Laser als kerntechnologie van de moderne wereld en de toekomst

Potentieel van lasers

Sinds de eerste laser in 1960 werd gebouwd, en werden de wetenschappers achter de fysica die het mogelijk maakten beloond met een Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1964, heeft de technologie voortdurend nieuwe toepassingen gevonden. Lasers worden doorgaans gebruikt voor:

• graveren & afdrukken,
• glasvezelcommunicatie,
• optische schijven,
• halfgeleiderproductie,
• chirurgie,
• gezondheidszorgbehandelingen,
• metingen,
• militaire doelbepaling.

Op basis hiervan kan de nabije toekomst zelfs zien dat ze cruciaal worden in productieprocessen (lassen, 3D-printen), satelliettelecommunicatie, het voortstuwen van ruimteschepen, biotechnologie, computertechniek (fotonica), kernfusie en zelfs wapens.

Laserprincipes

Laser is een acroniem voor Licht Amplificatie door Stimulatie Emissie van Radiatie. Het belangrijkste idee achter lasertechnologie is het produceren van “coherent” licht in plaats van gewoon licht.

Coherente lichtstralen creëren een zeer smal licht op een enkele golflengte dat zich over lange afstanden niet verspreidt.

Bron: Britannica

De manier om een laser te maken is de atomen van de emitter te stimuleren, meestal een gas, maar kan ook vloeistof of vast zijn, zodat ze licht uitstralen en het grootste deel van dat licht wordt opgesloten en gereflecteerd binnen de laser totdat het kan ontsnappen als een coherente lichtstraal.

Bron: University of Kwazulu-Natali

Laser kunnen worden gemaakt voor een breed scala aan lichtgolflengten, elk met hun eigen materiaal om het licht te produceren, wat hun werking verandert. Verschillende golflengten dragen verschillende energieniveaus en worden verschillend geabsorbeerd afhankelijk van het doelmateriaal.

Bijvoorbeeld, zelfs alleen in de medische sector kunnen veel verschillende lasers worden gebruikt afhankelijk van het doel.

Bron: University of Kwazulu-Natali

Verbetering van lasertechnologie

In de loop der jaren zijn lasers sterk verbeterd. Nieuwe materialen hebben het aantal beschikbare golflengten vergroot, met CO₂, robijn, titaan-saffier en quantumdotslasers (zelf de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2023).

Dit opende de mogelijkheid voor ultrakorte puls lasers, evenals lasers die fijn afgestemd zijn op specifieke toepassingen in de productie en geneeskunde.

Low-power lasers werden snel goedkoop genoeg om in barcodelescanners te worden geïntegreerd in de jaren 70. Later werden ze gebruikt om gegevens op CD’s te lezen, en later DVD’s en Blu-Ray schijven.

Bron: Laser Warfare

Lasertoepassingen

Observaties op infinitesimale tijd

Een van de toepassingen van ultrakorte laserpulsen is om een doelwit zeer kort te “verlichten”, in de orde van femtoseconden, een miljoenste van een miljardste seconde.

Dit maakt de observatie van fenomenen zoals moleculaire chemische reacties, die voorheen als onmiddellijk werden gezien, mogelijk.

Bron: Nobel Prize

Verder onderzoek opent zelfs een geheel nieuw wetenschappelijk veld, attosecondenwetenschap (1/1000^de van een femtoseconde). Hiermee kunnen wetenschappers de elektrondynamiek binnen atomen en moleculen bestuderen, en materie in de gecondenseerde fase kan worden onderzocht.

Graveren & productie

Laser kunnen worden gebruikt om zeer nauwkeurig in materialen te graveren. Het probleem is echter dat langdurig gebruik van de laser snel het materiaal opwarmt, wat schadelijke schokgolven veroorzaakt. Voor krachtige lasers of materialen die geen defecten mogen hebben, was dit een probleem.

Verbeterde femtosecondlaser blijven het graveren uitvoeren, maar zijn kort genoeg om niet te oververhitten, waardoor dit probleem verdwijnt.

Bron: Nobel Prize

Tegenwoordig worden lasers routinematig gebruikt voor boren, snijden, markeren, textureren en lassen van metalen, evenals plastic, hout, glas, enz.

