Materialvetenskap

Laser som en kärnteknologi i den moderna världen och framtiden

mm
Publicerad
Uppdaterad
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Information: Securities.io kan få ersättning när du använder länkar till produkter vi granskar. Det påverkar inte våra redaktionella bedömningar. Vi är inte registrerad investeringsrådgivare; detta är inte investeringsråd. Läs vår affiliateinformation.

Laserns potential

Sedan den första lasern byggdes 1960 och forskarna bakom den fysik som gjorde den möjlig tilldelades Nobelpriset i fysik 1964 har tekniken fortsatt att få nya användningsområden. Lasrar används ofta för:

  • gravering & tryck,
  • fiberoptisk kommunikation,
  • optiska skivor,
  • tillverkning av halvledare,
  • kirurgi,
  • hälso- och sjukvårdsbehandling,
  • mätningar,
  • militär målinriktning.

Med denna utveckling kan lasrar inom en nära framtid bli avgörande för tillverkningsprocesser som svetsning och 3D-utskrift, satellitkommunikation, framdrivning av rymdfarkoster, bioteknik, databehandling (fotonik), kärnfusion och till och med vapen.

Laserprinciper

Laser är en akronym för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, alltså ljusförstärkning genom stimulerad emission av strålning. Grundidén bakom laserteknik är att framställa koherent ljus i stället för vanligt ljus.

Koherenta ljusstrålar skapar en mycket smal stråle med en enda våglängd som inte sprids över långa avstånd.

 

Källa: Britannica

En laser skapas genom att atomerna i det emitterande materialet stimuleras. Materialet är vanligtvis en gas men kan också vara flytande eller fast. Atomerna avger ljus, och det mesta av ljuset hålls kvar och reflekteras inuti lasern tills det kan lämna den som en koherent ljusstråle.

 

Lasrar kan tillverkas för många olika våglängder. Varje våglängd använder ett särskilt material för att alstra ljuset, vilket förändrar hur lasern fungerar. Olika våglängder bär olika mycket energi och absorberas olika beroende på målmaterialet.

Enbart inom medicinen kan många olika lasrar användas beroende på syftet.

(Läsare som är intresserade av de vetenskapliga principerna bakom lasrar kan läsa ”Laserprinciper” för att få veta mer.)

Laserteknikens utveckling

Lasrar har förbättrats avsevärt genom åren. Nya material har utökat antalet tillgängliga våglängder, bland annat genom CO2-, rubin-, titansafir- och kvantpunktslasrar, vars bakomliggande arbete belönades med Nobelpriset i fysik 2023.

Detta öppnade för lasrar med ultrakorta pulser och för lasrar som finjusterats för särskilda tillämpningar inom tillverkning och medicin.

Lågeffektslasrar blev snabbt tillräckligt billiga för att byggas in i streckkodsläsare på 1970-talet. Senare användes de för att läsa data på cd-skivor och därefter på dvd- och Blu-ray-skivor.

Nya former av lasrar kan också vara på väg. Ett exempel är lasrar i öppen luft, som kan bli robustare och lättare.

Laserapplikationer

Observation av extremt korta tidsförlopp

En tillämpning för ultrakorta laserpulser är att belysa ett mål under en mycket kort tid, i storleksordningen en femtosekund, alltså en miljondels miljarddels sekund.

Det gör det möjligt att observera fenomen som kemiska reaktioner i molekyler, vilka tidigare uppfattades som ögonblickliga.

Källa: Nobel Prize

Ytterligare framsteg öppnar till och med ett helt nytt forskningsfält, attosekundfysik. En attosekund är en tusendel av en femtosekund. Med tekniken kan forskare studera elektrondynamik inuti atomer och molekyler samt undersöka materia i kondenserad fas.

Gravering & tillverkning

Lasrar kan gravera material med mycket hög precision. Problemet är att alltför lång laserexponering snabbt värmer upp materialet och skapar skadliga stötvågor. Detta var tidigare ett problem för kraftfulla lasrar och material som måste vara helt felfria.

Förbättrade femtosekundlasrar kan fortfarande gravera, men pulserna är så korta att materialet inte överhettas. Därmed försvinner problemet.

Källa: Nobel Prize

I dag används lasrar regelbundet för borrning, skärning, märkning, texturering och svetsning av metaller samt av plast, trä och glas.

”Många av dagens tillverkade delar kräver mikroskopiska egenskaper som endast kan skapas genom laserborrning.

Mycket små och komplexa former kan tillverkas i en rad olika material med metoder som direktskrivning, trepanering och maskprojektion, utan värmepåverkan eller materialskador.”

Matt Nipper, teknikchef på Laser Light Technologies, som nu är en del av Spectrum Plastics.

