мини|250п|Ласер Ласер од () или у преводу „појачање светлости помоћу стимулисане емисије зрачења“ је извор светлосног зрачења који емитује кохерентан сноп фотона, као извор стабилан је по фреквенцији, таласној дужини и снази. За разлику од светлости коју емитују уобичајени извори, као што су сијалице, ласерска светлост је углавном монохроматска, тј. само једне таласне дужине (боје) и усмерена је у уском снопу. Сноп је кохерентан, што значи да су електромагнетни таласи међусобно у истој фази и простиру се у истом смеру. Састављен је од резонаторске шупљине и активне средине која је испуњава. Откривен је у САД 1960. године. Претходио му је уређај базиран на сличном принципу, али функционалан у микроталасном делу спектра, тј. на знатно већим таласним дужинама него светлост, масер ().
Подела ласера мини|250п|Starfire Optical Range у Новом Мексику Можемо извршити неколико класификација ласера:Милеса Срећковић: Квантна електроника: Извори, направе и системи, Београд 1998 Према врсти материјала од којег је направљен извор Чврстотелни ласери () Гасни ласери Полупроводнички ласери Течни ласери Хемијски ласери ласери на бојама ласери на парама метала ласер на слободним електронима (). Према режиму рада: Континуални Импулсни ласер Према врсти пумпе (побуда радне запремине) која се користи: Оптички пумпан Пумпан електричним путем Једносмерним напоном Наизменичним напоном Електричним пражњењем Пумпан хемијским реакцијама Нуклеарно пумпан (α и β честице, продукти нуклеарних реакција, γ зрачење и неутрони) Према области спектра у којој емитује светлост Ласери у видљивом делу спектра Ласери у блиској инфрацрвеној области Ласери у далекој инфрацрвеној области -{X}- ласери, зрачење у -{X}- области
Основни елементи ласера Саставни делови ласера су: активна средина систем побуде резонатор
Ласер се пушта у рад тако што се укључи систем пумпе (побуда), тиме настаје инверзија насељености енергетских нивоа у атомима, чиме се стварају услови за стимулисану емисију унутар активне средине. Да би се понашао као генератор, још је потребно да ради у режиму позитивне повратне спреге, што се реализује уз помоћ резонатора. Праг при коме ласер почиње са радом () добијамо када појачање у резонатору компензује све остале губитке, губитке услед простирања зрака и услед појаве ласерског снопа.
Принцип рада ласера Ласерски зрак се производи појавом стимулисане емисије. Као први услов емисије фотона је Боров услов: тј. ласерски медијум мора имати енергетске нивое чија енергија (разлика енергија) одговара енергији емитованих фотона. Други услов је да већина атома (или молекула) буде у побуђеном стању. У ласерском медијуму могу се одигравати различити процеси интеракције електромагнетског зрачења и материје: највише долазе до изражаја апсорпција и спонтана емисија зрачења. Уколико део атома (или молекула) ласерског медијума доведемо у побуђено стање, они ће емитовати фотоне спонтаном емисијом. Ти фотони се даље могу апсорбовати на непобуђеним атомима, или изазивати стимулисану емисију на преосталим побуђеним атомима. Ласерски зрак се може произвести једино ако је стимулисана емисија израженија у односу на апсорпцију и спонтану емисију зрачења. То се постиже инверзијом насељености атома (или електрона) у ласерском медијуму: број атома у побуђеном стању мора бити већи од броја атома у основном стању.
мини|десно|250п|Приказ нивоа Nd:YAG ласера Инверзија насељености се може постићи само у специфичним случајевима, па се само ретки материјали могу искористити као ласерски медијуми. Инверзија насељености се може постићи ако у материјалу постоји метастабилно стање. Метастабилно стање је побуђено стање у којем се атом (или молекул) задржава дуже него у нормалним побуђеним стањима. У ласерском медијуму мора постојати још барем једно побуђено стање, што са основним стањем чини систем од три енергетска нивоа - тронивоски ласер. У ласерском систему са три нивоа, атоми (молекул или електрони) се одређеним начином побуђују у побуђено стање. Побуђено стање, траје врло кратко и брзо се релаксира у нешто ниже метастабилно стање. Атоми (молекули) се не могу брзо релаксирати у основно стање, па ласерским медијумом почињу да доминирају атоми у метастабилном стању. Инверзија насељености се постиже између метастабилног и основног стања, па се ласерско деловање постиже прелазом између та два стања. Побуђено стање које се користи за попуњавање метастабилног стања не мора бити једно стање, већ се може користити низ енергетски стања.
Постоје и ласери који раде на принципу четири нивоа – четворонивоски ласери. Метастабилно стање се насељава на исти начин као и код тронивоског ласера, али инверзија насељености се постиже између метастабилног и другог побуђеног стања ниже енергије. Како се побуђено стање ниже енергије брзо релаксира и остаје празно, инверзија популације је сигурна чак и ако је побуђен релативно мали број атома у ласерском медијуму.
мини|десно|250п|Шема рубинског ласера, 1. излазни ласерски сноп, 2. оптичка пумпа, 3. Извор зрачења (у овом случају рубин), 4. Високо рефлективно огледало, 5. Резонатор, 6. Пропусно огледало
Повећавањем температуре побуђена стања се почињу заузимати, што може нарушити инверзију популације. (Загревањем није могуће постићи инверзију популације.) Због тога је ласере често потребно хладити.