“Veel van de huidige vervaardigde onderdelen vereisen microscopische kenmerken die alleen met laserboren kunnen worden gecreëerd.

Zeer kleine, complexe kenmerken kunnen worden geproduceerd in verschillende materialen, met methoden zoals direct schrijven, trepanning en maskprojectie, zonder warmte-effecten of materiaalschade.

Matt Nipper, directeur engineering voor Laser Light Technologies, nu onderdeel van Spectrum Plastics.

Moderne lasermachines worden aangestuurd via geavanceerde software op dezelfde manier als CNC-machines. Laserproductietools variëren van kleine desktopapparaten die enkele duizenden dollars kosten tot fabrieksgroottes machines van meerdere miljoenen dollars.

Laser kunnen zelfs zo precies zijn dat ze nu worden gebruikt voor het verwijderen van isolatie van draden.

“Isolatie kan worden verwijderd tot binnen een tolerantiewaarde van 0,005 inch. Strippen kan geprogrammeerd worden om isolatie op elk punt langs de draad te ablatie, waardoor hoge-precisie middelste verwijderingen mogelijk zijn.”
Matt Nipper, directeur engineering voor Laser Light Technologies, nu onderdeel van Spectrum Plastics.

3D-printen

Veel 3D-printers gebruiken een laser om het plastic of metaal te smelten dat wordt gebruikt om het uiteindelijke 3D-geprinte product te vormen. Dit omvat laser-bedfusie, een techniek die nog preciezer en krachtiger kan worden door een ringvormige laserstraal te gebruiken.

Bron: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Twee lasers tegelijk zouden ook een standaardopstelling kunnen worden om het additive productietraject te versnellen.

Al met al, naarmate 3D-printen een steeds groter deel van productieprocessen wordt, zoals besproken in “3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing”, kunnen we verwachten dat de vraag naar lasers evenredig zal stijgen.

Medische toepassingen

Het intense licht van lasers kan worden gebruikt om laser-plasmaversnelling te creëren, waarbij deeltjes zoals protonen en elektronen tot extreme energieniveaus worden versneld. Deze kunnen worden gebruikt voor radiotherapie, waarbij lasers machines mogelijk maken die klein genoeg zijn om in een ziekenhuisomgeving te passen, in tegenstelling tot deeltjesversnellers die veel groter en omvangrijker zijn.

Ultrasnelle lasers worden ook gebruikt voor oogchirurgie, van LASIK-operaties die de noodzaak van een bril wegnemen tot fotocoagulatie om diabetische retinopathie (ziekten van het netvlies) te behandelen.

Bron: Nobel Prize

Laser kunnen worden gebruikt voor huidbehandelingen, variërend van het beïnvloeden van alleen de bovenste laag tot de diepere bloedvaten, afhankelijk van de gebruikte golflengte.

Bron: Laser Focus World

Tenslotte hebben lasers toepassingen voor cosmetische behandelingen, van haar- en tatoeageverwijdering tot huidverjonging, verwijdering van acne-littekens en gepigmenteerde vlekken (bijv. ouderdomsvlekken en moedervlekken).

Gegevensopslag

Laser worden al tientallen jaren gebruikt voor het coderen van gegevens op optische schijven. Sterkere lasers met kortere golflengten kunnen gegevens dichter opslaan, vandaar de overstap naar blauwe LED-lasers voor Blu-Ray.

Het wordt echter nu duidelijk dat optische schijven geen duurzame vorm van gegevensopslag zijn.

Er worden nu veel methoden met lasers overwogen, zoals low-power graveren op polymeren, andere vormen van mechanische gegevensopslag, diamanten graveren, of 5D kristallen schijven.

Bron: University of Southampton

In elk geval maakt het vermogen van lasers om zo precies te zijn als de nanometers van hun lichtgolflengte dat ze waarschijnlijk een voorkeursmethode blijven voor gegevensopname, vooral voor langdurige opslag.

Halfgeleidergravure

Sinds het ontstaan van de industrie gebruiken halfgeleiderfabrikanten lasers om het materiaal voor het maken van computerchips voor te bereiden.

Een belangrijk voordeel is dat laser snijden en graveren geen contact vereisen en minder stof produceren dan alternatieven, een belangrijk voordeel voor materialen die de hoogste zuiverheidsgraad vereisen. Lasersnijden verspilt ook minder materiaal en veroorzaakt geen scheuren.