Moderna lasermaskiner styrs med avancerad programvara på samma sätt som CNC-maskiner. Utrustning för lasertillverkning sträcker sig från små bordsapparater för några tusen dollar till fabriksstora maskiner för flera miljoner dollar.

Lasrar kan vara så precisa att de numera används för att avlägsna isolering från ledningar.

”Isolering kan avlägsnas med en tolerans på 0,005 tum. Avisoleringen kan programmeras för att ta bort isolering var som helst längs ledningen, vilket möjliggör mycket precisa ingrepp mitt på ledningen.”

Matt Nipper, teknikchef på Laser Light Technologies, som nu är en del av Spectrum Plastics.

 3D-utskrift

Många 3D-skrivare använder en laser för att smälta plasten eller metallen som bildar den färdiga 3D-utskrivna produkten. Detta omfattar laserpulverbäddsfusion, en teknik som kan bli ännu mer exakt och kraftfull med hjälp av en ringformad laserstråle.

Två lasrar samtidigt kan också bli en standardlösning för att påskynda additiv tillverkning.

I takt med att 3D-utskrift blir en allt större del av tillverkningsprocesserna, vilket diskuteras i ”3D-utskrift befäster sin roll i framtidens tillverkning”, kan vi förvänta oss att efterfrågan på lasrar ökar i motsvarande grad.

Medicinska tillämpningar

Lasrars intensiva ljus kan användas för laserplasmaacceleration, som accelererar partiklar som protoner och elektroner till extremt höga energinivåer. Partiklarna kan användas för strålbehandling, och lasrar gör det möjligt att bygga maskiner som är små nog för sjukhusmiljö, till skillnad från betydligt större och otympligare partikelacceleratorer.

Ultrasnabba lasrar används också vid ögonkirurgi, från LASIK-operationer som kan ta bort behovet av glasögon till fotokoagulering för behandling av diabetesretinopati, en sjukdom i näthinnan.

Källa: Nobel Prize

Lasrar kan användas för hudbehandling. Beroende på våglängden kan de påverka enbart det översta hudlagret eller djupare blodkärl.

Lasrar används även i kosmetiska behandlingar, från hår- och tatueringsborttagning till hudföryngring samt borttagning av akneärr och pigmentförändringar som åldersfläckar och födelsemärken.

Datalagring

Lasrar har använts för att lagra data på optiska skivor i flera årtionden. Kraftfullare lasrar med kortare våglängd kan lagra data tätare, vilket ledde till övergången till blå laser för Blu-ray.

Det blir dock allt tydligare att optiska skivor inte är en beständig form av datalagring.

Därför undersöks många laserbaserade metoder, såsom lågeffektsgravering i polymerer, andra former av mekanisk datalagring, gravering i diamanter och femdimensionella kristallskivor.

Lasrars förmåga att arbeta med en precision på nanometernivå, motsvarande ljusets våglängd, gör dem i vilket fall som helst till en sannolikt fortsatt föredragen metod för datalagring, särskilt för långtidslagring.

Halvledargravering

Sedan branschens början har halvledartillverkare använt lasrar för att bearbeta materialet som används till datorchip.

En viktig fördel är att laserskärning och lasergravering inte kräver kontakt och skapar mindre damm än alternativen. Det är särskilt viktigt för material som kräver högsta möjliga renhet. Laserskärning slösar också mindre material och orsakar inte sprickor.

Lasrar används för svetsning, borttagning av beläggningar och märkning av halvledarmaterial och utrustning.

Databehandling

Klassiska kiselchip närmar sig sin minsta möjliga storlek, och därför undersöks nya former av databehandling för att fortsätta öka kapaciteten i datorer och datacenter.

En av dem är fotonik, där ljus i stället för elektroner bär beräkningsdata. Metoden ersätter kiseltransistorer med ett stort antal ultrasnabba lasrar, ljussensorer och optiska fibrer och kan vara ett sätt att hålla Moores lag vid liv.

Ett annat alternativ är kvantdatorer, som använder kvanteffekter för att utföra beräkningar som vanliga datorer normalt inte klarar. Lasrar kan hjälpa även här, från infraröda lasrar för att manipulera väteatomer till lasrar som magnetiserar icke-magnetiska ämnen.

Telekommunikation

Utöver halvledare och databehandling har lasrar använts för informationsöverföring i årtionden.

Laserdioder kan alstra koherent ljus med smalt frekvensband, vilket gör att flera informationskanaler kan sändas genom en enda fiberoptisk kabel. De används främst för långdistanskommunikation och tillverkas med kvantpunkter.

Lasrar kan också användas för rymdkommunikation, antingen mellan satelliter eller mellan satelliter och markstationer.

Den främsta fördelen med laserkommunikation framför radiovågor är den större bandbredden, som gör att mer data kan överföras på kortare tid. En annan egenskap är att laserkommunikation är nästan omöjlig att avlyssna, eftersom en avlyssnare skulle behöva befinna sig fysiskt intill mottagaren.

