Lasery - podstawy

W drugiej połowie XX wieku, a dokładniej w roku 1960, w kilku laboratoriach na całym świecie pojawiło się nowe źródło emitujące promieniowanie elektromagnetyczne - światło widzialne. Źródłem tym był laser. To co różni lasery od zwykłych źródeł światła, to to że emitowane przez nie promieniowanie charakteryzuje się dobrze określoną długością fali, czyli monochromatycznością. Inne ich zalety to przede wszystkim znakomite ukierunkowanie, spójność i wysoka gęstość mocy w porównaniu do klasycznych źródeł światła. Dzięki wysokiej spójności światła laserowego, możliwe jest bezproblemowe wykonanie doświadczenia Younga, w którym to obserwowano interferencję światła po przejściu przez układ szczelin. Czas spójności dla takiego lasera, można określić wykorzystując do tego celu interferometr Michelsona. Pomiary wskazują na czasy rzędu ok. 1 ns. Przypomnijmy, że długość spójności, jest to różnica dróg optycznych pomiędzy interferującymi wiązkami i w przypadku lasera wynosi kilkaset metrów. W przypadku laserów tzw. gazowych ich konstrukcja umożliwia uzyskanie linii widomych, których szerokość nie przekracza 25 Hz, a których różnica dróg optycznych może osiągać nawet wartości rzędu setek tysięcy kilometrów! Dalsze zwiększanie spójności ogranicza przede wszystkim natura ośrodka, w którym się promieniowanie rozchodzi, a także sama konstrukcja lasera, która to wykonuje pewne drgania mechaniczne.

Lasery stanowią źródło promieniowania, które znajduje ogromne zastosowanie praktycznie w każdej dziedzinie nauki, a nawet życia codziennego. Te niesamowite praktyczne zastosowania sprawiły, że lasery swego czasu stanowiły główny obiekt badań w setkach laboratoriów na całym świecie. Lata które upłynęły od momentu skonstruowania pierwszych laserów obfitowały w coraz to znakomitsze wynalazki wykorzystujące światło laserowe. Dzięki prowadzonym badaniom zrozumiano wiele procesów w wyniku których lasery działają w taki a nie inny sposób, a także odkryto wiele innych, dotąd jeszcze nie znanych. Co więcej, prowadzi się także badania, które mają na celu skonstruowanie laserów, które by emitowały promieniowanie, także w innych niż promieniowanie widzialne zakresach długości fali. Jednak nie wszystkie efekty da się osiągnąć na raz. Im bardziej wąską linię widmową promieniowania chcemy emitować, tym bardziej musimy ograniczyć jego moc. A gdy chcemy, aby impulsy emitowane przez laser były jak najkrótsze, a to z kolei prowadzi do poszerzenia obszaru widmowego.

Podstawy fizyczne działania laserów.

Na początek przyjrzyjmy się najprostszemu układowi kwantowemu, jakim jest tzw. mikroukład, który stanowi pojedynczy atom, lub cząsteczka. Taki układ może znajdować się w dwóch stanach energetycznych: w stanie podstawowym, który to określa energia W1 i w stanie wzbudzonym, który jest określony przez energię W2. Przy czym energia W2 jest większa od energii stanu podstawowego W1 - W2 > W1. Układ może przechodzić pomiędzy tymi stanami, tylko zgodnie z określonymi regułami wyboru. To uproszczenie można przyjąć dla układów posiadających także więcej poziomów energetycznych, o ile można przyjąć takie założenie, że oddziaływanie wybranych dwóch poziomów energetycznych z pozostałymi można pominąć z racji tego że jest niewielkie. W przypadku ośrodka, który to składa się z ogromnej liczby - N takich mikroukładów, to rozkład tych układów pomiędzy dwoma stanami N1 i N2 ­opisuje prawo Boltzmana:

Dzięki temu prawu możemy określić jaki jest stosunek obsadzeń w parach sodu (Na) pomiędzy stanem podstawowym - 3S, a stanem rezonansowym - 3P, którego energia wynosi 2,09 eV. Otóż stosunek ten w temperaturze 400 K wynosi:

N2/N1 ≈ 10-27

Natomiast już w temperaturze 2100 K stosunek ten wynosi:

N2/N1 ≈ 10-5

Analizując te stosunki widzimy, że w stosunkowo nie wysokiej temperaturze obsadzenia stanów wzbudzonych w warunkach równowagi termodynamicznej jest bardzo małe.

