Investering i Nobelpristagarnas prestationer – Lasernas potential

Nobelpristagarnas historia

Nobelpriset är en av världens mest ansedda utmärkelser. Det instiftades enligt Alfred Nobels testamente för att belöna dem som har gjort mänskligheten den största nyttan inom fysik, kemi, fysiologi eller medicin, litteratur och fredsarbete. Sveriges Riksbank instiftade senare ett separat ekonomipris till Alfred Nobels minne.

Pristagarna utses av olika svenska institutioner, med undantag för fredspriset, som beslutas av Norska Nobelkommittén.

Frågan om eftermälet

En ofta återgiven berättelse handlar om en fransk tidning som förväxlade Alfred Nobel med hans avlidne bror och publicerade en kritisk dödsruna. Den har kopplats till hans oro för sitt eftermäle, men bör inte behandlas som den enda säkert belagda orsaken till testamentet. Nobel uppfann bland annat dynamit och det rökfria krutet ballistit; dynamit är inte ett rökfritt krut.

Nobels uppfinningar fick både civila och militära tillämpningar. Han förvärvade också Bofors och bidrog till företagets utveckling som vapentillverkare. Testamentet speglar samtidigt en vilja att använda förmögenheten till insatser som gagnar mänskligheten.

Nobelpriset

Nobelstiftelsen förvaltar kapitalet och använder avkastningen för att finansiera prisverksamheten. Pristagarna får medalj, diplom och prispengar. År 2024 var beloppet 11 miljoner svenska kronor per helt Nobelpris, ungefär en miljon amerikanska dollar beroende på växelkursen.

Källa: Britannica

Prispengarna delas ofta mellan flera pristagare. Inom vetenskaperna kan två eller tre personer belönas för bidrag till samma upptäckt, vare sig de arbetat tillsammans eller oberoende av varandra.

Priserna har uppmärksammat både grundläggande forskning och upptäckter med praktiska tillämpningar, exempelvis radioaktivitet, antibiotika, röntgenstrålar och PCR. Andra exempel gäller solens energikälla, elektronens laddning, atomkärnans struktur och suprafluiditet.

Laserpotentialen

Den första fungerande lasern demonstrerades 1960. Laserljus kännetecknas av koherens och kan ofta formas till en smal stråle med liten spridning och ett begränsat våglängdsområde. Även laserstrålar divergerar, och alla lasrar har inte exakt en enda våglängd.

Källa: Britannica

Grundläggande forskning om laser- och maserprincipen belönades med 1964 års fysikpris till Charles H. Townes, Nikolaj G. Basov och Aleksandr M. Prochorov. Priset gällde kvantelektronik som möjliggjorde oscillatorer och förstärkare enligt dessa principer, inte enbart byggandet av den första fungerande lasern.

Det blev snabbt tydligt att lasrar kunde få många användningsområden, från industriell bearbetning till kommunikation.

Fortsatt forskning öppnade nya möjligheter. År 2018 belönades två olika framsteg inom laserteknik med Nobelpriset i fysik.

Arthur Ashkin utvecklade metoder för att fånga och förflytta mikroskopiska föremål med ljusets krafter. Gérard Mourou och Donna Strickland utvecklade i sin tur en metod för att skapa mycket korta laserpulser med hög toppeffekt.

Källa: Nobel Prize

Att förflytta föremål med ljus

Fotoner saknar vilomassa men bär energi och rörelsemängd. När ljus växelverkar med materia kan rörelsemängd överföras och ge upphov till en kraft utan mekanisk kontakt.

Krafterna är ofta små. Två användningsområden är solsegel i rymden och manipulation av mikroskopiska partiklar i laboratorier. Det är inte en absolut gräns för alla tänkbara tillämpningar.

Vid Bell Laboratories undersökte Ashkin hur laserljus påverkade genomskinliga kulor med mikrometerstorlek. Han visade att ljuset kunde skjuta dem framför sig.

Han observerade också en kraft mot strålens intensivare centrum. Denna gradientkraft kan, under rätt förhållanden, hålla en partikel nära strålens mitt.

Fånga partiklar med ljus

Genombrottet kom när en lins användes för att fokusera strålen kraftigt. Där kunde gradientkraften balansera de krafter som annars trycker partikeln bort från fokus. Resultatet blev en optisk fälla som kunde hålla och förflytta små föremål.

Källa: Nobel Prize

År 1986 demonstrerades en optisk fälla med en enda starkt fokuserad stråle. Tekniken blev känd som optisk pincett och kan användas för partiklar från nanometer- till mikrometerskala, beroende på systemet.

