Investeren in Nobelprijsprestaties – Het Potentieel van Lasers

Geschiedenis van de Nobelprijs

De Nobelprijs behoort tot de meest prestigieuze wetenschappelijke onderscheidingen. De prijzen werden ingesteld op grond van het testament van Alfred Nobel voor mensen die “in het voorgaande jaar de mensheid het grootste voordeel hebben gebracht”, op het gebied van natuurkunde, scheikunde, fysiologie of geneeskunde, literatuur en vrede. De Zweedse centrale bank stelde later een afzonderlijke prijs voor economische wetenschappen ter nagedachtenis aan Nobel in.

Verschillende Zweedse instellingen selecteren de laureaten voor de wetenschappelijke en literaire prijzen. De Nobelprijs voor de Vrede wordt toegekend door het Noorse Nobelcomité.

Erfeniszorgen

Een vaak verteld verhaal verbindt Nobels nalatenschap aan een Franse krant die na de dood van zijn broer per vergissing een overlijdensbericht over Alfred publiceerde. Het bericht beschreef hem als een handelaar in de dood. Of dit verhaal de doorslag gaf bij zijn testament, is onzeker. Nobel vond onder meer dynamiet en het rookloze drijfgas ballistiet uit; dynamiet is geen rookloos explosief.

Nobels uitvindingen hadden zowel civiele als militaire toepassingen. Hij kocht ook het ijzer- en staalbedrijf Bofors, dat zich verder ontwikkelde als wapenproducent. De chemicus, ingenieur en uitvinder bepaalde in zijn testament dat het grootste deel van zijn vermogen moest worden gebruikt voor prijzen ten bate van de mensheid.

Nobelprijs

De Nobelstichting beheert en belegt het nagelaten vermogen om de prijzen te financieren. Laureaten ontvangen een medaille, een diploma en een geldbedrag. In de periode van dit artikel bedroeg het prijzengeld 11 miljoen Zweedse kronen, ongeveer 1 miljoen dollar, per volledige prijs.

Bron: Britannica

Het prijzengeld wordt vaak verdeeld tussen meerdere laureaten. Vooral in de wetenschap dragen twee of drie onderzoekers geregeld samen of onafhankelijk van elkaar bij aan een belangrijke ontdekking.

In de loop der jaren werd de Nobelprijs een toonaangevende wetenschappelijke onderscheiding voor zowel theoretische als praktische ontdekkingen. Bekroonde prestaties legden de basis voor de moderne wereld, zoals onderzoek naar radioactiviteit, antibiotica, röntgenstraling en PCR, maar ook fundamentele inzichten in de energiebron van de zon, de lading van het elektron, atoomstructuur en superfluïditeit.

Het Potentieel van Lasers

Sinds de eerste werkende laser in 1960 trekt lasertechnologie veel belangstelling in de natuurkunde. Lasers produceren coherent licht, doorgaans in een smalle bundel en binnen een beperkt golflengtebereik. De bundel kan over grote afstanden relatief smal blijven, maar spreidt door diffractie wel degelijk uit.

Bron: Britannica

Het laser-maserprincipe werd al snel bekroond met de Nobelprijs voor Natuurkunde van 1964, voor Charles H. Townes, Nikolaj G. Basov en Aleksandr M. Prochorov, voor hun fundamentele werk aan kwantumelektronica dat leidde tot oscillatoren en versterkers op basis van dit principe.

Al snel werd duidelijk dat lasers uiteenlopende toepassingen zouden krijgen, van industriële productie tot communicatie.

Andere onderzoekers bestudeerden nieuwe manieren om laserlicht te gebruiken en te versterken. Hun ontdekkingen werden in 2018 bekroond met de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Arthur Ashkin onderzocht hoe licht microscopische voorwerpen kan verplaatsen via optische krachten. Gérard Mourou en Donna Strickland ontwikkelden een methode om ultrakorte laserpulsen met een zeer hoog piekvermogen te maken. Ook decennia later bleef deze techniek nieuwe mogelijkheden bieden.