Laser worden gebruikt voor lassen, het verwijderen van coatings en markeren van halfgeleidermateriaal en -apparatuur.

Computing

Aangezien klassieke siliciumchips bijna zo klein mogelijk worden, worden nieuwe vormen van computing overwogen om de kracht van onze computers en datacenters te blijven vergroten.

Een daarvan is fotonica, waarbij licht in plaats van elektronen wordt gebruikt om de computationele data te transporteren. De methode maakt veel gebruik van ultrasnelle lasers, evenals lichtsensoren en optische vezels om siliciumtransistoren te vervangen en zou een manier kunnen zijn om de wet van Moore levend te houden.

Een andere optie zijn quantumcomputers, die kwantumeffecten gebruiken om berekeningen uit te voeren die normaal onmogelijk zijn voor gewone computers. Laser kunnen hier ook helpen, van infraroodlasers om waterstofatomen te manipuleren tot het gebruik van laser om niet-magnetische stoffen te magnetiseren.

Telecommunicatie

Naast halfgeleiders en computing worden lasers al decennialang gebruikt om informatie te verzenden.

Laserdiodes kunnen coherent licht produceren met een smalle frequentie, waardoor meerdere informatiekanalen via één glasvezelkabel kunnen worden verzonden. Ze worden voornamelijk gebruikt voor langeafstandstelecommunicatie en gemaakt met quantumdots.

Laser kunnen ook worden gebruikt voor ruimte-telecommunicatie, zowel tussen satellieten als tussen satellieten en aardse stations.

Het belangrijkste voordeel van lasercommunicatie ten opzichte van radiogolven is een verhoogde bandbreedte, waardoor meer data in minder tijd kan worden overgedragen. Een ander kenmerk is dat lasertelecommunicatie bijna onmogelijk te onderscheppen is, aangezien afluisteren fysiek naast de ontvanger zou moeten plaatsvinden.

Bijvoorbeeld, de satellieten van Starlink elk bevatten 3 laser Inter-satellietlinks (ISL’s) die opereren op 200 Gbps (Gigabytes per seconde) om data naar elkaar te verzenden voordat ze terug worden gebundeld naar Starlink-stations.

In de toekomst zal elke ruimte-telecommunicatie met potentiële maan- of Mars-bases waarschijnlijk ook laser gebruiken, omdat het zowel de snelst mogelijke gegevensoverdracht als de hoogste bandbreedte biedt.

Biotechnologie

Fluorescentie

Een vaak vergeten toepassing van lasers is in de biotechnologie. De vroege methode was Lasergeïnduceerde Fluorescentie (LIF), waarbij een laser wordt gebruikt om biologische weefsels of moleculen groen of rood licht te laten uitstralen, waardoor ze in een fluorescentiemicroscoop kunnen worden waargenomen.

Bron: MicroscopyU

Laser worden gebruikt in flowcytometers om cellen in een monster te scheiden.

Een belangrijk subsegment van deze techniek is LIF-spectroscopie, gebruikt in chromatografie en capillaire elektroforese, beide zeer belangrijke technieken in de biochemie voor de analyse van biologische moleculen.

Gen-sequencing & Geneeskunde

Een andere steeds belangrijkere biotechnologische toepassing van laser is genetische sequencing.

Bron: Memorial University

Verbeteringen in lasertechnologie en dalende kosten zijn sleutel factoren geweest om gensequencing meer algemeen en beschikbaar te maken voor zowel onderzoekers als medische specialisten.

Laser worden gebruikt voor kankerdetectie en analyse van kankercellen en kunnen ook worden gebruikt om dunne weefselplakjes te snijden voor verdere analyse.

Sensoren en zelfrijdende voertuigen.

Laser kunnen worden gebruikt om de omgeving rondom hen te meten. Ze kunnen worden gebruikt voor het positioneren van laser in fabrieken, het meten van afstand, of de aanwezigheid van een obstakel.

Complexe systemen van dergelijke laser worden gebruikt in LIDAR (Light Detection and Ranging), waarbij pulsen van laserlicht worden gebruikt om de afstand tot objecten eromheen te meten. LIDAR-systemen worden routinematig gebruikt voor cartografie.

