Rozwinięcie nazwy laser to "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". W tłumaczeniu na język polski oznacza to rodzaj urządzenia przeznaczonego do wzmacniania lub generowania spójnego promieniowania elektromagnetycznego. Długość fali generowanego promieniowania zawiera się w przedziale od podczerwieni do nadfioletu. Działanie lasera opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania dzięki czemu dochodzi do wzmocnienia emitowanego promieniowania.

O działaniu lasera decydują jego główne elementy, którymi są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący.

W ośrodku czynnym ma miejsce oddziaływanie fal świetlnych z materią. Może ono zachodzić na trzy sposoby. Pierwszym z nich jest absorpcja. Polega ona na pochłonięciu fotonu przez atom. Dzięki temu atom przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Prawdopodobieństwo absorpcji jest proporcjonalne do gęstości energii padającego promieniowania czyli do ilości padających fotonów o danej energii.

Drugim możliwym procesem jest emisja spontaniczna, czyli samoistne przejście atomu ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii, któremu to przejściu towarzyszy emisja fotonu o danej energii. Przy czym nie jest określony moment emisji fotonu przez konkretny atom. Istnieje tylko pewne prawdopodobieństwo zajścia emisji spontanicznej.

I wreszcie trzeci, najbardziej istotny proces czyli emisja wymuszona. Pod wpływem fotonu, który dostaje się do ośrodka czynnego dochodzi do przejścia atomu na niższy poziom energetyczny. Przejściu temu również towarzyszy emisja fotonu. Z tym tylko, że powstający foton ma taką samą częstotliwość jak foton wymuszający. Oba fotony są także zgodne w fazie oraz równoległe. Prawdopodobieństwo zajścia emisji wymuszonej jest w zasadzie takie samo jak prawdopodobieństwo absorpcji. Aby zakłócić tą równowagę czyli żeby zwiększyć prawdopodobieństwo zajścia emisji wymuszonej należy doprowadzić do stanu, w którym atomy w wyższym stanie energetycznym będą dominować nad atomami o niższej energii. Taki stan nosi nazwę inwersji obsadzeń.

Stan taki musi zostać wytworzony sztucznie kosztem energii dostarczonej z zewnątrz. Proces ten nazywa się pompowaniem. Jest to zadanie układu pompującego. Musi on być bardzo wydajny, aby do tego procesu doszło. Inwersja obsadzeń może być wywołana przez błysk innego lasera, przepływ prądu w ośrodku gazowym lub reakcję chemiczną.

Sama inwersja obsadzeń nie wystarczy jednak do wywołania samorzutnej generacji światła spójnego. W tym celu niezbędne jest włączenie dodatniego sprzężenia zwrotnego. Jego role pełni np. układ równoległych zwierciadeł. Jedno z tych zwierciadeł jest zazwyczaj częściowo przepuszczalne. Zwierciadła te powodują zawracanie części fotonów do ośrodka czynnego. Tak więc układ optyczny stanowi rodzaj rezonatora dla wybranej wartości częstotliwości. Te fotony , które powracają do ośrodka czynnego powodują emisję kolejnych fotonów.

Jednym z rodzajów lasera jest laser helowo - neonowy. Ośrodek czynny tego lasera stanowi mieszanina helu i neonu. Ciśnienie całkowite tej mieszaniny wynosi około 1.3 hPa. Hel i neon w mieszaninie znajdują się w stosunku 10:1. Laser ten ma postać rury wykonanej z kwarcu, wewnątrz której znajdują się elektrody. W momencie gdy do elektrod zostaje doprowadzone napięcie dochodzi do wyładowania w gazie. Wyemitowane elektrony ulegają zderzeniom z atomami helu i neonu przekazując im swoją energię kinetyczną. Wskutek tego dochodzi do wzbudzeń atomów. Wzbudzone atomy helu znajdują się w stanach metastabilnych , a zderzając się z atomami neonu znajdującymi się w stanie podstawowym mogą przekazywać im swoją energię wzbudzenia. Ułatwia to niewielka różnica energetyczna miedzy tymi dwoma poziomami. Dochodzi do inwersji obsadzeń.

