Lazer

Kırmızı (660 & 635 nm), yeşil (532 & 520 nm) ve mavi-mor (445 & 405 nm) lazerler

Kaynak için kullanılan bir lazer ışını

Lazer, elektromanyetik radyasyonun uyarılmış emisyonuna dayalı bir optik amplifikasyon süreci yoluyla ışık yayan bir cihazdır. "Lazer" kelimesi "uyarılmış radyasyon emisyonu ile ışık amplifikasyonu "nun kısaltmasıdır. İlk lazer 1960 yılında Theodore H. Maiman tarafından Hughes Araştırma Laboratuvarlarında, Charles Hard Townes ve Arthur Leonard Schawlow'un teorik çalışmalarına dayanarak üretilmiştir. ⓘ

Bir lazerin diğer ışık kaynaklarından farkı, tutarlı ışık yaymasıdır. Uzaysal tutarlılık bir lazerin dar bir noktaya odaklanmasını sağlayarak lazer kesim ve litografi gibi uygulamalara olanak tanır. Uzaysal tutarlılık ayrıca bir lazer ışınının uzak mesafelerde dar kalmasını (kolimasyon) sağlayarak lazer işaretçiler ve lidar (ışık algılama ve menzil belirleme) gibi uygulamalara olanak tanır. Lazerler ayrıca çok dar bir spektrumda ışık yaymalarını sağlayan yüksek zamansal tutarlılığa da sahip olabilir. Alternatif olarak, zamansal tutarlılık, geniş bir spektruma sahip ancak femtosaniye kadar kısa süreli ultra kısa ışık darbeleri üretmek için kullanılabilir. ⓘ

Lazerler optik disk sürücülerinde, lazer yazıcılarda, barkod tarayıcılarda, DNA dizileme cihazlarında, fiber optik, yarı iletken çip üretiminde (fotolitografi) ve serbest uzay optik iletişiminde, lazer cerrahisinde ve cilt tedavilerinde, kesme ve kaynak malzemelerinde, hedefleri işaretlemek ve menzil ve hızı ölçmek için askeri ve kolluk kuvvetleri cihazlarında ve eğlence için lazer aydınlatma ekranlarında kullanılır. Maviden UV'ye yakın yarı iletken lazerler de beyaz ışık kaynağı olarak floresanı uyarmak için ışık yayan diyotların (LED'ler) yerine kullanılmıştır. Bu, bir lazerin çok daha büyük parlaklığı nedeniyle çok daha küçük bir yayma alanına izin verir ve LED'lerin maruz kaldığı sarkmayı önler; bu tür cihazlar halihazırda bazı araba farlarında kullanılmaktadır. ⓘ

Lazer ⓘ

Gösterilerde lazerler görsel efektler için kullanılmaktadır. ⓘ

Lazer (İngilizce: Laser) ışığın uyarılmış radyasyon ile yükseltilmesini sağlayan bir optik düzenektir. İsmini "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" kelimelerinin baş harflerinden alır ve bu, "ışığın uyarılmış ışıma ile yükseltilmesi" anlamına gelir. İlk lazer, 1960 yılında Theodore Maiman tarafından Charles Townes ve Arthur L. Schawlow'un teorileri baz alınarak üretilmiştir. Lazerin ışıktan daha düşük mikrodalgafrekanslarında çalışan versiyonu olan "maser" (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ise Townes tarafından 1953 yılında bulunmuştur. ⓘ

Lazerin ana çalışma prensibini oluşturan uyarılmış ışıma konsepti ilk olarak 1917 yılında Albert Einstein tarafından öne sürülmüştür. 1960 yılında Theodore Maiman yakut kristalinden lazer ışımasını elde etmiş ve lazerinin varlığını kanıtlamıştır. Günümüzde lazer ışını endüstriyel süreçlerde, mühendislik alanında, tıpta, bilimsel araştırmalarda, meteorolojide, fiber optik iletişim, holografide ve savunma donanımlarında kullanılmaktadır. ⓘ

Temel Bilgiler

Lazerler diğer ışık kaynaklarından tutarlılıkları ile ayrılırlar. Uzaysal (veya enine) tutarlılık tipik olarak çıktının kırınımla sınırlı dar bir ışın olmasıyla ifade edilir. Lazer ışınları çok küçük noktalara odaklanarak çok yüksek bir ışık şiddeti elde edebilir veya güçlerini büyük bir mesafeye yoğunlaştırmak için çok düşük bir sapmaya sahip olabilirler. Zamansal (veya boylamsal) tutarlılık, fazı ışın boyunca nispeten büyük bir mesafe (tutarlılık uzunluğu) boyunca ilişkili olan tek bir frekansta polarize bir dalga anlamına gelir. Termal veya başka bir tutarsız ışık kaynağı tarafından üretilen bir ışın, zamana ve konuma göre rastgele değişen anlık bir genliğe ve faza sahiptir, dolayısıyla kısa bir tutarlılık uzunluğuna sahiptir. ⓘ

Lazerler vakumda dalga boylarına göre karakterize edilirler. Çoğu "tek dalga boylu" lazer aslında biraz farklı dalga boylarına sahip birkaç modda radyasyon üretir. Zamansal tutarlılık bir dereceye kadar monokromatiklik anlamına gelse de, geniş bir ışık spektrumu yayan veya aynı anda farklı dalga boylarında ışık yayan lazerler de vardır. Bazı lazerler tek uzaysal modlu değildir ve kırınım sınırının gerektirdiğinden daha fazla farklılaşan ışık ışınlarına sahiptir. Bu tür cihazların tümü, uyarılmış emisyon yoluyla ışık üretme yöntemine dayalı olarak "lazer" olarak sınıflandırılır. Lazerler, gerekli uzaysal veya zamansal tutarlılığa sahip ışığın daha basit teknolojiler kullanılarak üretilemediği durumlarda kullanılır. ⓘ

Uyarılan dalga, uyarıcı dalga ile aynı fazdadır. Buna göre her iki dalganın uzay içerisinde elektrik alanlarının değişmesi aynıdır. Başka bir uyumluluk ise zamana bağlı uyumluluktur. Işık spektrumu spektrometre adı verilen bir aletle ölçülür. ⓘ

Terminoloji

Uyarılmış emisyon ile amplifikasyon kullanan ilk cihaz mikrodalga frekanslarında çalışmış ve "uyarılmış radyasyon emisyonu ile mikrodalga amplifikasyonu "nun kısaltması olan "maser" olarak adlandırılmıştır. Benzer optik cihazlar geliştirildiğinde, kısaltmadaki "mikrodalga" yerine "ışık" geçene kadar ilk olarak "optik maserler" olarak biliniyorlardı. ⓘ

Mikrodalgadan daha yüksek frekanslarda çalışan tüm bu tür cihazlar lazer olarak adlandırılır (kızılötesi lazer, ultraviyole lazer, X-ışını lazeri ve gama ışını lazeri dahil). Mikrodalga veya daha düşük radyo frekanslarında çalışan tüm cihazlar maser olarak adlandırılır. ⓘ

Kendi kendine ışık üreten bir lazer, kısaltmanın önerdiği gibi bir optik amplifikatörden ziyade teknik olarak bir optik osilatördür. "Uyarılmış radyasyon emisyonu ile ışık salınımı" anlamına gelen LOSER kısaltmasının daha doğru olacağı esprili bir şekilde belirtilmiştir. Orijinal kısaltmanın yaygın bir isim olarak kullanılmasıyla birlikte, optik amplifikatörler "lazer amplifikatörler" olarak anılmaya başlanmıştır. ⓘ

Bu alanda, özellikle bir lazerin kazanç ortamına atıfta bulunarak "tutarlı ışık yaymak" anlamına gelen "lase etmek" fiili sıklıkla kullanılır; bir lazer çalışırken "lase ettiği" söylenir. Lazer ve maser kelimeleri, astrofiziksel maser ve atom lazerinde olduğu gibi, herhangi bir üretilmiş cihazla bağlantılı olmayan tutarlı bir durumun olduğu durumlarda da kullanılır. ⓘ

Tasarım

Tipik bir lazerin bileşenleri:

1. Kazanç ortamı
2. Lazer pompalama enerjisi
3. Yüksek reflektör
4. Çıkış kuplörü
5. Lazer ışını ⓘ

Bir lazer bir kazanç ortamından, ona enerji verecek bir mekanizmadan ve optik geri besleme sağlayacak bir şeyden oluşur. Kazanç ortamı, uyarılmış emisyon yoluyla ışığı yükseltmesine izin veren özelliklere sahip bir malzemedir. Kazanç ortamından geçen belirli bir dalga boyundaki ışık yükseltilir (gücü artar). Geri besleme, uyarılmış emisyonun ağırlıklı olarak kazanç-frekans eğrisinin zirvesindeki optik frekansı yükseltmesini sağlar. Uyarılmış emisyon büyüdükçe, sonunda bir frekans diğerlerinin üzerinde baskın hale gelir, bu da uyumlu bir ışının oluştuğu anlamına gelir. Uyarılmış emisyon süreci, örneğin bir genel seslendirme sistemindeki hoparlör mikrofonun yakınına yerleştirildiğinde ortaya çıkabilen pozitif geri beslemeli bir ses osilatörününkine benzer. Duyulan çığlık, amplifikatör için kazanç-frekans eğrisinin tepe noktasındaki ses salınımıdır. ⓘ

Kazanç ortamının ışığı yükseltmesi için, pompalama adı verilen bir süreçte enerji ile beslenmesi gerekir. Enerji tipik olarak bir elektrik akımı veya farklı bir dalga boyunda ışık olarak sağlanır. Pompa ışığı bir flaş lambası veya başka bir lazer tarafından sağlanabilir. ⓘ

En yaygın lazer türü, kazanç ortamının her iki ucundaki bir çift aynadan oluşan bir optik boşluktan geri besleme kullanır. Işık aynalar arasında ileri geri sıçrayarak kazanç ortamından geçer ve her seferinde yükseltilir. Tipik olarak iki aynadan biri, çıkış bağlayıcısı, kısmen saydamdır. Işığın bir kısmı bu aynadan kaçar. Kavitenin tasarımına bağlı olarak (aynaların düz veya kavisli olması), lazerden çıkan ışık yayılabilir veya dar bir ışın oluşturabilir. Elektronik osilatörlere benzer şekilde, bu cihaz bazen lazer osilatörü olarak adlandırılır. ⓘ

Çoğu pratik lazer, ışının polarizasyonu, dalga boyu ve şekli gibi yayılan ışığın özelliklerini etkileyen ek unsurlar içerir. ⓘ

Lazer fiziği

Elektronlar ve elektromanyetik alanlarla nasıl etkileşime girdikleri, kimya ve fiziği anlamamızda önemlidir. ⓘ

Uyarılmış emisyon

Uyarılmış ışıma şeması ⓘ

Lazer uyarılmış emisyonu ve prensibinin animasyon ile açıklanması ⓘ

Lazerin temeli atom veya molekül enerji düzeyleri arasındaki elektron geçişleri ile oluşan ışık fotonlarına dayanır; bu temelde bir kuantum teorisidir. Bir atomun iki enerji düzeyi $E_{2}$ ve $E_{3}$ olsun ve $E_{3}>E_{2}$ farzedelim. Minimum enerji ilkesine göre atom veya moleküller düşük enerji seviyesinde olmak istediklerinden $E_{3}$ seviyesindeki elektron kendiliğinden $E_{2}$ seviyesine inecektir. Ama bu sırada enerjisi $E_{3}-E_{2}=h\nu$ olan bir foton salar. Burada $\nu$ fotonun frekansıdır. Eğer elektron bu salınımı kendiliğinden yaparsa salınan fotonun yönü tamamen rastgeledir; bu fotonun yayılımına "spontan ışıma" (spontaneous emission) adı verilir. Ancak eğer $E_{3}$ düzeyindeki elektron $E_{3}-E_{2}$ enerjisindeki başka bir fotonla etkileşerek $E_{2}$ düzeyine inerse bu şekilde salınan fotonun yönü ve fazı geçişe etki eden fotonla aynı olacaktır. Bu ikinci geçiş biçimine "uyarılmış ışıma" (stimulated emmision) denir ve lazerin çalışmasının ana ilkesidir. Uyarılmış ışımıda çıkan foton asıl foton ile uyumlu veya "koherenttir" (coherent): bu, iki fotonun aynı frekans, faz ve polarizasyona sahip olduğunu ifade eder. ⓘ

Çok sayıda atomdan oluşan bir sistemde ise başlangıçta atomlar en alt enerji düzeyinde bulunduklarından bir şekilde atomların $E_{3}$ düzeyine çıkarılması gerekir. Bu pompalama ("pumping") olarak adlandırılır. Ayrıca $E_{3}$ ve $E_{2}$ arasındaki geçişten lazer ışığı elde edebilmek için atomların $E_{3}$ düzeyinde kalma süreleri $E_{2}$ düzeyinde kalma sürelerinden uzun olmalıdır. Ancak bu şekilde $E_{3}$ düzeyinde bulunan atomların sayısı daima artacaktır. Bu ilke nüfus terslenmesi (population inversion) olarak bilinmektedir. Nüfus terslenmesi olmadan lazer operasyonu gerçekleşemez. İki düzeyli atomik sistemlerde nüfus terslenmesi gerçekleşememektedir; bu nedenle yaygın olarak üç veya dört düzeyli lazer sistemleri kullanılır. Lazer düzeylerindeki uyarılmış ışıma Einstein katsayıları ile modellenebilir. ⓘ

Lazer ışıması bir Gauss ışını olarak hesaplanabilmektedir. Uyumlu ışıklar Hermite-Gaussian modlarının toplamı olarak yazabilir; bu modlar Helmholtz dalga denkleminin paraksiyal yakınsama ile çözümü aracılığı ile elde edilir. Silindirik koordinatlarda simetrik olan ışınlar için ise Laguerre-Gaussian modları kullanılır ve bu modlar genel Laguerre polinomları cinsinden yazılır. ⓘ

Klasik görüşe göre, atom çekirdeğinin etrafında dönen bir elektronun enerjisi, atom çekirdeğinden daha uzaktaki yörüngeler için daha büyüktür. Ancak kuantum mekaniksel etkiler elektronları orbitallerde ayrı pozisyonlar almaya zorlar. Böylece, elektronlar bir atomun belirli enerji seviyelerinde bulunur, bunlardan ikisi aşağıda gösterilmiştir:

Kazanç ortamı ve boşluk

Bir helyum-neon lazer gösterisi. Tüpün ortasından geçen parıltı bir elektrik boşalmasıdır. Bu parlayan plazma lazer için kazanç ortamıdır. Lazer, sağdaki ekranda küçük, yoğun bir nokta oluşturuyor. Lekenin merkezi beyaz görünüyor çünkü görüntü orada aşırı pozlanmış. ⓘ

Bir helyum-neon lazerin spektrumu. Gerçek bant genişliği gösterilenden çok daha dardır; spektrum ölçüm cihazı tarafından sınırlandırılmıştır. ⓘ

Kazanç ortamı harici bir enerji kaynağı tarafından uyarılmış bir duruma getirilir. Çoğu lazerde bu ortam, dışarıdan bir ışık kaynağı ya da atomların emmesi ve uyarılmış hallerine dönüşmesi için enerji sağlayan bir elektrik alanı aracılığıyla böyle bir duruma uyarılmış bir atom popülasyonundan oluşur. ⓘ

Bir lazerin kazanç ortamı normalde kontrollü saflık, boyut, konsantrasyon ve şekle sahip bir malzemedir ve yukarıda açıklanan uyarılmış emisyon süreci ile ışını güçlendirir. Bu malzeme herhangi bir durumda olabilir: gaz, sıvı, katı veya plazma. Kazanç ortamı, bazı elektronları daha yüksek enerjili ("uyarılmış") kuantum durumlarına yükselten pompa enerjisini emer. Parçacıklar fotonları emerek ya da yayarak ışıkla etkileşime girebilir. Emisyon kendiliğinden veya uyarılmış olabilir. İkinci durumda, foton geçen ışıkla aynı yönde yayılır. Uyarılmış bir durumdaki parçacık sayısı, daha düşük enerjili bir durumdaki parçacık sayısını aştığında, popülasyon tersinmesi sağlanır. Bu durumda, uyarılmış emisyon oranı ortamdaki ışığın soğurulma oranından daha büyüktür ve bu nedenle ışık yükseltilir. Bu özelliğe sahip bir sisteme optik amplifikatör denir. Bir optik amplifikatör rezonanslı bir optik boşluğun içine yerleştirildiğinde bir lazer elde edilir. ⓘ

