Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании вещества, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на верхний энергетический уровень E1; через какое-то время они вновь опускаются на основной уровень E0, отдавая энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:

E1 - E0 = h,

В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов - твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые, в каждом из которых имеются свои особенности, связанные с конструкцией, способом возбуждения и т.п. Отдельное место занимают т. н. квантовые усилители - лазеры, состоящие из активной среды и системы накачки, но без резонатора. Усилитель ставится на выходе лазера; его импульс вызывает индуцированную генерацию в активной среде усилителя, приводящее в росту энергии излучения.

Твердотельные лазеры

Рабочим веществом этих лазеров служат кристаллы или стекла, активированные посторонними ионами. Широко используются лазеры на кристалле рубина - оксида алюминия (Al2O3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr3+, на алюмо-иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол. Для их накачки используют лампы-вспышки. Твердотельные лазеры работают как правило в импульсном режиме с частотой повторения импульсов от долей герца до десятков мегагерц. Энергия отдельного импульса достигает нескольких джоулей.

Газовые лазеры

Источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма. Число возникающих в столбе разряда электрон-ионных пар в точности компенсирует потери заряженных частиц на стенках газоразрядной трубки. Поэтому количество возбужденных атомов постоянно, а их излучение как правило непрерывно. Поскольку газовая среда весьма однородна, световой луч в ней рассеивается слабо и на выходе расходится очень мало. Мощность излучения газовых лазеров в зависимости от типа и конструкции может составлять от милливатт до десятков киловатт. Семейство газовых лазеров наиболее многочисленно. Лазеры на нейтральных атомах. Наиболее распространены лазеры на смеси гелия и неона (10:

1), дающие непрерывное излучение в красной области (= 0,6328 нм). К настоящему времени получена генерация свыше 450 частот от 34 элементов.

Ионные лазеры. Инверсная населенность создается электрическим разрядом. Наиболее мощное излучение (сотни Вт) получено на ионах Ar2+ (= 0,4880; 0,5145 мкм, сине-зеленая область), Kr2+ (= 0,5682; 0,6471 мкм, желто-красная область), Kr3+, Ne2+ (УФ-область) и др. Излучение получено на ионах 29 элементов.

Молекулярные лазеры. Обладают высокой эффективностью (КПД до 25%) и мощностью (до десятков кВт в непрерывном режиме и десятков кДж в импульсном); излучают в ИК-диапазоне. Инверсная населенность создается УФ-излучением или электронным пучком. Наиболее распространены лазеры на CO2, H2O, N2. Лазеры на парах димера серы S2 обладают уникальной особенностью: за счет большого числа метастабильных уровней эта молекула излучает одновременно на 15 длинах волн видимого диапазона. Поэтому луч лазера на S2 кажется белым.

Газодинамические лазеры. Разновидность молекулярных газовых лазеров; представляет собой некое подобие реактивного двигателя, в камере сгорания которого сжигают углеводородное топливо. Активной средой в них служит многокомпонентная газовая смесь, нагретая свыше 1000 оС и разогнанная до сверхзвуковой скорости. Струя раскаленного газа движется между зеркалами оптического резонатора; инверсная населенность создается за счет адиабатического охлаждения газа, излучение происходит поперек струи. Наиболее мощные лазеры на CO2 работают в ИК диапазоне (= 10,6 мкм), генерируя в непрерывном режиме излучение мощностью до сотен киловатт.

Лазеры на парах металлов. Ионы и атомы 27 металлов обладают удобной для создания инверсной населенности структурой энергетических уровней. Лазеры на парах Cu излучают на длинах волн 510,4 и 578,2 нм (зеленый свет) со средней мощностью свыше 40 Вт. Лазеры на парах металлов имеют очень высокий коэффициент усиления.

Химические лазеры. Газовые лазеры с инверсной населенностью за счет экзотермических химических реакций, продукты которых образуются в возбужденном состоянии. Лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме; излучение лежит в области дальнего ИК-излучения. Наибольшую мощность излучения обеспечивает реакция фтора с молекулярным водородом (в импульсном режиме - свыше 2 кДж при длительности импульса имп 30 нс; в непрерывном - несколько кВт).

Эксимерные лазеры. Газовые лазеры, работающие на молекулах, существующих только в возбужденном состоянии (эксимерных) - короткоживущие соединения инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (например, Ar2, KrCl, XeO и т.п.). Лазеры излучают импульсы в видимой или УФ области спектра с частотой повторения до 104 Гц со средней мощностью несколько десятков ватт.

Жидкостные лазеры

Их активной средой служат растворы органических соединений, комплексных соединений редкоземельных элементов (Nd, Eu), неорганические жидкости. Эти материалы в определенной мере сочетают преимущества твердых сред (высокая плотность) и газов (большая однородность). При необходимости рабочие параметры среды поддерживают, прокачивая жидкость в процессе работы через холодильник и фильтр. Инверсная населенность создается облучением кюветы с жидкостью светом лазера или газоразрядной лампы.

Лазеры на красителях - наиболее распространенный тип жидкостных лазеров. Активной средой служат органические красители на основе бензола и ряда других соединений. Мощность излучения достигает десятков ватт, длина волны может меняться в пределах от 322 до 1260 нм простой заменой кюветы с раствором. Лазеры на красителях генерируют как непрерывное излучение, так и последовательности ультракоротких импульсов длительностью до 210-13с.

Полупроводниковые лазеры

Активной средой лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS и др.). В отличии от всех других активных сред, уровни энергии в которых дискретны и поэтому генерируют монохроматичное излучение, полупроводники имеют довольно широкие энергетические зоны; их излучение происходит в широком диапазоне длин волн и обладает малой когерентностью. В активной среде движутся либо избыточные электроны (n-проводимость, от англ. negativ - отрицательный) либо дырки, их нехватка (p-проводимость, от positiv - положительный). При их рекомбинации в слое p - n-перехода энергия электрического тока непосредственно преобразуется в излучение. Накачка производится электрическим током, пучками быстрых электронов, световым потоком. Лазеры имеют очень высокий КПД (до 50%, а отдельные модели - около 100%) и большой коэффициент усиления. Благодаря этому размеры активного элемента лазеров исключительно малы (менее 1 мм). Широкий набор полупроводниковых материалов дают возможность получать излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 40 мкм. Лазеры разных типов работают и в непрерывном, и в импульсном режиме, развивая мощность от долей мВт до 1 МВт (только в импульсе).

Лазеры на свободных электронах

Действие лазеров основано на излучении электронов, которые колеблются под действием внешнего магнитного и/или электрического поля и перемещаются с околосветовой скоростью в направлении излучаемой волны. Из-за эффекта Доплера частота излучения во много раз превышает частоту колебаний электронов и попадает в диапазон длин волн от рентгеновского (менее 6 нм) до СВЧ-радиоизлучения. Наиболее коротковолновое излучение дают лазеры, в которых колебательные движения электронам сообщает поле мощной электромагнитной волны (комптоновский лазер или скаттрон) или периодическое поле т. н. ондулятора (предложен академиком В.Л. Гинзбургом в 1947). Возможны и другие способы получения вынужденного излучения - вращение электронов в однородном магнитном поле (т. н. циклотронный резонанс), колебания в неоднородном электростатическом поле, различные виды черенковского излучения. Частота излучения лазеров на свободных электронах может плавно меняться в широких пределах простым изменением скорости движения электронов.

Применение лазеров