LIDAR’s zijn een belangrijk onderdeel van de meeste zelfrijdende voertuigsysteem (met uitzondering van Tesla’s afhankelijkheid van alleen camera’s), inclusief Google’s Waymo (GOOGL ).

Directe-energie wapen

Aangezien drones een groeiende bedreiging vormen op moderne slagvelden, zoeken legers over de hele wereld naar goedkope oplossingen om ze neer te schieten.

Dit is vooral belangrijk omdat de meeste zelfmoorddrones maximaal enkele duizenden dollars kosten, waardoor elk raket- of zelfs geweer-gebaseerde oplossing vaak duurder is dan het doelwit.

Een oplossing kunnen lasergebaseerde wapens zijn, een subcategorie van directe-energie wapens (die bijvoorbeeld ook microgolfstralen omvatten). Het idee is om een krachtige laserstraal te gebruiken om de drone te verbranden voordat deze een bedreiging kan vormen.

Bron: Laser Focus World

Aangezien de kosten van de “munitie” alleen de energiekosten zouden zijn, zou dit op de lange termijn een van de weinige levensvatbare opties kunnen zijn. Het idee is echter nog ver van volwassen, met een aantal problemen die moeten worden opgelost voordat het kan worden ingezet op actieve slagvelden:

• Laserwapens kunnen worden belemmerd door mistig weer.
• Het energieverbruik is enorm, waardoor zowel de opwekking als de opslag voor snelvuur problematisch is.
• Laser zijn relatief fragiele apparaten, waardoor ze niet zo betrouwbaar zijn in een frontlinierol.

Het is waarschijnlijk dat de eerste grootschalige inzet van lasergebaseerde wapens zal plaatsvinden bij vaste installaties zoals militaire bases en schepen.

Kernfusie

Momenteel is de dominante strategie voor het bereiken van kernfusie het gebruik van tokamaks, en donutvormige structuren die magnetische velden gebruiken om het plasma te bevatten.

Zoals we uitlegden in “Kernfusie – De ultieme schone energieoplossing aan de horizon”, dit is echter niet de enige mogelijke methode om kernfusie te bereiken. Een andere optie is om lasers te gebruiken om waterstofatomen zo heet te maken dat ze met elkaar botsen, wat onmiddellijk schokgolven creëert die de waterstofatomen samen duwen.

Een goed voorbeeld is de U.S. National Ignition Facility (NIF), die 192 krachtige laserstralen leidt, versterkt, reflecteert en focust op een doelwit ter grootte van een potloodgum. Dit levert 500 biljoen watt piekvermogen op één punt.

Bron: Britannica

Dergelijke systemen zijn goede kandidaten voor potentiële commerciële kernfusie, en kunnen ook nuttig zijn voor pulserende fusie-voortstuwing voor diepe-ruimte ruimteschepen.

Ruimte-toepassingen

Astrofysica

Astrofysica behandelt vaak extreme druk- en temperatuuromstandigheden, die moeilijk op aarde te repliceren zijn. Bijvoorbeeld de samenstelling van sterren of gasreuzenplaneten.

X-ray free-electron lasers (XFELs) kunnen helpen bij het bestuderen van dergelijke Warme Dichte Materie (WDM), wat op zijn beurt kan helpen bij het creëren van betere ruimtevaartuigen en kernfusie‑motoren.

Orbital zonne-energie

Een groeiende mogelijkheid voor schone energieopwekking is orbitale zonne-energie. Dit komt doordat de kosten voor het lanceren van een energiesysteem in een baan zeer snel dalen, waardoor het idee van het vervoeren van duizenden tonnen vracht naar de baan of ruimtegebaseerde productie levensvatbaar wordt.

Zoals we onderzochten in “Space-Based Energy Solutions For Endless Clean Energy”, kan de opgewekte energie terug naar de aarde worden gebundeld via microgolfstralen of krachtige lasers.

Zonnezeil

Een andere toekomstige ruimtegebaseerde mogelijkheid voor lasers is zonnezeilen. Het belangrijkste idee is dat hoewel fotonen geen massa hebben, ze toch een minuscule impuls dragen.

In de gewichtloze omgeving van de diepe ruimte kan dit kleine duwtje voldoende zijn om een ruimteschip te versnellen.