Süper lüminesans olarak adlandırılan son derece yüksek kazançlı lasing ortamları için, ışığın bir rezonatör gerektirmeden kazanç ortamından tek bir geçişte yeterince yükseltilmesi mümkündür. Genellikle lazer olarak adlandırılsa da (bkz. örneğin nitrojen lazer), böyle bir cihazdan çıkan ışık, lazerlerle elde edilebilen uzamsal ve zamansal tutarlılıktan yoksundur. Böyle bir cihaz bir osilatör olarak tanımlanamaz, daha ziyade kendi spontane emisyonunu yükselten yüksek kazançlı bir optik amplifikatördür. Aynı mekanizma sözde astrofiziksel maserleri/lazerleri tanımlar. ⓘ

Optik rezonatör bazen "optik boşluk" olarak adlandırılır, ancak bu yanlış bir isimlendirmedir: lazerler, bir maserde mikrodalga frekanslarında kullanılacak gerçek boşluğun aksine açık rezonatörler kullanır. Rezonatör tipik olarak, aralarında tutarlı bir ışık demetinin her iki yönde de hareket ettiği, kendi üzerine geri yansıdığı iki aynadan oluşur, böylece ortalama bir foton çıkış açıklığından yayılmadan veya kırınım veya emilim nedeniyle kaybolmadan önce kazanç ortamından tekrar tekrar geçecektir. Ortamdaki kazanç (amplifikasyon) rezonatör kayıplarından daha büyükse, devridaim eden ışığın gücü üstel olarak artabilir. Ancak her uyarılmış emisyon olayı bir atomu uyarılmış durumundan temel durumuna döndürerek ortamın kazancını azaltır. Artan ışın gücü ile net kazanç (kazanç eksi kayıp) birliğe düşer ve kazanç ortamının doymuş olduğu söylenir. Bir sürekli dalga (CW) lazerinde, kazanç doygunluğuna ve kavite kayıplarına karşı pompa gücünün dengesi, kavite içindeki lazer gücünün bir denge değerini üretir; bu denge lazerin çalışma noktasını belirler. Uygulanan pompa gücü çok küçükse, kazanç hiçbir zaman boşluk kayıplarının üstesinden gelmek için yeterli olmayacak ve lazer ışığı üretilmeyecektir. Lazer eylemini başlatmak için gereken minimum pompa gücüne lasing eşiği denir. Kazanç ortamı, yönüne bakılmaksızın içinden geçen tüm fotonları güçlendirecektir; ancak yalnızca rezonatör tarafından desteklenen bir uzaysal moddaki fotonlar ortamdan birden fazla kez geçecek ve önemli bir güçlendirme alacaktır. ⓘ

Yayılan ışık

Çoğu lazerde lasing, lasing moduna spontane emisyon ile başlar. Bu ilk ışık daha sonra kazanç ortamında uyarılmış emisyon ile güçlendirilir. Uyarılmış emisyon, giriş sinyaliyle yön, dalga boyu ve polarizasyon açısından eşleşen ışık üretirken, yayılan ışığın fazı uyarıcı ışığın 90 derece önündedir. Bu, optik rezonatörün filtreleme etkisiyle birleştiğinde lazer ışığına karakteristik tutarlılığını verir ve rezonatörün tasarımına bağlı olarak ona tek tip polarizasyon ve monokromatiklik kazandırabilir. Lasing rezonatöründen yayılan ışığın temel lazer çizgi genişliği, pasif rezonatörden yayılan ışığın çizgi genişliğinden büyüklük sırasına göre daha dar olabilir. Bazı lazerler, süreci zaten oldukça tutarlı olan bir ışınla başlatmak için ayrı bir enjeksiyon ekleyici kullanır. Bu, aksi takdirde mümkün olandan daha dar bir spektruma sahip ışınlar üretebilir. ⓘ

1963 yılında Roy J. Glauber, tutarlı durumların foton sayısı durumlarının kombinasyonlarından oluştuğunu göstermiş ve bu nedenle Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüştür. Tutarlı bir ışık demeti, Poisson dağılımına göre dağıtılan tek frekanslı kuantum foton durumları tarafından oluşturulur. Sonuç olarak, bir lazer ışını içindeki fotonların varış hızı Poisson istatistikleri ile tanımlanır. ⓘ

Birçok lazer, Gauss ışını olarak yaklaştırılabilecek bir ışın üretir; bu tür ışınlar, belirli bir ışın çapı için mümkün olan minimum sapmaya sahiptir. Bazı lazerler, özellikle yüksek güçlü olanlar, çok modlu ışınlar üretir ve enine modlar genellikle Hermite-Gaussian veya Laguerre-Gaussian fonksiyonları kullanılarak yaklaştırılır. Bazı yüksek güçlü lazerler "şapka ışını" olarak bilinen düz tepeli bir profil kullanır. Kararsız lazer rezonatörleri (çoğu lazerde kullanılmaz) fraktal şekilli ışınlar üretir. Özel optik sistemler Bessel ışınları ve optik girdaplar gibi daha karmaşık ışın geometrileri üretebilir. ⓘ

Bir lazer ışınının "bel" (veya odak bölgesi) yakınında, yüksek oranda kolimasyonludur: dalga cepheleri düzlemseldir, yayılma yönüne normaldir ve bu noktada ışın sapması yoktur. Bununla birlikte, kırınım nedeniyle, bu sadece Rayleigh aralığı içinde doğru kalabilir. Tek bir enine modlu (gauss ışını) lazerin ışını, kırınım teorisinin gerektirdiği gibi, sonunda ışın çapıyla ters orantılı olarak değişen bir açıda sapar. Dolayısıyla, sıradan bir helyum-neon lazer tarafından doğrudan üretilen "kalem ışını" Ay'a tutulduğunda (Dünya'nın uzaklığından) belki 500 kilometreye kadar yayılacaktır. Öte yandan, yarı iletken bir lazerden gelen ışık tipik olarak küçük kristalden büyük bir sapma ile çıkar: 50°'ye kadar. Ancak böyle bir ıraksak ışın bile, örneğin ışığı bir lazer diyottan kaynaklanan bir lazer pointer'da her zaman olduğu gibi, bir mercek sistemi aracılığıyla benzer şekilde kolime edilmiş bir ışına dönüştürülebilir. Bu, ışığın tek bir uzamsal modda olması nedeniyle mümkündür. Lazer ışığının bu benzersiz özelliği, uzaysal tutarlılık, bir el feneri (meşale) veya spot ışığından gelen ışının neredeyse herhangi bir lazerinkiyle karşılaştırılmasıyla takdir edilebileceği gibi, standart ışık kaynakları kullanılarak (ışığın çoğunun atılması dışında) çoğaltılamaz. ⓘ

Lazer ışınlarının yoğunluk profilini, genişliğini ve sapmasını ölçmek için bir lazer ışını profilleyicisi kullanılır. ⓘ

Bir lazer ışınının mat bir yüzeyden dağınık yansıması, ilginç özelliklere sahip bir benek deseni oluşturur. ⓘ

Kuantum ve klasik emisyon süreçleri

Bir lazerde radyasyon üretme mekanizması, enerjinin bir atom veya moleküldeki bir geçişten çıkarıldığı uyarılmış emisyona dayanır. Bu, spontane emisyonu tanımlayan A katsayısı ile absorpsiyon ve uyarılmış emisyon için geçerli olan B katsayısı arasındaki ilişkiyi türeten Albert Einstein tarafından tahmin edilen bir kuantum fenomenidir. Bununla birlikte, serbest elektron lazerinde atomik enerji seviyeleri söz konusu değildir; bu oldukça egzotik cihazın çalışmasının kuantum mekaniğine başvurulmadan açıklanabileceği görülmektedir. ⓘ