Bron: Nobel Prize

Stuwen met Licht

Fotonen hebben geen rustmassa, maar dragen wel energie en impuls. Daardoor kan licht een kracht uitoefenen en een voorwerp verplaatsen zonder mechanisch contact.

Die kracht is doorgaans klein. Toepassingen zijn onder meer zonnezeilen in de ruimte en het manipuleren van microscopische deeltjes in het laboratorium.

Arthur Ashkin onderzocht dit bij Bell Laboratories. Met transparante bolletjes ter grootte van enkele micrometers bevestigde hij dat laserlicht deeltjes kon voortduwen.

Hij zag ook dat de bolletjes naar het midden van de bundel werden getrokken, waar het licht het sterkst was. De intensiteitsgradiënt veroorzaakt een kracht richting het sterkere licht, naast de verstrooiingskracht die in de voortplantingsrichting werkt.

Deeltjes Vangen met Licht

Ashkin maakte hiervan een optisch pincet waarmee deeltjes konden worden vastgehouden en verplaatst. Een lens focuste de laser tot een kleine plek. Met een geschikte balans tussen gradiënt- en verstrooiingskrachten kon een deeltje nabij het brandpunt gevangen blijven.

Bron: Nobel Prize

In 1986 werd de enkelbundelige optische val op basis van een gradiëntkracht gedemonstreerd. Deze methode werd bekend als het optische pincet. Daarmee kunnen deeltjes van tientallen nanometers tot tientallen micrometers worden vastgehouden.

Optische krachten werden ook belangrijke hulpmiddelen bij het vangen en manipuleren van afzonderlijke atomen. Het koelen van atomen met laserlicht is een verwante, maar afzonderlijke toepassing.

Levende Cellen Naar Wens Manipuleren

Ashkin richtte zich vooral op biologische toepassingen, zoals het manipuleren van virussen en bacteriën. Groen laserlicht kon biologische monsters beschadigen; infraroodlicht bleek hiervoor geschikter. Met deze aanpak konden onderzoekers hele micro-organismen en onderdelen binnen cellen verplaatsen.

Dit maakte onder meer metingen mogelijk aan het koppel van een bacteriële zweepstaart, aan krachten van motorproteïnen langs microtubuli van het celskelet en aan onderdelen van plantencellen.

Bron: Nobel Prize

Nauwkeurigere instrumenten maakten vervolgens metingen aan afzonderlijke DNA-moleculen mogelijk, tot veranderingen op de schaal van een basenpaar. Ook kunnen onderzoekers mechanische krachten bij eiwitafbraak bestuderen en RNA-moleculen ontvouwen.

Er worden nog steeds nieuwe technieken ontwikkeld, zoals holografische optische pincetten, waarmee veel optische vallen tegelijk kunnen worden gevormd en gebruikt.

Een verwant concept gebruikt geluidsgolven in plaats van laserlicht: het akoestische pincet. We bespraken mogelijke medische toepassingen in ons artikel “Gerichte medicijnafgifte kan profiteren van een nieuwe techniek met geluidsgolven”.

Ultrasnelle Laserpulsen

Lasers kunnen continu licht uitzenden of korte pulsen produceren. Voor toepassingen waarbij veel vermogen in zeer korte tijd nodig is, zijn pulsen bijzonder nuttig. De eerste werkende laser uit 1960 was overigens al een gepulste robijnlaser.

Verdere ontwikkeling van moduskoppeling bij lasers maakte zeer korte pulsen mogelijk. Met versterking kon de pulsenergie van nanojoules naar millijoules stijgen: een factor miljoen in energie, niet automatisch dezelfde factor in piekvermogen. In de jaren zeventig vormde schade aan versterkermaterialen door de hoge lichtintensiteit een belangrijke beperking.

Bron: Nobel Prize

Een oplossing was om de bundel over een grotere diameter te spreiden. De benodigde installaties waren echter groot en duur en vooral beschikbaar bij enkele nationale onderzoeksinstituten. Sommige konden slechts enkele pulsen per dag leveren, wat experimenten beperkte.