Einstein kiedy w 1917 roku prowadził analizę rozkładów natężeń dla ciała doskonale czarnego, że do uzyskania zgodności pomiędzy doświadczeniem, a teorią należy wprowadzić jeszcze jeden mechanizm obok samorzutnej (spontanicznej) absorpcji i emisji, a mianowicie emisję wymuszoną. Proces ten miałby być symetryczny do procesu absorpcji i zależeć od obszaru, w którym znajduje się wzbudzony atom. Dodatkow częstotliwość promieniowania wymuszającego powinna być taka sama jak częstotliwość odpowiadająca różnicy energetycznej pomiędzy dwoma danymi poziomami atomu. Tymi samymi poziomami, pomiędzy którymi dokonuje się przejście z jednego stanu energetycznego w drugi.

Z analizy którą przeprowadził Einstein wynikało, że promieniowanie które zostało wymuszone, powinno być zgodne w fazie, a także kierunku rozchodzenia się z promieniowaniem wymuszającym, czyli krótko mówiąc, powinno być z nim spójne. A w przypadku promieniowania spontanicznego tak nie jest. W normalnych warunkach, w których liczba atomów w stanie podstawowym jest dużo większa od liczby atomów w stanie wzbudzonym i przy zastosowaniu niewielkich mocy promieniowania, emisja wymuszona ginie w wyniku przewagi emisji spontanicznej, przez co może być pominięta. W przypadku gdy kierujemy promieniowanie, które jest monochromatyczne i stanowi równoległą wiązkę do ośrodka, to przechodząc przez niego będzie pochłaniane. W związku z czym będzie także stopniowo osłabiane. Zmianę natężenia promieniowania na skutek przejścia przez warstwę absorbenta o grubości x opisuje prawo Lamberta w postaci:

I = I0e-λx

Gdzie:

I0 - początkowa wartość natężenia promieniowania

­I - aktualna wartość natężenia promieniowania

λ - współczynnik absorpcji promieniowania

W ogólności współczynnik absorpcji, oprócz tego, że jest charakterystyczny dla danego absorbenta to dodatkowo zależy także od długości fali pochłanianego promieniowania.

Co więcej okazuje się, że gdy będziemy zwiększali całkowite obsadzenie stanu wzbudzonego danego ośrodka, to emisja wymuszona będzie coraz częściej zachodzić, a odległość x będzie się zmniejszać. Jeśli dojdziemy do takiego momentu, że uda nam się obsadzić więcej atomów w stanie wzbudzonym niż podstawowym, wtedy to współczynnik absorpcji osiągnąłby wartość ujemną i zamiast osłabienia wiązki, doszło by do jej wzmocnienia. Tak powstała wiązka charakteryzowałaby się takimi własnościami jakie przewidział dla promieniowania wymuszonego Einstein. Takie wzmacnianie wiązki może niektórych doprowadzić do wniosku, że dochodzi tutaj do złamania zasady zachowania energii. Jednak nie dajmy się zwieść temu złudzeniu. Otóż atomy w stanie wzbudzonym posiadają wyższą energię niż w stanie podstawowym i my tą energię musi dostarczyć do ośrodka. W związku z czym, aby doprowadzić do takiego efektu potrzebne jest odwrócenie obsadzeń. Jednak odwrócenia tego nie można osiągnąć w przypadku układów dwustanowych. Dopiero przy układach bardziej skomplikowanych jest to możliwe. Takie układu rozważali już Ch. H. Townes i A. L. Schawlow w 1958 roku. Tak więc podsumowując warunki jakie powinny być spełnione aby uzyskać promieniowanie spójne i chromatyczne w ośrodku czynnym to:

- należy w ośrodku czynnym wytworzyć tzw. inwersje obsadzeń i to w ten sposób, aby pozwoliła ona na to, by wzmocnienie wiązki było większe od jej osłabienia przy przejściu przez ośrodek. Osiąga się to poprzez pompowanie ośrodka czynnego.

- należy na początku naświetlić ośrodek czynny, tak aby wywołać w nim emisję wymuszoną, o określonym kierunku rozchodzenia się. Ten warunek wypełnia się poprzez umieszczenie ośrodka czynnego w specjalnej komorze rezonansowej - tzw. rezonatorze.

Metody wykorzystywane do uzyskania inwersji obsadzeń są podobne w założeniach do tych, które stosuje się w kwantowych mikrofalowych maserach (dla zainteresowanych polecam temat spektroskopii mikrofalowego rezonansu rotacyjnego). Tak jak już powiedzieliśmy, układy o dwóch poziomach energetycznych nie nadają się do uzyskania odwrócenia obsadzeń, dopiero układy o 3 poziomach energetycznych na to pozwalają. Typowymi substancjami, które spełniają ten wymóg są substancje fluoryzujące. Takie substancje zawierają w sobie centra które to powstały w wyniku domieszkowania ich przez jony metali, lub przez roztwory barwników organicznych. W wyniku zadziałania błyskiem lampy wyładowczej na ośrodek, większość takich centrów przechodzi ze stanu 1 do stanu 3, czyli dochodzi do absorpcji promieniowania. Ze stanu 3 następnie możliwe jest promieniste przejście do stanu 1, jednak znacznie szybsze od niego jest przejście bezpromieniste do stanu 2 i to właśnie do tego stanu przechodzi większość wzbudzonych atomów. Energia która jest uwalniana w takim bezpromienistym przejściu jest w całości zamieniana na ciepło.

Następnie atom ze stanu 2 przechodzi do stanu 1 (jest to fluorescencja), a proces ten zachodzi ze stosunkowo małą szybkością. Szybkość tego przejścia zależy głównie od samej natury centrów z którymi mamy do czynienia. I tak w przypadku różowego rubinu ( w którym domieszkę stanowi 0,05 % Cr3+, które to znajdują się w osnowie kryształu Al2O3), który to jest bardzo popularnym materiałem wykorzystywanym przy konstrukcji laserów, czas życia stanu 2 wynosi aż 3 ms. Więc jak widać stosując takie wyładowania błyskowe jesteśmy w stanie wytworzyć inwersję obsadzeń pomiędzy stanami 2 i 1. Takie działanie układu określa się mianem działania impulsowego. Efektywność takich procesów można zwiększać poprzez wykorzystanie układów o 4 poziomach energetycznych. ( przykładem tu mogą być jony uranu, albo samaru, które osadzone są w osnowie kryształu fluorytu). W przypadku takiego układu poziomów, fluorescencja pojawia się przy przejściach atomów ze stanu 3 do 2, a następnie ze stanu 2 atom przechodzi szybko do stanu 1 w sposób bezpromienisty. Co ważne w wypadku stosowania takiego układu, można uzyskać stacjonarną inwersję obsadzeń stanów 3 i 2.