Sürekli ve darbeli çalışma modları

Clementine misyonu tarafından yapılan Ay topografyasının Lidar ölçümleri. ⓘ

Laserlink noktadan noktaya optik kablosuz ağ ⓘ

MESSENGER uzay aracının Merkür Lazer Altimetresi (MLA) ⓘ

Bir lazer, güç çıkışının zaman içinde esasen sürekli olup olmadığına veya çıkışının bir veya başka bir zaman ölçeğinde ışık darbeleri şeklinde olup olmadığına bağlı olarak sürekli veya darbeli modda çalışıyor olarak sınıflandırılabilir. Elbette çıkışı normalde sürekli olan bir lazer bile ışık darbeleri oluşturmak için kasıtlı olarak belirli bir oranda açılıp kapatılabilir. Modülasyon oranı, boşluk ömründen ve enerjinin lasing ortamında veya pompalama mekanizmasında depolanabileceği süreden çok daha yavaş zaman ölçeklerinde olduğunda, yine de "modüle edilmiş" veya "darbeli" sürekli dalga lazeri olarak sınıflandırılır. İletişim sistemlerinde kullanılan çoğu lazer diyot bu kategoriye girer. ⓘ

Sürekli dalga çalışması

Lazerlerin bazı uygulamaları, çıkış gücü zaman içinde sabit olan bir ışına bağlıdır. Böyle bir lazer sürekli dalga (CW) lazer olarak bilinir. Böyle bir uygulamayı karşılamak için birçok lazer türü sürekli dalga modunda çalışacak şekilde yapılabilir. Bu lazerlerin çoğu aslında aynı anda birkaç uzunlamasına modda lase olur ve bu salınımların biraz farklı optik frekansları arasındaki atımlar, aslında, gidiş-dönüş süresinden (modlar arasındaki frekans aralığının tersi) daha kısa zaman ölçeklerinde, tipik olarak birkaç nanosaniye veya daha az genlik değişimleri üretecektir. Çoğu durumda, bu lazerler hala "sürekli dalga" olarak adlandırılır, çünkü çıkış güçleri daha uzun zaman aralıklarında ortalaması alındığında sabittir ve çok yüksek frekanslı güç değişimlerinin amaçlanan uygulamada çok az etkisi vardır veya hiç etkisi yoktur. (Bununla birlikte, bu terim mod kilitli lazerlere uygulanmaz, burada amaç gidiş-dönüş süresi oranında çok kısa darbeler oluşturmaktır). ⓘ

Sürekli dalga çalışması için, kazanç ortamının popülasyon inversiyonunun sabit bir pompa kaynağı tarafından sürekli olarak yenilenmesi gerekir. Bazı lasing ortamlarında bu imkansızdır. Diğer bazı lazerlerde, lazerin çok yüksek bir sürekli güç seviyesinde pompalanması gerekir ki bu pratik olmaz veya aşırı ısı üreterek lazeri tahrip eder. Bu tür lazerler CW modunda çalıştırılamaz. ⓘ

Darbeli çalışma

Lazerlerin darbeli çalışması, sürekli dalga olarak sınıflandırılmayan herhangi bir lazeri ifade eder, böylece optik güç, belirli bir tekrarlama hızında belirli bir sürenin darbelerinde görünür. Bu, bir dizi farklı motivasyona hitap eden geniş bir teknoloji yelpazesini kapsar. Bazı lazerler sadece sürekli modda çalıştırılamadıkları için darbelidir. ⓘ

Diğer durumlarda, uygulama mümkün olduğunca büyük enerjiye sahip darbelerin üretilmesini gerektirir. Darbe enerjisi, ortalama gücün tekrarlama oranına bölünmesine eşit olduğundan, bu hedef bazen darbe oranını düşürerek karşılanabilir, böylece darbeler arasında daha fazla enerji oluşturulabilir. Örneğin lazer ablasyonunda, bir iş parçasının yüzeyindeki küçük bir malzeme hacmi çok kısa bir sürede ısıtılırsa buharlaştırılabilirken, enerjinin kademeli olarak verilmesi ısının parçanın büyük kısmına emilmesine izin verecek ve hiçbir zaman belirli bir noktada yeterince yüksek bir sıcaklığa ulaşmayacaktır. ⓘ

Diğer uygulamalar, özellikle doğrusal olmayan optik etkiler elde etmek için en yüksek darbe gücüne (darbedeki enerjiden ziyade) dayanır. Belirli bir darbe enerjisi için bu, Q-switching gibi teknikler kullanılarak mümkün olan en kısa süreli darbelerin oluşturulmasını gerektirir. ⓘ

Bir darbenin optik bant genişliği, darbe genişliğinin karşılığından daha dar olamaz. Aşırı kısa darbeler söz konusu olduğunda, bu, CW lazerlerin tipik çok dar bant genişliklerinin aksine, önemli bir bant genişliği üzerinde lasing anlamına gelir. Bazı boya lazerlerindeki ve vibronik katı hal lazerlerindeki lasing ortamı, geniş bir bant genişliği üzerinde optik kazanç üretir ve böylece birkaç femtosaniye (10-15 s) kadar kısa ışık darbeleri üretebilen bir lazeri mümkün kılar. ⓘ

Q-anahtarlama

Q-anahtarlı bir lazerde, rezonatörün içine ortamın kazancını aşan bir kayıp sokularak popülasyon inversiyonunun oluşmasına izin verilir; bu aynı zamanda kavitenin kalite faktörünün veya 'Q'sunun azalması olarak da tanımlanabilir. Ardından, lazer ortamında depolanan pompa enerjisi mümkün olan maksimum seviyeye yaklaştıktan sonra, eklenen kayıp mekanizması (genellikle bir elektro- veya akusto-optik eleman) hızla kaldırılır (veya pasif bir cihazda kendiliğinden oluşur) ve kazanç ortamında depolanan enerjiyi hızla elde eden lasingin başlamasına izin verir. Bu, bu enerjiyi içeren kısa bir darbe ve dolayısıyla yüksek bir tepe gücü ile sonuçlanır. ⓘ

Mod kilitleme

Mod kilitli bir lazer, onlarca pikosaniye mertebesinden 10 femtosaniyenin altına kadar son derece kısa darbeler yayabilir. Bu darbeler gidiş-dönüş süresinde, yani ışığın rezonatörü oluşturan aynalar arasında bir gidiş-dönüşü tamamlaması için geçen sürede tekrar eder. Fourier limiti (enerji-zaman belirsizliği olarak da bilinir) nedeniyle, bu kadar kısa zamansal uzunluğa sahip bir darbe, önemli bir bant genişliğine yayılmış bir spektruma sahiptir. Dolayısıyla böyle bir kazanç ortamı, bu frekansları yükseltmek için yeterince geniş bir kazanç bant genişliğine sahip olmalıdır. Uygun bir malzemeye örnek olarak, çok geniş bir kazanç bant genişliğine sahip olan ve bu nedenle yalnızca birkaç femtosaniye süreli darbeler üretebilen titanyum katkılı, yapay olarak büyütülmüş safir (Ti:safir) verilebilir. ⓘ

Bu tür mod kilitli lazerler, son derece kısa zaman ölçeklerinde (femtosaniye fiziği, femtosaniye kimyası ve ultra hızlı bilim olarak bilinir) meydana gelen süreçleri araştırmak, optik malzemelerdeki doğrusal olmayanlığın etkisini en üst düzeye çıkarmak (örneğin ikinci harmonik üretim, parametrik aşağı dönüştürme, optik parametrik osilatörler ve benzerlerinde) için çok yönlü bir araçtır. Q-anahtarlı bir lazerin dev darbesinin aksine, mod-kilitli bir lazerden gelen ardışık darbeler faz uyumludur, yani darbeler (sadece zarfları değil) aynıdır ve mükemmel periyodiktir. Bu nedenle ve bu tür kısa atımlarla elde edilen son derece büyük tepe güçleri nedeniyle, bu tür lazerler belirli araştırma alanlarında çok değerlidir. ⓘ