Exempelvis har varje Starlink-satellit tre laserbaserade länkar mellan satelliter (ISL) som arbetar med 200 Gbit/s. De överför data mellan satelliterna innan informationen skickas ned till Starlinks markstationer.

Framtida rymdkommunikation med eventuella baser på månen eller Mars kommer sannolikt också att använda laser, eftersom tekniken erbjuder både snabbast möjliga dataöverföring och högsta möjliga bandbredd.

Bioteknik

Fluorescens

En ofta förbisedd användning av lasrar finns inom bioteknik. En tidig metod var laserinducerad fluorescens (LIF), där en laser får biologisk vävnad eller molekyler att avge grönt eller rött ljus så att de kan observeras i ett fluorescensmikroskop.

Källa: MicroscopyU

Lasrar används också i flödescytometrar för att separera celler i ett prov.

En viktig del av tekniken är LIF-spektroskopi, som används i kromatografi och kapillärelektrofores. Båda är centrala biokemiska metoder för analys av biologiska molekyler.

Gensekvensering & medicin

Förbättrad laserteknik och sjunkande kostnader har varit viktiga faktorer för att gensekvensering har blivit mer allmänt tillgänglig för både forskare och medicinska specialister.

Lasrar används för cancerdetektering och analys av cancerceller och kan också skära tunna vävnadsskivor för vidare analys.

Sensorer och självkörande fordon

Lasrar kan användas för att mäta den omgivande miljön. De kan användas för positionering i fabriker samt för att mäta avstånd eller upptäcka hinder.

Komplexa system av sådana lasrar används i lidar (Light Detection and Ranging), där pulser av laserljus mäter avståndet till omgivande föremål. Lidar-system används regelbundet för kartläggning.

Lidar är en central komponent i de flesta system för självkörande fordon, däribland Googles Waymo (GOOGL ). Ett undantag är Tesla, som endast förlitar sig på kameror.

Riktade energivapen

När drönare blir ett allt större hot på moderna slagfält söker försvarsmakter världen över efter billiga sätt att skjuta ned dem.

Detta är särskilt viktigt eftersom de flesta självmordsdrönare kostar högst några tusen dollar. En lösning med robotar eller till och med eldvapen blir därför ofta dyrare än målet.

En lösning kan vara laserbaserade vapen, en underkategori till riktade energivapen som även omfattar exempelvis mikrovågsstrålar. Tanken är att en kraftfull laserstråle ska bränna sönder drönaren innan den blir ett hot.

Eftersom ammunitionen bara skulle kosta den energi som används kan detta vara ett av få långsiktigt hållbara alternativ. Tekniken är dock långt ifrån mogen, och flera problem måste lösas innan den kan användas på aktiva slagfält:

  • Laservapen kan hindras av dimmigt väder.
  • Energiförbrukningen är enorm, vilket gör både dess generering och lagring för snabbeld problematiskt.
  • Laser tenderar att vara relativt ömtåliga enheter, vilket gör dem mindre pålitliga i frontlinjerollen.

Den första storskaliga användningen av laserbaserade vapen blir sannolikt skydd av fasta anläggningar som militärbaser och fartyg.

Kärnfusion

Den dominerande strategin för att uppnå kärnfusion bygger i dag på tokamaker, ringformade anläggningar som använder magnetfält för att hålla plasman på plats.

Som vi förklarade i ”Kärnfusion – den ultimata lösningen för ren energi vid horisonten” är detta dock inte den enda möjliga metoden för att åstadkomma kärnfusion. Ett annat alternativ är att med laser göra väteatomer så heta att de kolliderar. Det skapar omedelbart stötvågor som pressar samman väteatomerna.

Ett bra exempel är USA:s National Ignition Facility (NIF), som styr, förstärker, reflekterar och fokuserar 192 kraftfulla laserstrålar mot ett mål ungefär lika stort som ett suddgummi på en blyertspenna. Det ger en toppeffekt på 500 biljoner watt i en enda punkt.

 

Källa: Britannica

Sådana system är lovande kandidater för kommersiell kärnfusion och kan även vara användbara för pulsad fusionsdrift av rymdfarkoster i djupa rymden.

Rymdapplikationer

Astrofysik

Astrofysik handlar ofta om extrema tryck och temperaturer som är svåra att återskapa på jorden, exempelvis förhållandena inuti stjärnor och gasjättar.

Röntgenfrielektronlasrar (XFEL) kan hjälpa till att studera varm tät materia (WDM), vilket i sin tur kan bidra till bättre rymdfarkoster och fusionsmotorer.

