1 \p& Telecommunicatie van morgen via lichtstraal van een laser ALLE TV- PROGRAMMA'S OP AARDE OF MILJOENEN TELEFOONTJES INEEN NAALDDUNNE BUNDEL :gen- naar zo'n com! RIJ - GLASVLIES KINGEN ANDON N.v. Besturen Radio-ogen Robijn-laser Laser-straal Vertalen* Maser Gas-laser Optische kabel Het richten I aSfigSff iogd, vraagt ons eens om een offerte. (01600) 3 3410 - 4 2607 DA zullen onze ogen goed open den". Ik gaf de waarschu- Jg van Emery door aan de laten, maar ik kon aan hun cties merken, dat ze JBU ir een pessimist vonden. Ze den gauw genoeg merken, Emery het bij het rechte i had! Door Hans Friedeman HET LASER-principe, waar mee scherp gebundelde, zeer energierijke licht stralen kunnen worden verkregen, is ongetwijfeld een van de belangrijkste techno logische ontwikkelingen van de laatste tien jaar. Het aantal toepassingen van „lasers" in laboratoria en industrie neemt met de dag toe. De naaldfijne lichtstraal kan even gemakke lijk het hardste staal doorbo ren als een losgeraakt netvlies binnen het oog vast „lassen". Zij heeft nieuwe perspectieven geopend voor de wetenschap en technologie van de toekomst. De belangrijkste belofte is, dat „laser"-stralen een omwente ling teweeg zullen brengen in de telecommunicatie-techniek. Eén enkele laser-verbinding zou alle televisieprogramma's van de gehele wereld of 100 miljoen telefoongesprekken gelijktijdig kunnen transporte ren. En misschien zullen de kin deren van de komende genera tie in de ruimte tussen de pla neten met elkaar spreken via lichtstralen. zijn zintuigen zijn afgestemd, zoals geluiden en beelden. Daarop berust thans zijn gehele radio-radar en TV-telecommunicatietechniek. Er zijn verschillende mogelijkheden om signalen door middel van radiogol ven over te brengen. Men kan zo wel de amplitude (golfhoogte) als de frequentie (golflengte) van elek tromagnetische straling „module ren" en zo een bepaalde hoeveel heid informatie in deze straling verwerken. De hoeveelheid signalen die door radiogolven kan worden getranspor teerd, hangt nauw samen met de golflengte. Hoe kleiner deze golf- korte micro-radiogolven zijn, is het duidelijk dat de capaciteit van een lichtstraal om signalen over te bren gen vele malen groter moet zijn dan die van de kortste thans gebruik- te radiogolven. De verhouding ligt theoretisch in de orde van 1 op 100.000. Het ligt voor de hand dat telecom- municatie-deskundigen deze fantas tische capaciteit van het licht als informatiedrager graag zouden wil len benutten. Vooral ook omdat de telecommunicatietechniek snakt naar nieuwe golflengtegebieden, nu er een steeds groter gedrang ont staat op de thans gebruikte frequen ties. Het was tot een tiental jaren ceerde, d.w.z. gedwongen emissie (uitstraling) van licht. Deze theo rie komt er in het kort hierop neer: Licht is een vorm van energie. De ze energie komt vrij in de atomen van de materie, wanneer deze van een zogenaamde ..aangeslagen" toe stand terugkeren naar hun oor spronkelij ke grondtoestand;" Deze verschillende toestanden heb ben te maken met de banen die de elektronen om de atoomkern be schrijven. De elektronen kunnen van de ene baan in de andere „over springen". Deze banen liggen op ver schillende „energie-niveaus" Springt een elektron van een „la gere" baan over in een „hogere" hoog gesprongen elektron in een la gere baan Hierbij komt de energie, die nodig was om de aangeslagen toestand te bereiken, weer vrij in de vorm van. .licht. Het in 'n aangeslagen toestand bren gen van atomen, gebeurt in het al gemeen door mechanische stoten tussen atomen onderling (bijvoor beeld bij verhitting). Hierop kan de mens rechtstreeks invloed uitoefe nen. Het is echter niet mogelijk in vloed uit te