Optiska krafter fick även stor betydelse för infångning och manipulation av atomer. Laserkylning använder närbesläktade men särskilda metoder.

Att manipulera levande celler

Ashkin undersökte särskilt biologiska tillämpningar. Grönt ljus kunde skada vissa prov, så infrarött ljus användes för att minska skadorna under lämpliga betingelser. Optisk pincett gjorde det möjligt att hålla och flytta bland annat bakterier, virus och komponenter inne i celler.

Tekniken har använts för att mäta vridmoment från bakteriers flageller, undersöka krafter i cellernas mikrotubulisystem och manipulera strukturer i växtceller.

Källa: Nobel Prize

Förbättrad precision har gjort det möjligt att undersöka förändringar på nivån av enstaka baspar i DNA, mäta krafter vid enzymers arbete med proteiner och studera hur RNA-molekyler veckas ut.

Nya metoder utvecklas fortfarande, bland annat holografisk optisk pincett, som kan skapa många optiska fällor samtidigt. Antalet beror på utrustningen och tillämpningen.

En liknande idé använder ljudvågor i stället för laserljus: akustisk pincett. Vi undersökte möjliga medicinska tillämpningar i artikeln ”Riktad läkemedelstillförsel kan gynnas av en ny teknik med ljudvågor”.

Ultrasnabba laserpulser

Lasrar kan avge kontinuerligt ljus eller pulser. Redan den första fungerande lasern var pulsad. Korta pulser kan koncentrera energi till mycket kort tid och därmed ge hög toppeffekt.

Med bland annat modlåsta lasrar och efterföljande förstärkning kunde pulser med energier på nanojoulenivå förstärkas till millijoulenivå, en miljonfaldig energiökning. Det är en jämförelse av pulsenergi, inte automatiskt av medeleffekt. Höga intensiteter riskerade dock att skada förstärkarmaterialen.

Källa: Nobel Prize

En lösning var att öka strålens diameter och därmed sänka intensiteten i förstärkaren. Stora högenergisystem blev emellertid dyra, och vissa kunde bara avfyra ett fåtal pulser per dag.

Chirped Pulse Amplification (CPA) till undsättning

Donna Strickland, då doktorand vid University of Rochester, och hennes handledare Gérard Mourou utvecklade en metod som kringgick denna begränsning. Arbetet blev grunden för deras del av 2018 års fysikpris.

Först sträcks pulsen ut i tiden så att toppeffekten minskar. Därefter förstärks den utan samma risk att skada materialet. Till sist komprimeras den igen till en kort puls med mycket hög toppeffekt. Metoden kallas chirped pulse amplification, CPA.

Principen är enkel att beskriva men krävde ett noggrant experimentellt genomförande. Forskarna använde en lång optisk fiber och arbetade med att få utsträckning, förstärkning och kompression att fungera tillsammans. Resultatet publicerades 1985 och möjliggjorde fortsatt utveckling av kraftfulla ultrakorta pulser.

Källa: Nobel Prize

Tillämpningar av ultrasnabba laserpulser

Observationer på mycket korta tidsskalor

Ultrakorta pulser kan användas för att följa mycket snabba processer. En femtosekund är 10⁻¹⁵ sekunder, alltså en miljondels miljarddels sekund. Sådana tidsupplösningar gör det möjligt att studera exempelvis förlopp i kemiska reaktioner.

Källa: Nobel Prize

Ännu kortare pulser används inom attosekundfysik. En attosekund är 1/1000 av en femtosekund. De gör det möjligt att undersöka elektronernas dynamik i atomer och molekyler samt processer i kondenserad materia.

Medicinska tillämpningar

Intensiva laserpulser kan också skapa plasma som accelererar elektroner eller protoner. Kompakt partikelacceleration för medicin är ett forskningsområde, men laserdriven strålbehandling bör inte beskrivas som en etablerad ersättning för dagens kliniska acceleratorer.

Femtosekundlasrar används vid vissa ögonoperationer, bland annat för att skapa en hornhinneflik vid LASIK. Andra steg kan använda andra lasertyper. Fotokoagulation vid diabetisk retinopati bygger på en annan, avsiktligt termisk behandling och är inte samma tillämpning av ultrakorta pulser.

Källa: Nobel Prize

Materialvetenskap

Laserljus kan bearbeta material med hög precision. Längre pulser eller långvarig belysning kan samtidigt värma upp området och orsaka oönskade termiska förändringar.

Femtosekundpulser kan avlägsna material med mindre värmespridning till omgivningen. Det minskar ofta den värmepåverkade zonen, men innebär inte att all uppvärmning eller skaderisk försvinner.