Darbeli pompalama

Darbeli lazer çalışmasını sağlamanın bir başka yöntemi de lazer malzemesini, flaş lambaları durumunda elektronik şarj yoluyla ya da zaten darbeli olan başka bir lazerle kendisi darbeli olan bir kaynakla pompalamaktır. Darbeli pompalama geçmişte boya molekülünün ters popülasyon ömrünün yüksek enerjili, hızlı bir pompaya ihtiyaç duyulacak kadar kısa olduğu boya lazerlerinde kullanılmıştır. Bu sorunun üstesinden gelmenin yolu, büyük kapasitörleri şarj etmek ve daha sonra flaş lambaları aracılığıyla deşarj ederek yoğun bir flaş üretmekti. Darbeli pompalama, düşük enerji seviyesinin hızla yüksek oranda dolduğu ve bu atomlar temel duruma gevşeyene kadar daha fazla ışımayı önleyen üç seviyeli lazerler için de gereklidir. Excimer lazer ve bakır buhar lazeri gibi bu lazerler asla CW modunda çalıştırılamaz. ⓘ

Tarihçe

Temeller

Albert Einstein 1917'de Zur Quantentheorie der Strahlung (Radyasyonun Kuantum Teorisi Üzerine) adlı makalesinde Max Planck'ın radyasyon yasasının kavramsal olarak elektromanyetik radyasyonun emilimi, spontane emisyonu ve uyarılmış emisyonu için olasılık katsayılarına (Einstein katsayıları) dayanan yeniden türevi yoluyla lazer ve maserin teorik temellerini oluşturdu. 1928'de Rudolf W. Ladenburg uyarılmış emisyon ve negatif emilim olgularının varlığını doğruladı. 1939'da Valentin A. Fabrikant, uyarılmış emisyonun "kısa" dalgaları güçlendirmek için kullanılacağını öngördü. 1947'de Willis E. Lamb ve R.C. Retherford hidrojen spektrumunda belirgin uyarılmış emisyon buldular ve uyarılmış emisyonun ilk gösterimini gerçekleştirdiler. 1950 yılında Alfred Kastler (1966 Nobel Fizik Ödülü) optik pompalama yöntemini önermiş ve bu yöntem iki yıl sonra Brossel, Kastler ve Winter tarafından deneysel olarak gösterilmiştir. ⓘ

Maser

Aleksandr Prokhorov ⓘ

1951 yılında Joseph Weber, Haziran 1952'de Ottawa, Ontario, Kanada'da düzenlenen Radyo Mühendisleri Enstitüsü Vakum Tüpü Araştırma Konferansı'na bir mikrodalga amplifikatörü yapmak için uyarılmış emisyonların kullanılmasına ilişkin bir bildiri sundu. Bu sunumdan sonra RCA, Weber'den bu fikir üzerine bir seminer vermesini istedi ve Charles Hard Townes ondan makalenin bir kopyasını istedi. ⓘ

Charles H. Townes ⓘ

1953 yılında Charles Hard Townes ve lisansüstü öğrencileri James P. Gordon ve Herbert J. Zeiger, lazere benzer prensiplerle çalışan, ancak kızılötesi veya görünür radyasyon yerine mikrodalga radyasyonunu yükselten bir cihaz olan ilk mikrodalga amplifikatörünü üretti. Townes'un maseri sürekli çıkış sağlayamıyordu. Bu arada, Sovyetler Birliği'nde Nikolay Basov ve Aleksandr Prokhorov bağımsız olarak kuantum osilatörü üzerinde çalışıyorlardı ve ikiden fazla enerji seviyesi kullanarak sürekli çıkış sistemleri sorununu çözdüler. Bu kazanç ortamları, uyarılmış bir durum ile daha düşük bir uyarılmış durum arasında uyarılmış emisyonları serbest bırakabilir, temel durumu değil, bir popülasyon ters çevirmesinin sürdürülmesini kolaylaştırır. 1955'te Prokhorov ve Basov, daha sonra lazer pompalamanın ana yöntemi olan popülasyon inversiyonunu elde etmek için bir yöntem olarak çok seviyeli bir sistemin optik pompalanmasını önerdi. ⓘ

Townes, aralarında Niels Bohr, John von Neumann ve Llewellyn Thomas'ın da bulunduğu birçok seçkin fizikçinin maserin Heisenberg'in belirsizlik ilkesini ihlal ettiğini ve bu nedenle çalışamayacağını savunduğunu bildirmektedir. Isidor Rabi ve Polykarp Kusch gibi diğerleri ise bunun pratik olmayacağını ve uğraşmaya değmeyeceğini düşünüyordu. 1964 yılında Charles H. Townes, Nikolay Basov ve Aleksandr Prokhorov, "maser-lazer prensibine dayalı osilatör ve amplifikatörlerin yapımına yol açan kuantum elektroniği alanındaki temel çalışmaları için" Nobel Fizik Ödülünü paylaştılar. ⓘ

Lazer

Nisan 1957'de Japon mühendis Jun-ichi Nishizawa bir patent başvurusunda "yarı iletken optik maser" kavramını önerdi. ⓘ

Harici ses ⓘ
"The Man, the Myth, the Laser", Distillations Podcast, Bilim Tarihi Enstitüsü

Aynı yıl, o zamanlar Bell Laboratuarlarında çalışan Charles Hard Townes ve Arthur Leonard Schawlow, kızılötesi "optik maserler" üzerinde ciddi bir çalışma başlattılar. Fikirler geliştikçe, kızılötesi radyasyondan vazgeçip görünür ışığa odaklandılar. 1958 yılında Bell Labs, önerdikleri optik maser için patent başvurusunda bulundu; Schawlow ve Townes ise teorik hesaplamalarının bir taslağını Physical Review dergisine gönderdi ve bu taslak 1958 yılında yayınlandı. ⓘ

LASER not defteri: Gordon Gould'un LASER kısaltmasını bulduğu ve bir LASER inşa etmek için gereken unsurları tanımladığı not defterinin ilk sayfası. El yazması metin: "Bir LASER'in fizibilitesi üzerine bazı kaba hesaplamalar: Uyarılmış / Radyasyon Emisyonu ile Işık Amplifikasyonu. / Optik olarak düz / [Bir tüpün taslağı] / kısmen yansıtan paralel aynalarla sonlandırılmış bir tüp düşünün..." ⓘ

Eş zamanlı olarak Columbia Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi Gordon Gould uyarılmış talyumun enerji seviyeleri üzerine bir doktora tezi üzerinde çalışıyordu. Gould ve Townes bir araya geldiklerinde, genel bir konu olarak radyasyon emisyonu hakkında konuştular; daha sonra, Kasım 1957'de Gould, açık bir rezonatör (daha sonra önemli bir lazer cihazı bileşeni) kullanmayı da içeren bir "lazer" için fikirlerini kaydetti. Dahası, 1958'de Prokhorov bağımsız olarak açık bir rezonatör kullanmayı önerdi ve bu fikrin ilk yayınlanmış görünümü oldu. Bu arada Schawlow ve Townes, Prokhorov'un yayınlarından ve Gould'un yayınlanmamış lazer çalışmalarından habersiz bir şekilde açık rezonatörlü bir lazer tasarımında karar kılmışlardı. ⓘ

1959'daki bir konferansta Gordon Gould "LASER" kısaltmasını ilk kez The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation adlı makalesinde yayınladı. Gould'un niyeti, spektrumun farklı bölümleri için farklı "-ASER" kısaltmalarının kullanılmasıydı: x-ışınları için "XASER", ultraviyole için "UVASER" vb. "LASER" sonunda mikrodalga olmayan cihazlar için genel terim haline geldi, ancak "RASER" radyo frekansı yayan cihazları belirtmek için kısa bir süre popüler oldu. ⓘ