Orbital solenergi

Solenergi i omloppsbana är en allt mer realistisk möjlighet för ren energiproduktion. Kostnaden för att skjuta upp ett kraftsystem i omloppsbana sjunker mycket snabbt, vilket kan göra det genomförbart att lyfta tusentals ton last till omloppsbana eller att tillverka utrustning i rymden.

Som vi undersökte i ”Rymdbaserade energilösningar för obegränsad ren energi” kan den producerade energin skickas tillbaka till jorden med antingen mikrovågsstrålar eller kraftfulla lasrar.

Solsegel

En annan framtida rymdtillämpning för lasrar är solsegel. Grundidén är att fotoner visserligen saknar massa men ändå bär ett mycket litet rörelsemängdsmoment.

I den viktlösa miljön i den djupa rymden kan denna lilla knuff räcka för att accelerera en rymdfarkost.

Ett solsegel är ett stort segel av folie som fångar ljus och omvandlar det till framdrivning. Laseranläggningar i omloppsbana eller på månen skulle kunna rikta mer ljus mot seglet och accelerera det till hastigheter som kemiska raketer inte kan nå.

Källa: For All Mankind TV

Metoden skulle till och med kunna användas för interstellära resor, eftersom känd fysik teoretiskt gör det möjligt att accelerera en rymdfarkost till 20 procent av ljusets hastighet.

Investera i laserteknik

Lasrar finns i otaliga delar av modern teknik, från optiska skivor och kirurgiska instrument till 3D-utskrift, halvledare, tillverkning och genomsekvensering. Marknaden på 17,8 miljarder dollar väntas växa med en årlig genomsnittlig tillväxttakt på 7,8 procent fram till 2030.

Du kan investera i laserrelaterade bolag genom många mäklare. Här på Securities.io hittar du våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien och många andra länder.

Om du inte vill välja enskilda bolag kan du även överväga teknik-ETF:er som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Det finns ingen ETF som enbart är inriktad på lasrar, men dessa ger en mer diversifierad exponering mot nano- och teknikaktier.

Du kan också läsa hur man investerar i gallium i vår särskilda rapport. Gallium är ett viktigt grundämne vid lasertillverkning och står för närvarande i centrum för handelskriget mellan USA och Kina.

Laserföretag

II-VI Marlow / Coherent

COHR Prisdiagram

Coherent är ett stort industrikonglomerat med fler än 26 000 anställda och en ledare inom laserteknik. Bolaget bildades genom sammanslagningen av specialistmaterialföretaget II-VI (COHR ) Marlow och lasertillverkaren Coherent.

Bolaget är expert på avancerade material som används i lasrar, optik och fotonik, såsom indiumfosfid, epitaxiella wafers och galliumarsenid. Det har vuxit kraftigt genom flera förvärv under det senaste årtiondet.

Källa: Coherent

Bolaget får 29 procent av sina intäkter direkt från lasrar. Resten är kopplad till tillhörande utrustning som optisk fiber och elektronik. Instrumentkategorin omfattar främst tillämpningar inom livsvetenskap och medicin.

Källa: Coherent

Bolagets närvaro inom avancerade material som termofotovoltaik, kiselkarbid, lasrar och elektronik gör att det kan dra nytta av strukturella trender som tillväxten inom precisionstillverkning, additiv tillverkning och 3D-utskrift, elektrifiering och förnybar energi. Vi diskuterade termofotovoltaik i en tidigare artikel.

Bolaget har nyligen avskilt sin kiselkarbidverksamhet i en ny enhet som ägs till 75 procent av Coherent. Resten ägs till lika delar av partnerna Mitsubishi Electric, som bidrar med immateriella rättigheter inom kiselkarbidkraftteknik, och Denso, som bidrar med sin verksamhet som fordonsleverantör inom elektrifiering och krafthalvledare.

Skälet är att kiselkarbid i allt högre grad har blivit en egen teknik som främst används i högeffektstillämpningar som elfordon, batterier och förnybar energi.

Coherent är ledande inom lidar och digital 3D-avkänning, bland annat för självkörande tillämpningar, biotekniska flödesceller för nästa generations sekvensering (NGS) och lasrar för halvledartillverkning. Bolaget förväntar sig att dess huvudmarknader växer med 8–20 procent.

Källa: Coherent

Andra möjliga nya lasertillämpningar, såsom riktade energivapen, fotonisk databehandling, kärnfusion och rymdteknik, kan också stödja bolagets långsiktiga tillväxt.

Sammantaget är Coherent så nära ett renodlat börsnoterat laserbolag som en investerare med intresse för sektorn kan komma. Bolaget har stark vertikal integration och över 3 100 patent som skyddar dess innovationer.

mm

Jonathan är en tidigare biokemistforskare som arbetade med genetisk analys och kliniska prövningar. Han är nu en aktieanalytiker och finansskribent med fokus på innovation, marknadscykler och geopolitik i sin publikation 'The Eurasian Century'.