thumb|280px|Lasery: zielony (520 nm), niebieskofioletowy (405 nm) i czerwony (635 nm) mały|Rozszczepienie wiązki lasera. alt=Laser|mały|Laser czerwony świecony na lustro
Laser – urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnejNie dotyczy laserów impulsowych o bardzo krótkim czasie trwania impulsu., co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).
Zasada działania Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.
Ośrodek czynny Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Przykładowy foton wzbudzający musi mieć energię równą energii wzbudzenia atomu ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym, zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym, co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.
Atomy niektórych pierwiastków mają poziomy energetyczne, na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset μs, kilka ms). Wskutek pobudzania zewnętrznym polem elektrycznym elektrony w atomach przechodzą do stanu metatrwałego, wytwarzając inwersję obsadzeń, która zapewnia lawinową emisję promieniowania koherentnego, czyli o tej samej długości fali.
Układ pompujący Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny, by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.
Rezonator optyczny Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni funkcję dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.
Sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez ośrodek, połączonego z ich kaskadowym powielaniem wskutek emisji wymuszonej, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł. Dla określonego kierunku możliwe jest wielokrotne odbicie pomiędzy zwierciadłami, i tylko fotony o takim kierunku, mogą wielokrotnie przebiegać przez ośrodek czynny, powodując akcję laserową. Jeśli rezonator ma postać dwóch równoległych zwierciadeł płaskich, to emitowane światło może leżeć w dość szerokim przedziale częstotliwości, zależnym od charakterystyki ośrodka. Aby dodatkowo określić tę częstotliwość z dużą precyzją, stosuje się dodatkowe elementy układu optycznego, ograniczające możliwość wielokrotnego odbicia fal o długościach innych, niż zadana. Mogą to być na przykład siatki dyfrakcyjne pełniące funkcję selektywnego zwierciadła tylko dla określonej długości fali, a także dodatkowe lustra tworzące filtry interferencyjne (interferometry). W zależności od szczegółów technicznych budowy rezonatora możliwe jest uzyskanie światła laserowego o bardzo różnych własnościach, takich jak kątowa rozbieżność wiązki, określony stopień jej spójności przestrzennej i czasowej, określony profil spektralny linii, czy wreszcie określony rozkład gęstości mocy w poprzecznym przekroju wiązki (tzw. mody poprzeczne).
Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się poza rezonator (na zewnątrz lasera), przynajmniej jedno z luster powinno być częściowo przepuszczalne. W laserach impulsowych stosuje się często modulację czasową przepuszczalności luster, dzięki czemu cała energia wiązki zostaje uwolniona w chwili „otwarcia” lustra.
Warunek progowy akcji laserowej Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).
Rozważmy laser, którego rezonator optyczny ma długość i jest zakończony dwoma lustrami o współczynnikach odbicia i W trakcie jednego obiegu promieniowania w rezonatorze natężenie światła zmienia się w sposób opisany poniższym wzorem:
gdzie: – wzmocnienie optyczne jednostkowej długości ośrodka czynnego, – straty wewnętrzne – suma wszystkich strat promieniowania, na jednostce długości, wewnątrz rezonatora z wyjątkiem absorpcji (jest już uwzględniona w ).
Warunek progowy:
Zatem wzmocnienie progowe konieczne do zajścia akcji laserowej wynosi:
Schemat działania lasera z trójpoziomowym układem poziomów energetycznych Foton przemieszcza elektron z poziomu na poziom wzbudzony – tzw. krótkożyciowy. Następnie elektron przechodzi w wyniku przejścia bezpromienistego na niższy poziom metastabilny. Jeżeli energia fotonu wymuszającego wynosi to zostaje wymuszone wypromieniowanie drugiego fotonu koherentnego, a elektron przenosi się na poziom podstawowy.
Właściwości światła laserowego Najważniejsze właściwości światła laserowego: rozbieżność wiązki, spójność, moc promieniowania i gęstość energii, propagacja promieniowania laserowego w środowisku.
Rozbieżność jest to powiększanie się pola przekroju poprzecznego wiązki wraz z odległością. Rozbieżność wiązki promieniowania określa się kątem rozbieżności Dzięki małym rozbieżnościom wiązki prawie całą energię promieniowania możemy skierowywać w określonym kierunku.
gdzie: – długość fali, – szerokość wiązki na wyjściu z lasera.
Spójność (koherentność) jest to przestrzenna i czasowa, w fazie i częstotliwości zależność drgań elektromagnetycznych. Aby drgania były spójne, muszą mieć jednakową częstotliwość.