Gould'un notlarında lazer için spektrometri, interferometri, radar ve nükleer füzyon gibi olası uygulamalar yer alıyordu. Fikri geliştirmeye devam etti ve Nisan 1959'da bir patent başvurusunda bulundu. ABD Patent Ofisi başvurusunu reddetti ve 1960 yılında Bell Labs'a patent verdi. Bu durum, bilimsel prestij ve paranın söz konusu olduğu yirmi sekiz yıllık bir davaya neden oldu. Gould ilk küçük patentini 1977'de kazandı, ancak 1987'ye kadar ilk önemli patent davası zaferini, bir Federal yargıcın ABD Patent Ofisi'ne optik olarak pompalanan ve gaz deşarjlı lazer cihazları için Gould'a patent vermesini emrettiğinde kazandı. Lazerin icadına nasıl itibar edileceği sorusu tarihçiler tarafından hala çözülememiştir. ⓘ

16 Mayıs 1960'ta Theodore H. Maiman, aralarında Columbia Üniversitesi'nden Townes, Bell Laboratuarlarından Arthur Schawlow ve TRG (Technical Research Group) şirketinden Gould'un da bulunduğu birçok araştırma ekibinin önünde, Kaliforniya Malibu'daki Hughes Araştırma Laboratuarlarında ilk çalışan lazeri çalıştırdı. Maiman'ın fonksiyonel lazeri, 694 nanometre dalga boyunda kırmızı lazer ışığı üretmek için flaş lambasıyla pompalanan sentetik bir yakut kristali kullanıyordu. Cihaz, üç seviyeli pompalama tasarım şeması nedeniyle yalnızca darbeli çalışma kapasitesine sahipti. Aynı yılın ilerleyen zamanlarında İranlı fizikçi Ali Javan, William R. Bennett ve Donald Herriott ile birlikte helyum ve neon kullanarak kızılötesinde sürekli çalışabilen ilk gaz lazerini inşa etti (ABD Patenti 3,149,290); daha sonra Javan 1993 yılında Albert Einstein Dünya Bilim Ödülü'nü aldı. Basov ve Javan yarı iletken lazer diyot konseptini önermişlerdir. 1962 yılında Robert N. Hall, galyum arsenitten yapılan ve 850 nm'de spektrumun yakın kızılötesi bandında yayılan ilk lazer diyot cihazını gösterdi. Aynı yılın ilerleyen günlerinde Nick Holonyak, Jr. görünür emisyona sahip ilk yarı iletken lazeri gösterdi. Bu ilk yarı iletken lazer yalnızca darbeli ışın işleminde ve sıvı nitrojen sıcaklıklarına (77 K) soğutulduğunda kullanılabiliyordu. 1970 yılında SSCB'den Zhores Alferov ve Bell Telephone Laboratories'den Izuo Hayashi ve Morton Panish de bağımsız olarak heterojonksiyon yapısını kullanarak oda sıcaklığında, sürekli çalışan diyot lazerler geliştirdi. ⓘ

Son yenilikler

1960'tan bu yana maksimum lazer atım yoğunluğunun geçmişini gösteren grafik. ⓘ

Lazer tarihinin ilk dönemlerinden bu yana, lazer araştırmaları, aşağıdakiler de dahil olmak üzere farklı performans hedefleri için optimize edilmiş çeşitli gelişmiş ve özel lazer türleri üretmiştir:

• yeni dalga boyu bantları
• maksimum ortalama çıkış gücü
• maksimum tepe darbe enerjisi
• maksimum tepe darbe gücü
• minimum çıkış darbe süresi
• minimum çizgi genişliği
• maksimum güç verimliliği
• minimum maliyet

ve bu araştırma günümüzde de devam etmektedir. ⓘ

2015 yılında araştırmacılar, ışığı çinko, kadmiyum, sülfür ve selenyumdan yapılmış sentetik bir nano tabaka tarafından modüle edilen ve her dalga boyu 191 nm'ye kadar değişen oranlarda kırmızı, yeşil ve mavi ışık yayabilen beyaz bir lazer yaptılar. ⓘ

2017 yılında TU Delft'teki araştırmacılar bir AC Josephson junction mikrodalga lazeri gösterdiler. Lazer süper iletken rejimde çalıştığından, diğer yarı iletken tabanlı lazerlerden daha kararlıdır. Cihaz, kuantum hesaplama uygulamaları için potansiyel taşıyor. 2017 yılında TU Münih'teki araştırmacılar, 200 GHz'e kadar tekrarlama frekansına sahip faz kilitli pikosaniye lazer darbeleri çiftleri yayabilen en küçük mod kilitleme lazerini gösterdiler. ⓘ

2017 yılında Physikalisch-Technische Bundesanstalt'tan (PTB) araştırmacılar, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Colorado Boulder Üniversitesi'nin ortak bir enstitüsü olan JILA'dan ABD'li araştırmacılarla birlikte, yalnızca 10 milihertz çizgi genişliğine sahip erbiyum katkılı bir fiber lazer geliştirerek yeni bir dünya rekoru kırdı. ⓘ

Türleri ve çalışma prensipleri

Piyasada bulunan lazerlerin dalga boyları. Farklı lazer çizgilerine sahip lazer türleri dalga boyu çubuğunun üzerinde gösterilirken, aşağıda bir dalga boyu aralığında yayılabilen lazerler gösterilmektedir. Renk, lazer malzemesinin türünü kodlamaktadır (daha fazla ayrıntı için şekil açıklamasına bakın). ⓘ

Gaz lazerleri

HeNe gaz lazerinin icadını takiben, diğer birçok gaz deşarjının ışığı tutarlı bir şekilde yükselttiği bulunmuştur. Birçok farklı gazın kullanıldığı gaz lazerleri inşa edilmiş ve birçok amaç için kullanılmıştır. Helyum-neon lazer (HeNe) bir dizi farklı dalga boyunda çalışabilir, ancak büyük çoğunluğu 633 nm'de lase edecek şekilde tasarlanmıştır; bu nispeten düşük maliyetli ancak yüksek tutarlı lazerler optik araştırma ve eğitim laboratuvarlarında son derece yaygındır. Ticari karbondioksit (CO₂) lazerler, küçük bir noktaya yoğunlaştırılabilen tek bir uzamsal modda yüzlerce watt yayabilir. Bu emisyon 10.6 µm'de termal kızılötesindedir; bu tür lazerler endüstride kesme ve kaynak için düzenli olarak kullanılmaktadır. Bir CO₂ lazerin verimliliği alışılmadık derecede yüksektir: %30'un üzerinde. Argon-iyon lazerler 351 ve 528,7 nm arasında bir dizi lasing geçişinde çalışabilir. Optik tasarıma bağlı olarak bu geçişlerden biri veya daha fazlası aynı anda lasing yapabilir; en yaygın kullanılan hatlar 458 nm, 488 nm ve 514.5 nm'dir. Atmosferik basınçta gaz içinde azot enine elektrik deşarjı (TEA) lazeri, genellikle hobiciler tarafından evde yapılan ve 337,1 nm'de oldukça tutarsız UV ışığı üreten ucuz bir gaz lazeridir. Metal iyon lazerler derin ultraviyole dalga boyları üreten gaz lazerlerdir. Helyum-gümüş (HeAg) 224 nm ve neon-bakır (NeCu) 248 nm iki örnektir. Tüm düşük basınçlı gaz lazerleri gibi, bu lazerlerin kazanç ortamları da 3 GHz'den (0,5 pikometre) daha az olmak üzere oldukça dar salınım çizgi genişliklerine sahiptir ve bu da onları floresan bastırılmış Raman spektroskopisinde kullanım için aday yapar. ⓘ

Ortamı bir popülasyon inversiyonuna uyarılmış halde tutmadan lasing 1992 yılında sodyum gazında ve 1995 yılında rubidyum gazında çeşitli uluslararası ekipler tarafından gösterilmiştir. Bu, ortamdaki "optik şeffaflığı" indüklemek için harici bir maser kullanılarak, iki yol arasındaki toprak elektron geçişlerini tanıtarak ve yıkıcı bir şekilde engelleyerek başarıldı, böylece toprak elektronlarının herhangi bir enerjiyi absorbe etme olasılığı iptal edildi. ⓘ

