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.