W momencie gdy w ośrodku czynnym jest zapewniona inwersja obsadzeń prawdopodobieństwo emisji wymuszonej jest większe od prawdopodobieństwa absorpcji. I teraz jeśli w kierunku lasera zostanie wyemitowany foton to spotka się on ze wzbudzonymi atomami neonu. Dojdzie do powstania spójnej wiązki fotonów, których energia jest zdefiniowana przez foton wymuszający.

Dokładna analiza poziomów energetycznych wskazuje , że byłoby możliwe uzyskanie wielu linii promieniowania o różnych długościach fali . Aby wybrać zadane długości konieczne jest stosowanie selektywnych luster dielektrycznych. Zwierciadła rezonatora wykonane są z warstw dielektryka . Jedno z luster całkowicie odbija określoną długość fali, a drugie jest częściowo przepuszczające. Najczęstszymi długościami fali na jakich pracują lasery helowo - neonowe są: .

Charakterystyka wiązki laserowej

  1. Moc wiązki

Gęstość mocy promieniowania laserowego rozumie się jako stosunek mocy całkowitej promieniowania do powierzchni przez która ona przechodzi . I tak np. dla lasera helowo - neonowego ta gęstość jest rzędu W/cm. Ale już dla lasera gazowego o działaniu ciągłym , którym jest np. laser COgęstość mocy może wynosić 100 W/cm. W celu zwiększenia gęstości mocy promieniowania laserowego stosuje się soczewki skupiające wiązki na małym obszarze. Dzięki temu w ognisku dla lasera helowo - neonowego może ona osiągnąć wartość nawet 10 W/cm. Dużo większe gęstości mocy charakteryzują lasery impulsowe. Przykładem takiego lasera jest laser rubinowy, dla którego gęstość mocy sięga 10 W/cm.

Natomiast pod pojęciem spektralnej gęstości mocy rozumie się moc wiązki laserowej , która przypada na daną jednostkę powierzchni i jednostkę przedziału częstotliwości. Dużą spektralna gęstością mocy charakteryzuje się laser helowo - neonowy.

  1. Monochromatyczność

Nazwa monochromatyczność sugeruje promieniowanie elektromagnetyczne, które składa się dokładnie z jednej częstotliwości , której odpowiada określona długość fali. W rzeczywistości jednak nigdy nie udaje się uzyskać tak dokładnego promieniowania. Wiadomo bowiem, że podczas przejścia atomów ze stanu wzbudzonego na niższy poziom energetyczny emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne. Jednak nie ma ono określonej wartości częstotliwości , ale zawiera się w pewnym przedziale częstotliwości. Dzieje się tak ponieważ zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga nie ma możliwości dokładnego oznaczenia energii poziomów energetycznych. W związku z tym wprowadza się pojecie naturalnej szerokości linii widmowej promieniowania laserowego. Tym jaki zakres częstotliwości można uzyskać w przypadku danego lasera decyduje sposób generacji tego promieniowania oraz rezonator optyczny. I tak np. w laserze rubinowym szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0,01 mm.

3. Równoległość wiązki laserowej.

O tym jaki będzie kąt rozbieżności wiązki laserowej decyduje to jaki rodzaj rezonatora optycznego wchodzi w skład danego lasera. Dzieje się tak ponieważ przyczyną rozbieżności jest uginanie się fali elektromagnetycznej na apreturze układu optycznego.

I tak jeśli jako rezonator zostaną wykorzystane dwa lustra płaskie wtedy ta rozbieżność będzie najmniejsza.

  1. Koherencja ( spójność wiązki laserowej)

Fale są spójne wtedy jeżeli charakteryzują się stałą w czasie różnicą faz. Daje im to zdolność do interferowania. Źródło, które emituje spójne promieniowanie również nosi nazwę spójnego.

Możemy mówić o spójności czasowej i spójności przestrzennej. Przez spójność czasowa rozumie się zdolność do interferencji dwóch fal świetlnych, które wychodzą w tym samym kierunku z tego samego źródła promieniowania, ale w pewnym odstępie czasowym.

Natomiast przez spójność przestrzenną rozumie się zdolność do interferencji fal świetlnych emitowanych przez źródło rozciągłe pod warunkiem istnienia spójności czasowej.

  1. Polaryzacja liniowa

Jeżeli laser będzie miał odpowiednią konstrukcje to będzie możliwe uzyskanie niemalże całkowicie liniowo spolaryzowanej wiązki światła laserowego.