Kimyasal lazerler

Kimyasal lazerler, büyük miktarda enerjinin hızlı bir şekilde serbest bırakılmasına izin veren kimyasal bir reaksiyondan güç alır. Bu tür çok yüksek güçlü lazerler özellikle ordunun ilgisini çekmektedir, ancak gaz akışlarıyla beslenen çok yüksek güç seviyelerinde sürekli dalga kimyasal lazerler geliştirilmiştir ve bazı endüstriyel uygulamaları vardır. Örnek olarak hidrojen florür lazerinde (2700-2900 nm) ve döteryum florür lazerinde (3800 nm) reaksiyon, hidrojen veya döteryum gazının azot triflorür içindeki etilenin yanma ürünleriyle birleşmesidir. ⓘ

Excimer lazerler

Excimer lazerler, lasing ortamının bir excimer veya daha doğrusu mevcut tasarımlarda bir exciplex olduğu bir elektrik deşarjı ile çalışan özel bir gaz lazer türüdür. Bunlar, uyarılmış elektronik durumda yalnızca bir atomla var olabilen moleküllerdir. Molekül uyarılma enerjisini bir fotona aktardığında, atomları artık birbirlerine bağlı değildir ve molekül parçalanır. Bu, düşük enerji durumunun popülasyonunu büyük ölçüde azaltır ve böylece bir popülasyon tersine çevirmeyi büyük ölçüde kolaylaştırır. Şu anda kullanılan eksimerlerin hepsi asal gaz bileşikleridir; asal gazlar kimyasal olarak inerttir ve sadece uyarılmış bir durumdayken bileşikler oluşturabilirler. Excimer lazerler tipik olarak yarı iletken fotolitografi ve LASIK göz ameliyatı gibi başlıca uygulamalarla ultraviyole dalga boylarında çalışır. Yaygın olarak kullanılan excimer molekülleri arasında ArF (193 nm'de emisyon), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) ve XeF (351 nm) bulunur. Vakum ultraviyolede 157 nm'de yayılan moleküler flor lazer bazen bir excimer lazer olarak adlandırılır, ancak F₂ kararlı bir bileşik olduğu için bu yanlış bir adlandırma gibi görünmektedir. ⓘ

Katı hal lazerleri

Starfire Optical Range'de kullanılan Nd:YAG lazer tabanlı 50 W'lık bir FASOR ⓘ

Katı hal lazerleri, gerekli enerji durumlarını sağlayan iyonlarla "katkılanmış" bir kristal veya cam çubuk kullanır. Örneğin, ilk çalışan lazer yakuttan (krom katkılı korindon) yapılmış bir yakut lazerdir. Popülasyon inversiyonu aslında katkının içinde korunur. Bu malzemeler, genellikle bir flashtube veya başka bir lazerden gelen lasing dalga boyundan daha kısa bir dalga boyu kullanılarak optik olarak pompalanır. Lazer fiziğinde "katı hal" teriminin kullanımı tipik kullanımdan daha dardır. Yarı iletken lazerler (lazer diyotlar) tipik olarak katı hal lazerleri olarak adlandırılmaz. ⓘ

Neodimyum, itriyum ortovanadat (Nd:YVO₄), itriyum lityum florür (Nd:YLF) ve itriyum alüminyum garnet (Nd:YAG) dahil olmak üzere çeşitli katı hal lazer kristallerinde yaygın bir katkı maddesidir. Tüm bu lazerler 1064 nm'de kızılötesi spektrumda yüksek güçler üretebilir. Metallerin ve diğer malzemelerin kesilmesi, kaynaklanması ve işaretlenmesinde, ayrıca spektroskopide ve boya lazerlerinin pompalanmasında kullanılırlar. Bu lazerler ayrıca sırasıyla 532 nm (yeşil, görünür), 355 nm ve 266 nm (UV) ışınlar üretmek için yaygın olarak frekans ikiye, üçe veya dörde katlanır. Frekansı iki katına çıkarılmış diyot pompalı katı hal (DPSS) lazerler parlak yeşil lazer işaretçiler yapmak için kullanılır. ⓘ

İterbiyum, holmiyum, tulyum ve erbiyum katı hal lazerlerinde yaygın olarak kullanılan diğer "katkı maddeleridir". Ytterbium, tipik olarak 10₂0-1050 nm civarında çalışan Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2 gibi kristallerde kullanılır. Küçük kuantum kusurları nedeniyle potansiyel olarak çok verimli ve yüksek güçlüdürler. Yb:YAG ile ultra kısa darbelerde son derece yüksek güçler elde edilebilir. Holmiyum katkılı YAG kristalleri 2097 nm'de yayılır ve su içeren dokular tarafından güçlü bir şekilde emilen kızılötesi dalga boylarında çalışan etkili bir lazer oluşturur. Ho-YAG genellikle darbeli modda çalıştırılır ve eklemleri yeniden yüzeye çıkarmak, dişlerdeki çürükleri gidermek, kanserleri buharlaştırmak ve böbrek ve safra taşlarını toz haline getirmek için optik fiber cerrahi cihazlardan geçirilir. ⓘ

Titanyum katkılı safir (Ti:safir), spektroskopi için yaygın olarak kullanılan, oldukça ayarlanabilir bir kızılötesi lazer üretir. Ayrıca, son derece yüksek tepe gücüne sahip ultra kısa darbeler üreten mod kilitli bir lazer olarak kullanım için de dikkate değerdir. ⓘ

Katı hal lazerlerinde termal sınırlamalar, ortamı ısıtan dönüştürülmemiş pompa gücünden kaynaklanır. Bu ısı, yüksek bir termo-optik katsayı (dn/dT) ile birleştiğinde termal merceklenmeye neden olabilir ve kuantum verimliliğini azaltabilir. Diyot pompalı ince disk lazerler, pompa ışınının çapından çok daha ince bir kazanç ortamına sahip olarak bu sorunların üstesinden gelir. Bu, malzeme içinde daha homojen bir sıcaklık sağlar. İnce disk lazerlerin bir kilowatt'a kadar ışın üretebildiği gösterilmiştir. ⓘ

Fiber lazerler

Işığın tek modlu bir optik fiberdeki toplam iç yansıma nedeniyle yönlendirildiği katı hal lazerleri veya lazer yükselteçleri bunun yerine fiber lazerler olarak adlandırılır. Işığın yönlendirilmesi, iyi soğutma koşulları sağlayan son derece uzun kazanç bölgelerine izin verir; fiberler, verimli soğutmaya izin veren yüksek yüzey alanı / hacim oranına sahiptir. Buna ek olarak, fiberin dalga kılavuzlama özellikleri ışının termal bozulmasını azaltma eğilimindedir. Erbiyum ve iterbiyum iyonları bu tür lazerlerde yaygın olarak kullanılan aktif türlerdir. ⓘ

Çoğu zaman, fiber lazer çift kaplamalı bir fiber olarak tasarlanır. Bu tip fiberler bir fiber çekirdek, bir iç kaplama ve bir dış kaplamadan oluşur. Üç eşmerkezli katmanın indeksi, fiber çekirdek lazer emisyonu için tek modlu bir fiber gibi davranırken, dış kaplama pompa lazeri için oldukça çok modlu bir çekirdek gibi davranacak şekilde seçilir. Bu, pompanın aktif iç çekirdek bölgesine ve içinden büyük miktarda güç yaymasını sağlarken, kolay fırlatma koşullarına sahip olmak için hala yüksek bir sayısal açıklığa (NA) sahiptir. ⓘ

Pompa ışığı, bir fiber disk lazer veya bu tür lazerlerin bir yığını oluşturularak daha verimli bir şekilde kullanılabilir. ⓘ

Fiber lazerlerin temel bir sınırı vardır; fiberdeki ışığın yoğunluğu, yerel elektrik alan gücünün neden olduğu optik doğrusal olmayan özelliklerin baskın hale gelmesine ve lazerin çalışmasını engellemesine ve/veya fiberin malzeme tahribatına yol açmasına neden olacak kadar yüksek olamaz. Bu etkiye fotodarklaşma denir. Yığın lazer malzemelerinde soğutma çok verimli değildir ve fotodarklaşmanın etkilerini termal etkilerden ayırmak zordur, ancak fiberlerdeki deneyler fotodarklaşmanın uzun ömürlü renk merkezlerinin oluşumuna atfedilebileceğini göstermektedir. ⓘ