Do rezonatora wprowadza się ośrodek czynny, który ma kształt walca. Rezonator zasadniczo stanowi układ dwóch zwierciadeł, które to mogą być zarówno płaskie lub sferyczne. Zwierciadła spełniają taką rolę, że powodują odbijanie wzdłuż osi walca, tam i z powrotem, promieniowania które to zostało wprowadzone do ośrodka czynnego. Promieniowanie to powoduje powstanie promienistych przejść pomiędzy stanami energetycznymi atomów ośrodka czynnego, przez co ulega ono wzmocnieniu. Zwierciadło znajdujące się po jednej stronie charakteryzuje się wysoką wartością współczynnika odbicia (R=1), przez co strumień promieniowania ulega praktycznie całkowitemu odbiciu na nim. Drugie natomiast zwierciadło ma nieco mniejszy współczynnik odbicia, przez co charakteryzuje się pewnym współczynnikiem transmisji. Dzięki temu część promieniowania jest w stanie wyjść na zewnątrz rezonatora. Pozostała część ulega dalszemu procesowi wzmacniania. Proces ten powinien oprócz pokrycia straty mocy promieniowania powstałej przez jego ucieczkę na zewnątrz, także uzupełniać straty energii, które wynikają z odbić na granicach zwierciadeł.

Aby jak najbardziej zmaksymalizować efektywność rezonatora, czyli żeby działanie promieniowania wymuszającego było jak najbardziej wydajne, to oprócz tego, że zwierciadła ustawia się idealnie prostopadle do kierunku promieniowania, to także powinien on być odpowiednio dostrojony do długości fali tegoż promieniowania. Poprzez dostrojenie mamy na myśli taką sytuację, że na długości pomiędzy oboma zwierciadłami może się zmieścić całkowita liczba połówek długości fali promieniowania. Warto sobie uzmysłowić z jakimi wielkościami mamy tu do czynienia. Otóż typowa długość rezonatora jest rzędu kilkudziesięciu cm, natomiast długość fali jest rzędu setek nanometrów, tak więc widać że na takiej długości może się zmieścić ogromna liczba połówek fali, ok. 106. To jest ważne bo przy określonej długości rezonatora, można znaleźć kilka częstotliwości promieniowania, których długość fali będzie spełniała ten warunek, zwany też warunkiem rezonansu. Samo przejście od fluorescencji do promieniowania wygenerowanego w sposób wymuszony, objawia się w postaci nagłej zmiany w rozbieżności wiązki, która jest wysyłana do ośrodka czynnego. Zmiana ta polega na przejściu od rozkładu bardzo szerokiego, izotropowego, gdzie promieniowanie rozchodzi się we wszystkich możliwych kierunkach, do promieniowania o ściśle określonym kierunku rozchodzenia się - idealny wręcz równoległy promień światła. Dodatkowo przejście to charakteryzuje się bardzo silnym zwężeniem linii widmowej. Istnieją dwie metody pompowania ośrodka czynnego: metoda impulsowa i metoda ciągła. W metodzie impulsowej do oscylacji ośrodkach czynnego dochodzi w momencie, gdy nastąpi przekroczenie tzw. progu generacji, czyli gdy dojdzie do przeważenia wzmocnienia promieniowania nad jego stratami. Oscylacje te trwają tak długo, jak długo jest utrzymywana inwersja obsadzeń w nim. W przypadku pompowania ciągłego, dochodzi do ustalenia się równowagi, w czasie której uzyskiwane wzmocnienie w ośrodku czynnym co najmniej równoważy straty wynikłe z odbijania się promieniowania, a także jego opuszczania wnęki rezonatora.

Wybrane rodzaje laserów i ich działanie.

Lasery powstały stosunkowo niezbyt dawno temu, a mimo tego technologia ich konstrukcji i wykorzystywania zrobiła olbrzymie postępy. Powstały lasery najróżniejszych typów, wykorzystujące do swego działania ośrodki zarówno stałe, ciekłe jak i gazowe. Do przeprowadzenia akcji laserowych wykorzystano tysiące przejść energetycznych. Tutaj postaramy się przybliżyć działanie tych najpopularniejszych laserów. Skupimy się na laserach rubinowych i neodymowych, a także helowo - neonowych (He-Ne). Powiemy kilka słów o laserach barwnikowych, oraz chemicznych.