oefenen op het tijdstip Lichtgolven verschillen in princi pe niet van radiogolven. Beide soor ten golven vertegenwoordigen een vorm van elektromagnetische ener- ge-uitstraling. Het verschil zit al leen in de golflengte of, anders gezegd, de frequentie. Licht heeft een veel kortere golflengte, dus een hogere frequentie dan radiogolven. Voorwerpen, die lichtgolven uit zenden of terugkaatsen, worden door ons gezien, omdat ons oog is „af gestemd" op de frequentie van de ze golven. Het oog is een gevoelige ontvanger voor elektromagnetische golven binnen een bepaald frequen- tiegebied. Dit gebied is slechts heel klein in vergelijking met de tota le golflengtenscala van elektromag netische straling. Het ligt tussen in frarood en ultraviolet, twee soorten licht die wij net niet meer kunnen zien. Wanneer ons gezichtszintuig een grotere frequentieband zou bestrij ken, bijvoorbeeld tot ver voorbij het infrarood, dan zou de wereld er heel anders uitzien. Met onze „ra dio-ogen" zouden we dan bijvoor beeld temperatuursverschillen kun- nene waarnemen. Wij zouden ons zelf en alle andere levende wezens in een zwakke gloed gehuld zien en het zou ook bij nacht nooit hele maal donker zijn. Bovendien zou den wij radiogolven kunnen zien en daardoor zou het heelal de aanblik krijgen van een kleurig vuurwerk met sputterende lichtbollen en gloei ende wolken. lengte is dus hoe hoger de fre quentie des te groter wordt de capaciteit voor het dragen van sig nalen. Voor verbindingen die een zeer groot aantal signalen gelijk tijdig moeten kunnen transporteren, kiest men daarom een zo kort mo gelijke golflengte. Door de toenemen de complexiteit van signalen (tele visie) en de steeds grotere belas ting van communicatienetten (tele foon) is men de laatste jaren nood gedwongen overgegaan op de mi- crogolf-techniek, die zich bedient EjHlStClIl van een groot aantal straalzenders. geleden alleen de vraag: hoe? Om signalen over te brengen zou het licht aan bijzondere eisen moeten voldoen. Het zou zeer zuiver moe ten zijn. een hoge energie moeten hebben en vooral zeer scherp ge bundeld moeten zijn. De „straal van een „laser" zou althans in principe de oplossing voor dit probleem brengen. De mens heeft geleerd de onzicht bare radiogolven te benutten voor het overbrengen van informatie en .>vertalenin signalen waarop Deze uiterst korte radiogolven hebben een golflengte van enkele decimeters tot enkel centimeters. Als men bedenkt dat de golflengte van zichtbaar licht in de buurt van een tienduizendste millimeter ligt en dat lichtgolven in wezen ultra Hoewel de Amerikaanse prof. Char les Townes van de Columbia uni versiteit de eer en de Nobel prijs toe kwam voor het uitvin den van de „laser", is de theore tische grondlegger voor het „laser"- principe dr. Albert Einstein ge weest. Reeds in 1917 stelde Einstein bij zijn studie over de wisselwerking tussen straling en materie de theo rie op van de zogenaamde geïndu Een van de praktische toepas singen van „lasers" is de „laser afstandsmeter". Via de rechtse huis van het hierbij afgebeelde apparaat worden „laser-lichtim- pulsen" naar het te meten object gezonden. De echo van de terug gekaatste lichtstraal wordt in de linkerbuis opgevangen. In het midden bevindt zich een zoeker waarmee men de afstandsmeter op het object kan richten. De tijd die verloopt tussen het uitzenden en terug ontvangen van een laser-impuls wordt elektro nisch gemeten. Daar de snelheid van het licht bekend is (300.WO km/sec.), kan men uit de tijd de afstand tot het object berekenen. De reikwijdte van de laser-af standsmeterbedraagt ruim 10 km. wat energie kost dan is het atoom „aangslagen". Deze aange slagen toestand is niet stabiel. Het