Ласерски медијум је смештен између два паралелна огледала, тако да светлосни сноп који пролази између два огледала формира стојећи талас. Простор између два огледала се назива и ласерска шупљина, резонантна шупљина или резонатор, по аналогији са шупљинама које се користе у акустици приликом рада са звучним таласима. Фотони који настају спонтаном емисијом у ласерском медијуму емитују се у свим смеровима, али само они који су емитовани у смеру огледала ће се рефлектирати између та два огледала и бити заробљени у ласерској шупљини. Ти фотони, који велики број пута пролазе кроз ласерски медијум, ће изазивати стимулисану емисију, приликом проласка близу атома у метастабилним стањима у ласерском медијуму. Једно од два огледала се обично направи тако да нема коефицијент рефлексије 100%, већ да пропушта одређену количину светла (обично мање од 1%), па фотони могу изаћи из ласерске шупљине. На тај начин ласерски сноп садржи скуп кохерентних фотона, што јој даје велики интензитет.
Формирање ласерског снопа је један од ретких примера манифестације квантне механике у макроскопским системима: у квантној механици разликују се две врсте честица: Ферми-Диракове честице – фермиони и Бозе-Ајнштајнове честице – бозони. Фотони се понашају као бозони. Фермиони не могу бити у истом квантном стању, док бозони то могу. Штавише, што је више бозона у истом квантном стању, већа је вероватноћа да ће им се придружити још њих.
Чврстотелни ласери Чврстотелни ласери имају језгро направљено од кристала или аморфног материјала, често у облику цилиндра. Огледала могу бити изведена као танки сребрени филмови напарени на крајеве овог цилиндра. На тај начин он чини ласерску шупљину. Побуђивање атома од којег се састоји језгро се обично врши неким интензивним извором светла. У ту сврху се често користе ксенонске бљескалице, а у новије време ЛЕД диоде, или полупроводнички ласери, чиме се повећава енергетска ефикасност. Први ласер који је давао видљиву свјетлост је био рубински ласер, који користи језгро од рубина као извор зрачења. Рубински ласер даје црвену светлост таласне дужине 694.3 -{nm}-. Данас се често користи Nd:YAG ласер, који за језгро има итријум алуминијум гранат (-{YAG}-), допираног атомима неодијума. -{Nd:YAG}- ласер даје инфрацрвено зрачење.
Гасни ласери мини|250п|-{HeNe}- (хелијум-неонски) Ласер. Светлећи сноп у средини слике потиче од светлости која настаје електричним пражњењем потпуно исто као у неонској лампи. Тај сноп потиче од медијума за појачање ласерског зрака али није ласерски зрак. Ласерски зрак излеће из тог медијума, пролази кроз ваздух и на заклону у дну слике, десно, оставља траг у облику црвене тачкице. Гасни ласери имају ласерски медијум у гасовитом стању, обично се састоје од цеви испуњене гасом или смесом гасова под одређеним притиском. Крајеви цеви опремљени су огледалима како би се формирао резонатор. Побуђивање атома гаса се најчешће обавља електричним пражњењима кроз гас унутар цеви. Гасни ласери се често хладе струјањем гаса кроз цев. Најчешће кориштени гасни ласери су: -{He-Ne ласер}- (Хелијум-Неон), аргонски ласер или -{CO2}- ласер.
Полупроводнички ласери
Полупроводнички ласер представља ласер малих димензија произведен од полупроводничких материјала, изведен на различитим структурама као што су квантна јама, квантна жица или квантна тачка. Најједноставнију структуру има диодни полупроводнички ласер, код кога на н-страни вишак електрона представља носиоце струје, док на п-страни превладавају шупљине које представљају недостатак електрона. Кад се на п страну примени позитиван напон, а на н-страну негативан, електрони и шупљине се крећу једни према другима. Честице се сретну у ултратанком простору који се назива квантна јама, где се врши рекомбинација електрона и шупљина при чему долази до емисије фотона. Ако су крајеви диоде уједно и високорефлектирајућа огледала долази до ласерског ефекта, емитовања истоврсних кохерентних фотона. Енергија фотона (боја свјетлости) одређена је својствима полуводичког споја, износом енергијског процепа (). Нпр. за ласере на -{GaAs}- тај енергијски процеп износи око 1,45 -{eV}-, што одговара емисији фотона таласне дужине 885 -{nm}-. Плави ласер је појам (синтагма) који означава полуводичке ласере у подручју 400-450 -{nm}-, а чије би остварење представља значајан напредак у развоју ласерских дисплеја и повећању капацитета оптичких меморија.
Хемијски ласери Одређене хемијске реакције могу произвести молекуле у побуђеном стању. Хемијски ласери користе такве реакције како би се постигла инверзија насељености. Пример је флуороводонични ласер који користи реакцију водоника и флуора, за производњу флуороводоника у побуђеном стању. Ласерски зрак настаје у реакциској комори, у коју стално дотичу реактанти, а продукти излазе напоље. На тај начин је постигнута инверзија насељености, јер је у реакцијској комори стално присутно више побуђених молекула од оних у основном стању. Овакви ласери могу постићи јако велику снагу у континуалном моду. Једна врста хемијских ласера користи ексцимере. Ексцимер је молекул који је стабилан само у побуђеном стању. Ласер се састоји од смесе гасова кроз које се нарине високи напон, слично као код гасних ласера. Електрична струја ствара мноштво иона и побуђених атома у ласерској шупљини, који могу реаговати и створити ексцимер. Након што ексцимер доживи ласерски прелаз, он се распада јер не може постојати у основном стању. То је и разлог инверзије насељеност у овом ласерском медијуму.
Ласери на бојама Ласери на бојама користе одређена органска једињења, која служе као активни ласерски медијум. Молекули, за разлику од атома имају тракаст спектар, који се састоје од много спектралних линија. Код ових једињења, енергетским нивоима се може манипулисати (електричним пољем, магнетским пољем, температуром ...). На тај начин је могуће подесити ласер за рад на одговарајућој таласној дужини. Побуда молекула се обавља помоћу неког другог ласера.
Ласери на слободним електронима