Källa: Nobel Prize

Detta är användbart vid bland annat ögonkirurgi, datalagring och tillverkning av medicinska stentar. Stentar är små nätliknande stöd som placeras i blodkärl eller andra kanaler; deras totala diameter är normalt i millimeter, medan tillverkningsdetaljer kan ligga på mikrometerskala.

Investering i laserteknik

Lasrar används inom bland annat optiska skivor, kirurgi, 3D-utskrift, halvledartillverkning, annan industriell bearbetning och genomsekvensering. Den citerade marknadsanalysen uppskattade marknaden till 17,8 miljarder dollar och förutsåg en genomsnittlig årlig tillväxt på 7,8% fram till 2030. Uppskattningen beror på analysens årtal och marknadsdefinition. Lasermarknaden som helhet är bredare än enbart ultrakorta pulser.

Vi diskuterar fler möjliga tillämpningar inom försvar, hälsa och fusion i artikeln ”Lasrar kan få en central roll under kommande decennier när tekniken utvecklas”.

Aktier i laserrelaterade företag kan köpas genom olika mäklare. På securities.io presenterar vi mäklarguider för USA, Kanada, Australien, Storbritannien och många andra länder.

Ett annat alternativ är bredare teknikfonder, exempelvis iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Dessa är inte renodlade laserfonder. Deras exponering, kostnader, tillgänglighet och risker beror på fondens inriktning och innehav.

Laserföretag

1. Coherent

Coherent är en industrikoncern inom material, nätverksteknik och lasrar. Den historiska presentationen anger fler än 26 000 anställda. Dagens bolagsstruktur följer av att II-VI (COHR ) förvärvade Coherent, Inc. 2022 och därefter tog namnet Coherent Corp. Marlow var en verksamhet inom II-VI, inte namnet på hela den förvärvande koncernen.

Företaget utvecklar avancerade material för lasrar, optik och fotonik, exempelvis indiumfosfid, epitaxiella wafers och galliumarsenid. Flera förvärv har bidragit till dess expansion.

Källa: Coherent

I den citerade presentationen stod segmentet Lasers för 29% av intäkterna. Övriga segment omfattade bland annat nätverks- och materialteknik. Det är en historisk segmentfördelning, inte ett mått på all indirekt laserrelaterad verksamhet.

Källa: Coherent

Verksamheter inom termofotovoltaik, som vi har behandlat i en tidigare artikel, kiselkarbid, lasrar och elektronik kan ge exponering mot precisionsbearbetning, additiv tillverkning, elektrifiering och förnybar energi. Tillväxten i dessa områden är dock inte garanterad.

År 2023 tog Denso och Mitsubishi Electric vardera en ägarandel på 12,5% i Coherents kiselkarbidverksamhet, medan Coherent behöll 75%. Samarbetet kombinerade materialteknik med partnernas verksamheter inom kraftelektronik och fordonsindustrin.

2. Corning

Corning är ett materialteknikföretag med tre centrala kompetensområden: glasvetenskap, optisk fysik och keramiska material. Företaget levererar bland annat material och system för lasertillämpningar.

Källa: Corning

Den historiska beskrivningen anger fler än 50 000 anställda. Företaget arbetar med bland annat optisk fiber, precisionsbearbetning, tåligt specialglas, trådlösa nätverk och keramiska komponenter för avgasrening. År 1970 demonstrerade dess forskare optisk fiber med låg förlust, ett viktigt steg för fiberkommunikation.

Lasersystem kräver ofta material med hög renhet och optiska komponenter med mycket noggrann tillverkning. Därför finns beröringspunkter mellan flera av Cornings teknikområden.

Exempel ur företagets innovationshistoria är:

• Värmetåligt glas under varumärket PYREX.
• Glas för LCD-skärmar.
• Antimikrobiellt glas.
• Optiska komponenter till James Webb-teleskopets styr- och spårningssystem.
• Optiska material och komponenter för laserbaserad fusionsforskning.

Källa: Corning

Corning erbjuder också laserteknik för exempelvis skärning och bearbetning av glas och andra spröda material.

Källa: Corning

Avancerad optik, laserteknik och keramiska material används i många högteknologiska tillämpningar, från halvledartillverkning till livsvetenskaper.

Företaget levererar till bland annat flyg- och rymdindustrin, bioteknik och läkemedel, elektronik och bildskärmar, optisk kommunikation och fordonsindustrin.

Dessa marknader kan skapa möjligheter för specialiserade leverantörer, men utvecklingen skiljer sig mellan sektorer och konjunkturfaser. Cornings framtida tillväxt och lönsamhet beror bland annat på efterfrågan, konkurrens, teknikutveckling och kostnader.