atoom keert liefst zo gauw moge lijk weer naar zijn grondtoestand te rug. Als dit gebeurt, valt het om waarop een aangeslagen atoom naar zijn grondtoestand terugkeert. Dit gebeurt zowel in een gewone gloeilamp als in de zon geheel spon taan. Einstein echter stelde op grond van theoretische overwegingen, dat het naast deze spontane emissie van licht ook mogelijk moest zijn een „gedwogen" emissie tot stand te brengen met andere wporden, het proces van omhoog springen en te rugvallen van elektronen tussen ver schillende energie-niveaus van het begin tot eind te besturen. Hiermee was de theoretische grondslag gelegd voor het „laser"- principe. Maar het duurde nog tot 1955 voordat men een experimente le basis kon leggen. In dat jaar ge lukte het de microgolven onderzoe ker prof. Townes samen met enige medewerkers het concept voor de praktische toepassing van gedwon gen emissie" op te stellen. Het is eigenlijk niet meer dan logisch dat Townes het probleem p benaderde vanuit de microgolf-ra diotechniek. Het was een voortzet ting van het zoeken naai steeds kor tere golflengten voor telefommuni- catie. Het eerste experimentele ap paraat werkte dan ook met micro golven en kreeg de naam .MASER" hetgeen een afkorting was van „Microwave Amplification by Sti mulated Emission of Radiation" (microgolf versterking door ge dwongen uitzending van straling). De „maser" is sindsdien voor de radiotechniek van grote betekenis ge worden. Masers bezitten net vermo gen zeer zwakke radiogolven ab soluut ruis. en storingvrij vele ma len te versterken. Vooral de radio- astronomie heeft hiervan geprofi teerd. Radiosignalen uit het heelal, die voorheen te zwak waren om te worden onderscheiden van de eigen ruis van ontvangers, kunnen nu dank zij „masers" worden geregis treerd. Ook de telecommunicatie via satellieten, zoals het overzenden van televisiebeelden tussen de con tinenten, zou zonder „masers" ab soluut onmogelijk zijn geweest. In 1958 slaagde Townes er samen met zijn medewerker Schawlow in een „maser" te ontwerpen die in het frequentiegebied van lichtgolven werkte. Dit concept werd LASER" genoemd. (Light Amplification by- Stimulated Emission of Radiation). Misschien is het juister ran een „op tische maser" te spreken, maar het begrip „laser" is thans zo algemeen geworden dat een andere benaming alleen maar verwarrend kan wer ken. In 1960 gelukte het Theodor Mai- man van de Hughes Aircraft Com- panu het door Townes aangegeven concept uit te werken in een wer kelijk functionerend laser-apparaat. Het zou te ver voeren de gedetail leerde werking van deze „robijn laser" uiteen te zetten. Het kwam er op neer dat het ..hart" van het verbluffend eenvoudige apparaat werd gevormd door een robijn kristal. waarin een groot aantal aangeslagen atomen kon worden „gepompt". Door al deze atomen tegelijkertijd naar hun grondtoe stand te laten terugkeren, werd een zeer energierijke lichtstraal verkre gen, die buitengewoon scherp kon worden gebundeld. Sindsdien is de laser-techniek nog sterk verbeterd. De robijn-laser heeft het nadeel dat het apparaat niet continu kan werken, maar slechts lichtstof en" met een duur van ongeveer een honderste secon de kan uitzenden. Daardoor is de ro bijn-laser ongeschikt voor toepas singen in de telecommunicatietech niek. Voor het overbrengen van in formatie heeft men een continu werkende „laser" nodig of een waarin minstens enkele miljoenen lichtimpulsen per seconde worden uitgezonden. De ononderbroken lichtstraal werd verkregen in de later ontwikkelde „gas-laser". Het nadeel van dit ty pe is, dat de uitgezonden lichtstraal zwakker is. Niettemin is de gas- laser door zijn vele goede eigen schappen goed bruikbaar