Chirped pulse amplification (CPA) als oplossing

Een doorbraak kwam van promovenda Donna Strickland en haar begeleider Gérard Mourou aan de University of Rochester in de Verenigde Staten. Hun werk aan versterking van ultrakorte pulsen leverde hun later een deel van de Nobelprijs voor Natuurkunde van 2018 op.

Het idee was om een korte laserpuls eerst in de tijd uit te rekken, zodat het piekvermogen afnam. De puls kon vervolgens worden versterkt zonder het versterkermateriaal te beschadigen. Daarna werd hij weer samengedrukt tot een korte puls met een veel hoger piekvermogen. Deze techniek heet chirped pulse amplification (CPA).

Het principe was eenvoudig te beschrijven, maar technisch lastig uit te voeren. De onderzoekers gebruikten meer dan een kilometer optische vezel en moesten de verschillende onderdelen nauwkeurig op elkaar afstemmen. In 1985 publiceerden zij hun succesvolle demonstratie. CPA werd daarna een basis voor steeds krachtigere ultrakorte laserpulsen.

Bron: Nobel Prize

Toepassingen van Ultrasnelle Laserpulsen

Waarnemingen op uiterst korte tijdschalen

Ultrakorte laserpulsen kunnen een doelwit heel kort belichten, bijvoorbeeld gedurende femtoseconden. Een femtoseconde is 10⁻¹⁵ seconde: een miljoenste van een miljardste seconde. Daardoor kunnen onderzoekers snelle processen volgen, zoals chemische reacties die eerder vrijwel ogenblikkelijk leken.

Bron: Nobel Prize

Nog kortere pulsen maken attosecondeonderzoek mogelijk. Een attoseconde is een duizendste (10⁻³ deel) van een femtoseconde, oftewel 10⁻¹⁸ seconde. Hiermee kunnen onderzoekers de dynamiek van elektronen in atomen en moleculen en in gecondenseerde materie bestuderen.

Medische Toepassingen

Intense laserpulsen kunnen ook plasma opwekken waarin deeltjes zoals protonen en elektronen sterk worden versneld. Deze laser-plasmaversnelling wordt onderzocht voor onder meer radiotherapie. Compactere medische versnellers zijn een mogelijk toekomstig voordeel; de techniek is daarmee nog geen algemeen beschikbare ziekenhuisbehandeling.

Ultrasnelle lasers worden gebruikt bij oogchirurgie, bijvoorbeeld om bij bepaalde LASIK-procedures een hoornvliesflap te maken. Lasers worden ook gebruikt voor fotocoagulatie bij diabetische retinopathie, maar daarbij gaat het doorgaans om andere laserregimes dan de ultrakorte pulsen van CPA.

Bron: Nobel Prize

Materiaalkunde

Lasers kunnen materiaal zeer nauwkeurig bewerken. Langere belichting kan echter warmte en mechanische spanningen veroorzaken, waardoor het omliggende materiaal beschadigd raakt.

Femtosecondelasers brengen de energie in zeer korte tijd over. Daardoor kan materiaal worden verwijderd met een kleinere door warmte beïnvloede zone, al verdwijnt niet onder alle omstandigheden elk risico op thermische schade.

Bron: Nobel Prize

Deze precisie is nuttig bij oogchirurgie, gegevensopslag en het vervaardigen van medische stents: kleine, vaak uit metaal gesneden of gevormde structuren die bloedvaten of andere lichaamskanalen openhouden.

Investeren in Lasertechnologie

Lasers spelen een rol in talrijke moderne technologieën, van optische schijven en chirurgische instrumenten tot 3D-printen, halfgeleiderproductie en genoomanalyse. Een in het artikel aangehaalde marktraming schatte de markt op 17,8 miljard dollar en voorzag tot 2030 een samengestelde jaarlijkse groei van 7,8%. Dit is een prognose uit de periode van het artikel.

Meer over mogelijke toepassingen leest u in ons artikel “Lasers krijgen de komende decennia een belangrijke rol naarmate de technologie zich ontwikkelt”, met voorbeelden uit defensie, gezondheidszorg en kernfusie.

Via verschillende brokers kunt u beleggen in lasergerelateerde bedrijven. Op securities.io vindt u onze overzichten van brokers voor de Verenigde Staten, Canada, Australië, het Verenigd Koninkrijk en andere landen.