Lasery wypromieniowują całą swoją energię w wąskich wiązkach, w przeciwieństwie do zwykłych źródeł światła, które promieniują we wszystkie strony. Energii zwykłych źródeł światła nie można skoncentrować tak, aby uzyskać gęstość mocy w plamce większą od gęstości mocy źródła. Energię promieniowania laserów można w taki sposób skoncentrować. Spowodowane jest to dobrą równoległością wiązki lasera. Duża gęstość mocy umożliwia uzyskanie dużej koncentracji fotonów. Może wtedy zachodzić równoczesne oddziaływanie kilku fotonów z jednym atomem.
Środowisko naturalne wpływa na propagacje promieniowania laserowego poprzez: zmniejszenie amplitudy i długości jego koherencji oraz na odchylaniu i zmianie prostoliniowości biegu promieniowania. Przyczyną zmniejszania się wielkości promieniowania w danym środowisku są: rozproszenie promieniowania, absorpcja promieniowania.
Rozpraszanie promieniowania polega na zmianie kierunku biegu fali. Fotony biegnące w danym środowisku mogą zostać: pochłonięte, rozproszone lub może je nie spotkać żadne z tych zdarzeń. Promieniowanie laserowe w atmosferze podlega rozproszeniu i absorpcji. Rozproszenie promieniowania w powietrzu zależy od: długości fali, gęstości i niejednorodności atmosfery, temperatury, zadymienia, pory dnia, pogody, obecności owadów znajdujących się na torze biegu promieniowania laserowego.
Podczas propagacji promieniowania laserowego w wodzie występują zawsze trudne lub bardzo trudne warunki. Trudne warunki występują np. w wodzie destylowanej, gdzie występuje silne rozproszenie i tłumienie promieniowania w cząsteczkach wody. Bardzo trudne warunki występują, gdy w wodzie znajdują się rozpuszczone sole i zawiesiny, które zwiększają tłumienie i rozproszenie promieniowania. Oba te czynniki powodują skrócenie maksymalnego zasięgu rozprzestrzeniania się światła. mały|Laser w Obserwatorium Paranal
Rodzaje laserów Podział laserów w zależności od mocy lasery o dużej mocy lasery o średniej mocy lasery o małej mocy lasery o bardzo małej mocy.
Podział laserów w zależności od sposobu pracy lasery pracy ciągłej, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu lasery impulsowe, emitujące impulsy światła szczególnym rodzajem lasera impulsowego jest laser femtosekundowy.
Podział laserów w zależności od widma promieniowania, w których laser pracuje lasery w podczerwieni lasery w części widzialnej lasery w nadfiolecie lasery rentgenowskie (np. XFEL) lasery gamma (dotychczas nierealizowane; zob. graser).
Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera.
W nawiasach podano długości fal emitowanego światła. lasery gazowe: He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm) Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) laser azotowy (337,1 nm) laser kryptonowy (jonowy 647,1 nm, 676,4 nm) laser na dwutlenku węgla (10,6 μm) laser na tlenku węgla laser tlenowo-jodowy lasery na ciele stałym laser rubinowy (694,3 nm) laser neodymowy na szkle laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG, 1064 nm) laser erbowy na YAG-u (Er:YAG, 2940 nm) laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG, 2015 nm) laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG, 2090 nm) laser tytanowy na szafirze (Ti:Al2O3) laser na centrach barwnych lasery na cieczy lasery barwnikowe – ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina lasery chelatowe lasery neodymowe lasery półprzewodnikowe złączowe (diody laserowe) laser na materiale objętościowym laser na studniach kwantowych laser na kropkach kwantowych bezzłączowe kwantowy laser kaskadowy lasery włóknowe (fiber laser) ośrodkiem czynnym jest światłowód domieszkowany erbem, iterbem lub tulem; dominują w zastosowaniach przemysłowych i wojskowych od lat 2010 laser na swobodnych elektronach (FEL) laser na swobodnych elektronach w zakresie rentgenowskim (XFEL)
Podział laserów w zależności od zastosowań specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: F_2 (157 nm) ArF (193 nm) KrCl (222 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów: laser rubinowy (694 nm) Aleksandrytowy (755 nm) pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) Nd:YAG (1064 nm) Ho:YAG (2090 nm) Er:YAG (2940 nm) Er,Cr:YSGG(2780 nm) półprzewodnikowe diody laserowe: małej mocy – używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD dużej mocy – używane w przemyśle do cięcia i spawania; współczesne lasery włóknowe osiągają moce powyżej 100 kW
Opis niektórych typów laserów Laser kryptonowy i ksenonowy