gebleken voor allerlei doeleinden. Een nog nieuwere versie is de „in jectie-laser". ontwikkeld door IBM en General Electric. Dit apparaat werkt met een soortgelijk halfgelei der-kristal als een transistor. Het grote voordeel van de injectie-laser is zijn geringe omvang en gewicht. Het betreffende kristal is slechts een halve millimeter lang en een tiende millimeter breed. Belangrijk voor telecommunicatie-toepassln- gen is dat de injectie-laser vrij ge makkelijk kan worden gemodu leerd. De injectie-laser zendt geen ononderbroken lichtstraal uit, maar de dichtheid van de lichtimpulsen is enkele miljoenen keren groter dan die bij de „oude" robijn-laser. Hoewel de grootste mogelijkheden van de laser-lichtstraal in de tele communicatie-techniek schijnen te liggen, is de tijd van praktische bruikbaarheid nog niet gekomen. Naast allerlei technische moeilijk heden bij het bouwen van de beno digde apparatuur en het „enten" van informatie op een laser-bun del is de belangrijkste hinderpaal dat lichtstralen veel gevoeliger zijn voor absorptie, terugkaatsing en turbulentie in de aardsatmosfeer dan radiogolven. Proeven hebben bijvoorbeeld aan getoond dat nevel, mist en regen het bereik van laser-verbindingen tot enkele kilometers of minder re duceren. Onder water is het pene tratie-vermogen van „laser"- licht niet groter dan enkele meters, zodat men aan onderzeese laser verbindingen niet behoeft te den ken. Op de vorige week in Londen ge houden conferentie over toepas singsmogelijkheden van „lasers" was men het er over eens, dat ,,la- ser"-telecommunieatie in de atmos feer niet zonder meer praktisch te verwezenlijken is. Er zijn twee mo gelijkheden: men maakt gebruik van een of andere „licht-geleider" waar in de omstandigheden minder on gunstig zijn dan in de open lucht, of men gaat laser-verbindingen uitsluitend boven de dampkring ge bruiken, in de ledige ruimte. Voor laser-verbindingen op aarde deed dr. A. E. Karbowiak van Standard Telecommunication Labo ratories Ltd. de suggestie een soort „optisch kabel" te gebruiken. Deze geleider zou kunnen bestaan uit optisch glas, omgeven door een laag glas met een kleinere brekings index. De glaskabel zou flexibel kunnen worden gemaakt door hem op te bouwen uit een groot aantal zeer dunne elementen. Het. zou zelfs mogelijk zijn een geprepareerd soort glas toe te passen, dat het zelfde effect zou hebben als een „la ser". Hierdoor zou de lichtstraal voortdurend worden versterkt en grote afstanden kunnen overbruggen Experimenten zullen moeten uitwij zen of deze mogelijkheden te ver wezenlijken zijn. Ongetwijfeld liggen in de ruimte de beste kansen voor laser-telecom- mupicatie In het luchtledige onder vindt een lichtstraal geen ot weinig hindernissen. Onderzoekers van de Amerikaanse Perkin-Elmer Corpo ration achten het mogelijk een we derzijdse televisie-verbinding tussen de aarde en de maand of zelfs tus sen de aarde en de planeet Mars tot stand te brengen door middel van een laser-systeem. Een wereld omspannend telecommunicatie net zou kunnen worden opgebouwd met behulp van satellieten, die on derling verbonden zijn door laser stralen. De grote praktische moeilijkheid is echter het nauwkeurig richten van een Laser-bundel tussen twee punten in de ruimte. De huidige techniek voor nauwkeurige positie bepaling en afstandmeting aal hier toe nog aanzienlijk moeten worden verbeterd. Er ligt op het gebied van telecom municatie nog een grote technolo gische uitdaging tussen vandaag en morgen. De mens heeft echter door de .laser" een lichtstraal met bij na magische krachten in handen ge kregen, En hij zal deze op een ze kere dag leren gebruiken.

Krantenbank Zeeland

de Stem | 1964 | | pagina 11