Lasery rubinowe i neodymowe

W laserach tego typu ośrodek czynny stanowi ciało stałe krystaliczne, które ma postać cylindrycznego pręta. Jego średnica wynosi ok. 1 cm, a długość może dochodzić do kilkunastu cm. W przypadku lasera rubinowego domieszkę stanowią jony Cr3+, znajdujące się w osnowie, którą stanowi kryształ szafiru Al2O3. Natomiast w laserze neodymowym osnowę stanowią kryształy CaF2 i inne a także szkło, natomiast domieszkowane są one jonami Nd3+. Kryształy które stanowią osnowę lasera, muszą charakteryzować się doskonałą strukturą. Potrzebne pręty kryształów do tych laserów są specjalnie produkowane. Wycina się je z brył odpowiedniego kryształy w ten sposób, że oś optyczna jest ustawiona pod pewnym określonym kątem do osi takiego walca. Kąt ten jest zazwyczaj wybierany po uprzednim przeprowadzeniu wielu doświadczeń. Ściany takich prętów bardzo dokładnie się szlifuje tak, aby ich boczne powierzchnie wykazywały jak największą gładkość. A często się zdarza tak, że już te powierzchnie pokrywane są odpowiednimi substancjami odbijającymi promieniowanie. Jednak niektóre konstrukcje laserów, takie jak lasery gazowe, nadal wymagają stosowania normalnych zwierciadeł.

Pompowanie w tego typu laserach odbywa się za pomocą lampy wyładowczej, które to wypełnione są ksenonem. Aby jak najlepiej wykorzystać zdolności takich lamp, to nadaje się im kształt śruby, tak aby można je było nałożyć na cylindryczny rezonator, co przypomina nawinięcie lampy na niego. Dodatkowo stosuje się osłonę wykonaną z chromu, która zapewnia maksymalne odbicie światła z takiej lampy i skierowanie go do rezonatora. Stosuje się także podłużne lampy wyładowcze, których promieniowanie skupia się na pręcie. Jednak mimo tych wszystkich zabiegów, to i tak bardzo niewielka ilość energii (0,1%) takiej lampy zostaje zamieniona na energię światła laserowa. Reszta ulega zamianie na ciepło, a to wprowadza konieczność silnego chłodzenia takich układów.

Lasery gazowe

W przypadków laserów gazowych do wytworzenia inwersji obsadzeń wykorzystuje się wyładowania elektryczne. W tym wypadku bardzo ważną rolę odgrywają atomy, które znajdują się w stanach metatrwałych, bowiem ich energia może być przekazana w wyniku zderzeń atomom ośrodka czynnego lasera. Ten efekt jest właśnie wykorzystywany w laserze He - Ne - helowo - neonowym. W laserze tym głównym składnikiem właściwego ośrodka lasera jest mieszanina helu i neonu. Hel znajduje się w nim pod ciśnieniem cząsteczkowym równym ok. 130 Pa, a natomiast neon ok. 13 Pa. Występowanie wyładować elektrycznych w tej mieszaninie gazów, powoduje że atomy ośrodka przeskakują do różnych stanów energetycznych. Jednak z punktu widzenia akcji laserowej istotne są takie wzbudzenia w których atomy przechodzą do metatrwałego stanu 21S0, który to ma energię 20,61 eV, oraz do innego metatrwałego stanu 23S1, o energii 19,82 eV. A w przypadku pierwszego z tych metatrwałych stanów, jego energia odpowiada energii stanu 3s2 dla neonu, a z kolei druga energii stanu 2s2. Stąd może dojść do bardzo wydajnego wzbudzania, w czasie gdy zderzenia będą zachodzić według reakcji:

He(21 S­0)+Ne(11S0) ===> He(11 S­0)+Ne(3s2)

He(23S­1)+Ne(11S0) ===> He(11S0)Ne(2s2).