Een zonnezeil zou een groot zeil van folie zijn dat licht kan opvangen en omzetten in voortstuwing. Orbitale of maan-gebaseerde lasersystemen zouden meer licht op zo’n systeem kunnen werpen en het laten versnellen tot snelheden die onbereikbaar zijn met chemische raketmotoren.

Bron: For All Mankind TV

Deze methode zou zelfs kunnen worden gebruikt voor interstellaire reizen, aangezien hij theoretisch een ruimteschip tot 20% van de lichtsnelheid kan duwen met bekende natuurkunde.

Investeren in lasertechnologie

Laser zijn aanwezig in talloze onderdelen van moderne technologie, van optische schijven tot chirurgische instrumenten, 3D-printen, halfgeleiders, productie en genoomsequencers, met een markt van $17,8 miljard die naar verwachting tot 2030 met 7,8% CAGR zal groeien.

U kunt investeren in lasergerelateerde bedrijven via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke bedrijven, kunt u ook kijken naar technologie-ETF’s zoals iShares U.S. Technology ETF (IYW) of ProShares Nanotechnology ETF (TINY), zelfs als er geen specifieke laser‑ETF beschikbaar is, wat een meer gediversifieerde blootstelling biedt om te profiteren van nanotechnologie‑ en tech‑aandelen.

U kunt ook leren hoe u in gallium kunt investeren in ons speciale rapport, aangezien gallium een sleutelelement is voor de productie van lasers, momenteel in het middelpunt van de VS‑China handelsoorlog.

Laserbedrijf

II-VI Marlow / Coherent

Coherent is een groot industrieel conglomeraat met meer dan 26.000 werknemers en een leider in lasertechnologie, voortgekomen uit de fusie van geavanceerd materiaal II-VI (COHR ) Marlow met de laserfabrikant Coherent.

Het bedrijf is een expert in geavanceerde materialen die worden gebruikt in lasers, optica en fotonica, zoals indiumfosfide, epitaxiale wafers en galliumarsenide. Het groeide grotendeels dankzij meerdere overnames in het afgelopen decennium.

Bron: Coherent

Het bedrijf haalt 29% van zijn omzet rechtstreeks uit lasers, terwijl de rest verband houdt met gerelateerde apparatuur zoals optische vezels en elektronica. De instrumentatie‑categorie omvat voornamelijk levenswetenschappen en medische toepassingen.

Bron: Coherent

De aanwezigheid van het bedrijf in geavanceerde materialen zoals thermofotovoltaïcs (waarover we in een eerder artikel spraken), siliciumcarbide, lasers en elektronica helpt het te profiteren van structurele trends zoals de groei van precisieproductie, additive manufacturing (3D-printen), elektrificatie en hernieuwbare energieën.

Het bedrijf heeft recentelijk zijn siliciumcarbide‑activiteiten gesplitst in een nieuwe entiteit, waarvan 75% eigendom is van Coherent, en de rest gelijkelijk wordt gedeeld door zijn partners Mitsubishi Electric (die siliciumcarbide‑power‑IP levert) en Denso (die zijn activiteit als automobiele leverancier op het gebied van elektrificatie en vermogenshalfgeleiders brengt).

Dit komt omdat siliciumcarbide steeds meer een eigen technologie wordt, voornamelijk gebruikt in high‑power toepassingen zoals elektrische voertuigen, batterijen en hernieuwbare energie.

Coherent is een leider in LIDAR en 3D‑digitale sensortechnologie, inclusief voor zelfrijdende toepassingen, biotechnologie Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, en lasers voor halfgeleiderproductie. Het verwacht dat zijn belangrijkste markten met 8‑20% zullen groeien.

Bron: Coherent

De andere potentiële nieuwe toepassingen van lasers, zoals directe-energie wapens, fotonische computing, kernfusie en ruimte‑technologie, kunnen allemaal evenzeer bijdragen aan het behouden van de langetermijngroei van het bedrijf.

Al met al is Coherent zo dicht mogelijk bij een “pure play” beursgenoteerd laserbedrijf voor beleggers die geïnteresseerd zijn in de sector, met een sterke verticale integratie en meer dan 3.100 patenten die haar innovaties beschermen.