasan Mitsubishi Electric, joka tuo mukaan piikarbiditehoelektroniikan aineettomia oikeuksia, ja Denso, joka tuo mukaan autoalan toimittajan sähköistys- ja tehopuolijohdetoimintansa.

Syynä on se, että piikarbidista on yhä selvemmin tullut oma teknologiansa, jota käytetään pääasiassa sähköautojen, akkujen ja uusiutuvan energian kaltaisissa suurtehosovelluksissa.

Coherent on johtava toimija lidarissa ja digitaalisessa 3D-havainnoinnissa, myös itseohjautuvien ajoneuvojen sovelluksissa, biotekniikan uuden sukupolven sekvensoinnin (NGS) virtauskennoissa sekä puolijohdevalmistuksen lasereissa. Yhtiö odottaa päämarkkinoidensa kasvavan 8–20 prosenttia.

Lähde: Coherent

Laserien muut mahdolliset uudet sovellukset, kuten suunnatun energian aseet, fotoninen laskenta, ydinfuusio ja avaruusteknologia, voivat yhtä lailla tukea yhtiön pitkän aikavälin kasvua.

Coherent on käytännössä lähimpänä puhdasta pörssilistattua laseryhtiötä, jonka alasta kiinnostunut sijoittaja voi löytää. Sillä on vahva vertikaalinen integraatio ja yli 3 100 patenttia suojaamassa innovaatioitaan.