W wyniku takiego pompowania dochodzimy do powstania inwersji obsadzeń, takiej że obsadzenie stanu 3s2 przeważa nad obsadzeniem stanu 3p4 i 2p4, a także stanu 2s2 nad stanem 2p4. Dzięki temu powstają warunki do zaistnienia akcji laserowej.

Głównym elementem budowy takiego lasera jest rura laserowa, która to jest wykonana ze szkła lub kwarcu. Z obu stron jest ona zamknięta nachylonymi pod kątem Brewstera specjalnymi okienkami. Dzięki temu straty na odbicia są minimalizowane. Zwykle długość takiej rury waha się od kilkunastu centymetrów do nawet kilku metrów. Natomiast średnica zawiera się w granicach od kilku do kilkunastu milimetrów. W rurę są wczepione dwie elektrody, do których przykładając napięcie powoduje się powstanie wyładowania elektrycznego we wnętrzu rury. Rezonator jest z obu stron zamknięty przez dwa zwierciadła, płaskie lub sferyczne, które to ustawione są, tak, że ich ogniskowe się pokrywają. Jedno z nich prawie idealnie odbija wiązkę promieniowania, natomiast drugie charakteryzuje się niewielką wartością współczynnika transmisji, dzięki czemu możliwe jest wyprowadzenie wiązki na zewnątrz rezonatora.

Aby wybrać dany rodzaj akcji laserowej wykorzystuje się zwierciadła dialektryczne, które to charakteryzują się doskonałym odbiciem tylko dla wąskiego zakresu długości fali. Inne metody takiego wyboru wykorzystują pryzmat, który to z jednej strony zamyka rurę lasera. Dzięki odpowiedniemu ustawieniu pryzmatu i rezonatora, można wybrać tylko określoną długość fali promieniowania, która powinna do niego wracać. Dzięki temu można uzyskać bardzo silną akcję laserową charakteryzującą się bardzo dobrze określoną długością fali. Jak dotąd zidentyfikowano już ok. 70 przejść pozwalających na wytworzenie akcji laserowej w laserze He - Ne. Pozwalają one na wytworzenie promieniowania o długościach fali z zakresu od 630 nm, do promieniowania podczerwonego. W czasie trwania akcji laserowej cały czas dochodzi do wyładowań elektrycznych, które pozwalają na utrzymywanie ciągłej inwersji obsadzeń. Więc mamy w tym wypadku z laserem pracującym w trybie ciągłym. Moc jaką charakteryzuję się lasery tego typu zawiera się w granicach od kilkunastu mW do setek mW.

Zazwyczaj lasery He - Ne pracują w trybie pracy wielomodowej. Jednak w przypadkach kiedy chodzi o wytworzenie światła wysoce spójnego, stosuje się tryb jednomodowy. Aby tryb ten łatwo uzyskać można dokonać po prostu skrócenia lasera. Różnica pomiędzy kolejnymi modami wynosi 150 GHz. Gdy skrócimy laser do długości 10 cm, to różnica pomiędzy tymi modami wówczas wyniesie 1,5 GHz, a to z kolei oznacza że praktycznie zostanie wzbudzony tylko jeden mod. Jednak wraz ze skróceniem długości ośrodka czynnego lasera, powodujemy spadek jego mocy.

Poza laserami gazowymi, w których to głównym ciałem roboczym jest gaz szlachetny (lub też jak to jest w przypadku lasera He - Ne, mieszanina tych gazów), skonstruowano także lasery wykorzystujące jony. Są to lasery, których głównym ciałem roboczym są jony gazów szlachetnych, takie jak Ar+, które to są bardzo ważne dla zastosowań laserowych. Lasery takie potrafią emitować promieniowanie, które pokrywają obszar widmowy, od długości fali odpowiadających ultrafioletowi, do nawet bliskiej podczerwieni. Dla każdego z gazów szlachetnych, który to składa się z jonów po jednokrotnej jonizacji określono po kilkadziesiąt przejść, które mogą prowadzić do wytworzenia akcji laserowej. Oprócz laserów na jonach gazów szlachetnych, istnieją także lasery na jonach metali ziem alkalicznych (Mg+, Ba+, Ca+, Sr+), a także lasery na jonach z grupy kadmowej (Hg+, Zn+, Cd+). Inną grupę stanowią także bardzo ważne lasery na jonach chlorowców (F+2, Cl+2).