Wie geen afzonderlijke bedrijven wil selecteren, kan bredere technologie-ETF’s onderzoeken, zoals de iShares U.S. Technology ETF (IYW) of de ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Deze fondsen bieden blootstelling aan bredere technologiethema’s en zijn geen fondsen die uitsluitend in lasers beleggen. De daadwerkelijke laserblootstelling hangt af van hun beleggingen.

Laserbedrijven

1. Coherent

Coherent is een industrieel technologiebedrijf met in de periode van dit artikel meer dan 26.000 medewerkers. Het huidige bedrijf ontstond toen II-VI (COHR ) in 2022 laserproducent Coherent overnam en vervolgens de naam Coherent aannam. Marlow was een bedrijfsonderdeel van II-VI, niet de overnemende moedermaatschappij.

Het bedrijf is gespecialiseerd in geavanceerde materialen voor lasers, optica en fotonica, zoals indiumfosfide, epitaxiale wafers en galliumarsenide. Overnames droegen in het voorafgaande decennium aanzienlijk bij aan de groei.

Bron: Coherent

Volgens de in het artikel gebruikte bedrijfsgegevens was ongeveer 29% van de omzet gekoppeld aan lasers. Andere activiteiten betroffen onder meer optische vezels, elektronica en meetinstrumenten.

Bron: Coherent

De activiteiten in geavanceerde materialen, waaronder thermofotovoltaïsche toepassingen (die we in een eerder artikel bespraken), siliciumcarbide, lasers en elektronica, sluiten aan bij ontwikkelingen zoals precisieproductie, additieve productie (3D-printen), elektrificatie en hernieuwbare energie.

Coherent bracht zijn siliciumcarbideactiviteiten onder in een afzonderlijke onderneming waarin het 75% behield. Mitsubishi Electric en Denso namen elk een belang van 12,5%. Mitsubishi Electric bracht expertise in siliciumcarbide-vermogenselektronica mee; Denso is een belangrijke toeleverancier aan de auto-industrie met activiteiten in elektrificatie en vermogenshalfgeleiders.

2. Corning

Corning is een materiaaltechnologiebedrijf met drie centrale expertisegebieden: glaswetenschap, optische fysica en keramiek. Het levert onder meer materialen en optische onderdelen voor lasertoepassingen.

Bron: Corning

Met meer dan 50.000 medewerkers in de periode van dit artikel was Corning actief in uiteenlopende markten, waaronder optische vezels, precisieproductie, speciaalglas, draadloze netwerken en keramische onderdelen voor katalysatoren in voertuigen. Het bedrijf ontwikkelde in 1970 de eerste optische vezel met een zeer laag signaalverlies.

Omdat lasers zeer zuivere materialen en nauwkeurig vervaardigde optische onderdelen vereisen, zijn er veel raakvlakken tussen de verschillende technologieën van Corning.

Het bedrijf heeft een lange geschiedenis van innovatie in zijn kerntechnologieën, waaronder:

• Hittebestendig PYREX-glas.
• Glas voor lcd-schermen.
• Antimicrobieel glas.
• Optische technologie voor de James Webb-ruimtetelescoop.
• Optische onderdelen voor het focussen van bundels bij kernfusieonderzoek.

Bron: Corning

Het levert ook optische materialen en onderdelen voor laserbewerkingen, zoals het snijden en polijsten van glas en andere brosse materialen.

Bron: Corning

Geavanceerde lenzen, lasertechnologie en keramiek zijn steeds belangrijker in hoogtechnologische toepassingen, van halfgeleiderproductie tot biowetenschappen.

Corning is actief in lucht- en ruimtevaart, biotechnologie en farmacie, elektronica en beeldschermen, optische communicatie en de auto-industrie. Binnen deze markten beschikt het over gespecialiseerde materiaaltechnologieën.

Veel van deze sectoren maken intensief gebruik van gespecialiseerde apparatuur en materialen. Dat kan Corning groeikansen bieden, maar de uitkomsten blijven afhankelijk van vraag, concurrentie en de ontwikkeling van zijn producten.