Na koniec wspomnijmy jeszcze o dwóch bardzo ważnych ze względów praktycznych laserach, tzw. laserach molekularnych, a mianowicie laserze azotowym i CO2. Pierwszy z tych laserów, podobnie jak w przypadku laseru He - Ne jest wzbudzany poprzez wyładowania elektryczne. Może emitować promieniowanie zarówno w zakresie ultrafioletu, jak i promieniowania widzialnego. Drugi z nich, czyli laser CO2, może pracować zarówno w trybie ciągłym, jak i impulsowym. Promieniowanie, jakie może on emitować odpowiada zakresowi pośredniej podczerwieni, czyli o długości fali ok. 10 mikrometrów. Oprócz tego charakteryzuje się także, tym że jest w stanie emitować promieniowani o stosunkowo dużej mocy, bowiem przy pracy impulsowej moc ta może osiągać wartość ok. 50 kW. Impulsy takie wówczas trwają ok. 150 ns, a powtarzają się z częstotliwością 400 Hz. W przypadku pracy ciągłej moc tego lasera może wynosić ok. 500 W.

Laser azotowy jest natomiast wykorzystywany do pompowania innego lasera - lasera barwnikowego.

Lasery barwnikowe

Zaletą dotychczas opisanych laserów było niewątpliwie to, że obejmowały stosunkowy szeroki zakres widmowy. Jednak ich mankamentem jest to, że nie łatwo jest je przestroić w sposób ciągły. To znaczy, laser, który emituje promieniowanie o określonej długości fali nie może być w prosty sposób przestawiony na emitowanie promieniowania o innej długości fali. A tymczasem w spektroskopii bardzo często jest potrzebne, aby w sposób ciągły móc przestrajać laser. Rozwiązanie tego problemu przyniosły dopiero lasery barwnikowe. W laserach tego typu ośrodkiem czynny jest silnie fluoryzujący barwnik, taki jak fluoresceina, czy rodamina.

W takich laserach, aby mogła się odbywać akcja laserowa niezbędne jest umieszczenie kuwety z roztworem w rezonatorze, zastosowanie intensywnego pompowania optycznego, ale także bardzo ważne jest zastosowanie elementu, który to będzie rozszczepiał promieniowanie, wydzielając tą jego część o odpowiedniej długości fali, która będzie podtrzymywać akcję laserową. Elementem tym może być już zwykły pryzmat, ale częściej stosuje się różnego rodzaju siatki dyfrakcyjne, czy nawet interferometr Fabry - Perota. W przypadku tego ostatniego, szerokość widmowa emitowanego promieniowania może wynosić zaledwie kilka MHz. Przestrajania w takim laserze można dokonywać na dwa sposoby:

- przestrajania precyzyjne - w tym wypadku dochodzi do zmiany długości drogi optycznej w interferometrze

- przestrajanie zgrubne - gdzie zmienia się kąt nachylenia siatki.

Zakres długości fali w granicach jakiego można dokonywać przestrajania wynosi ok. kilkadziesiąt nm. Dzięki wykorzystaniu różnego rodzaju barwników można otrzymać laser pracujący w szerokim zakresie długości fali. Jak już wcześniej wspomnieliśmy przy okazji lasera azotowego, lasery barwnikowe pompuje się właśnie nimi. Ale do tego celu, równie dobrze może posłużyć lampa błyskowa (podobnie jak ma to miejsce w przypadku lasera rubinowego), czy odpowiednio dostrojony laser argonowy.