Fotonik kristal lazerler

Fotonik kristal lazerler, mod hapsini ve geri beslemenin gerçekleşmesi için gereken optik durumların yoğunluğu (DOS) yapısını sağlayan nano yapılara dayanan lazerlerdir. Tipik olarak mikrometre boyutundadırlar ve fotonik kristallerin bantlarında ayarlanabilirler. ⓘ

Yarı iletken lazerler

CD veya DVD oynatıcılarda kullanılanlar gibi 5,6 mm 'kapalı kutu' ticari lazer diyot ⓘ

Yarı iletken lazerler elektriksel olarak pompalanan diyotlardır. Uygulanan akım tarafından yaratılan elektron ve deliklerin rekombinasyonu optik kazanç sağlar. Kristalin uçlarından gelen yansıma optik bir rezonatör oluşturur, ancak rezonatör bazı tasarımlarda yarı iletkenin dışında olabilir. ⓘ

Ticari lazer diyotlar 375 nm ila 3500 nm arasındaki dalga boylarında yayılır. Düşük ila orta güçlü lazer diyotlar lazer işaretçilerde, lazer yazıcılarda ve CD/DVD oynatıcılarda kullanılır. Lazer diyotlar ayrıca diğer lazerleri yüksek verimlilikle optik olarak pompalamak için de sıklıkla kullanılır. En yüksek güce sahip endüstriyel lazer diyotlar, 20 kW'a kadar güçle, endüstride kesme ve kaynak için kullanılır. Harici boşluklu yarı iletken lazerler, daha büyük bir boşlukta yarı iletken bir aktif ortama sahiptir. Bu cihazlar iyi ışın kalitesi, dalga boyu ayarlanabilir dar hat genişlikli radyasyon veya ultra kısa lazer darbeleri ile yüksek güç çıkışları üretebilir. ⓘ

2012 yılında Nichia ve OSRAM, geleneksel diyot pompalı katı hal lazerleriyle rekabet eden ticari yüksek güçlü yeşil lazer diyotları (515/520 nm) geliştirmiş ve üretmiştir. ⓘ

Dikey boşluklu yüzey yayan lazerler (VCSEL'ler), emisyon yönü gofret yüzeyine dik olan yarı iletken lazerlerdir. VCSEL cihazları tipik olarak geleneksel lazer diyotlardan daha dairesel bir çıkış ışınına sahiptir. 2005 yılı itibariyle, sadece 850 nm VCSEL'ler yaygın olarak mevcuttur, 1300 nm VCSEL'ler ticarileştirilmeye başlanmıştır ve 1550 nm cihazlar bir araştırma alanıdır. VECSEL'ler dış boşluklu VCSEL'lerdir. Kuantum kaskad lazerler, birkaç kuantum kuyusu içeren bir yapıda bir elektronun enerji alt bantları arasında aktif bir geçişe sahip yarı iletken lazerlerdir. ⓘ

Bir silikon lazerin geliştirilmesi optik hesaplama alanında önemlidir. Silikon, entegre devreler için tercih edilen malzemedir ve bu nedenle elektronik ve silikon fotonik bileşenler (optik ara bağlantılar gibi) aynı çip üzerinde üretilebilir. Ne yazık ki silikon, ışımayı engelleyen bazı özelliklere sahip olduğu için ışımayla başa çıkması zor bir malzemedir. Bununla birlikte, son zamanlarda ekipler, silikondan tutarlı ışık üretilmesine izin veren indiyum (III) fosfit veya galyum (III) arsenit gibi silikon ve diğer yarı iletken malzemelerden lasing malzemesinin üretilmesi gibi yöntemlerle silikon lazerler üretmiştir. Bunlara hibrit silikon lazer denir. Son gelişmeler, optik ara bağlantılar için doğrudan silikon üzerine monolitik olarak entegre edilmiş nanotel lazerlerin kullanımını da göstermiş ve çip seviyesi uygulamaların önünü açmıştır. Silikonda optik ara bağlantılar yapabilen bu heteroyapı nanotel lazerler aynı zamanda 200 GHz'e kadar tekrarlama frekansına sahip faz kilitli pikosaniye darbe çiftleri yayarak çip üzerinde optik sinyal işlemeye olanak tanır. Diğer bir tür ise silikon gibi malzemelerden lazer üretmek için Raman saçılmasından yararlanan bir Raman lazeridir. ⓘ

Boya lazerleri

Rhodamine 6G bazlı masa üstü boya lazerinin yakın çekimi ⓘ

Boya lazerleri kazanç ortamı olarak organik bir boya kullanır. Mevcut boyaların veya boya karışımlarının geniş kazanç spektrumu, bu lazerlerin yüksek oranda ayarlanabilir olmasını veya çok kısa süreli darbeler (birkaç femtosaniye mertebesinde) üretmesini sağlar. Bu ayarlanabilir lazerler esas olarak sıvı formlarında bilinse de, araştırmacılar katı hal boya kazanım ortamını içeren dağıtıcı osilatör konfigürasyonlarında dar hat genişliğinde ayarlanabilir emisyon da göstermişlerdir. En yaygın biçimleriyle bu katı hal boya lazerleri, lazer ortamı olarak boya katkılı polimerler kullanır. ⓘ

Serbest elektron lazerleri

FOM Plazma Fiziği Enstitüsü Rijnhuizen, Nieuwegein'deki serbest elektron lazeri FELIX ⓘ

Serbest elektron lazerleri veya FEL'ler, şu anda dalga boyu mikrodalgalardan terahertz radyasyonuna ve kızılötesinden görünür spektruma ve yumuşak X ışınlarına kadar değişen, geniş ölçüde ayarlanabilen tutarlı, yüksek güçlü radyasyon üretir. Tüm lazer türleri arasında en geniş frekans aralığına sahiptirler. FEL ışınları, tutarlı radyasyon gibi diğer lazerlerle aynı optik özellikleri paylaşırken, FEL operasyonu oldukça farklıdır. Bağlı atomik veya moleküler durumlara dayanan gaz, sıvı veya katı hal lazerlerinin aksine, FEL'ler lasing ortamı olarak relativistik bir elektron ışını kullanır, dolayısıyla serbest elektron terimi kullanılır. ⓘ

Egzotik ortam

Bir atom çekirdeğinin izomerik halleri arasındaki geçişleri kullanarak yüksek kuantum enerjili bir lazer arayışı 1970'lerin başından beri geniş kapsamlı akademik araştırmaların konusu olmuştur. Bunların çoğu üç inceleme makalesinde özetlenmiştir. Bu araştırmaların kapsamı uluslararası olmakla birlikte, esas olarak eski Sovyetler Birliği ve Amerika Birleşik Devletleri'nde gerçekleştirilmiştir. Birçok bilim insanı bir atılımın yakın olduğu konusunda iyimserliğini korusa da, operasyonel bir gama ışını lazeri henüz gerçekleştirilmemiştir. ⓘ

İlk çalışmalardan bazıları, gama ışını geçişinin Mössbauer etkisinin çizgi daraltmasından yararlanabilmesi için bir katıdaki üst izomer durumunu uyaran kısa nötron darbelerine yönelikti. Buna bağlı olarak, üç seviyeli bir sistemin iki aşamalı pompalanmasından çeşitli avantajlar bekleniyordu. Lazerle tahrik edilen tutarlı salınımlı elektron bulutunun yakın alanına gömülü bir atom çekirdeğinin, tahrik eden lazerinkinden daha büyük bir dipol alanına maruz kalacağı varsayılmıştır. Dahası, salınan bulutun doğrusal olmaması hem uzaysal hem de zamansal harmonikler üretecek, böylece daha yüksek çok kutupluluğa sahip nükleer geçişler de lazer frekansının katlarında tahrik edilebilecekti. ⓘ

Eylül 2007'de BBC News, çok güçlü bir gama ışını lazerini çalıştırmak için pozitronyum yok oluşunu kullanma olasılığı hakkında spekülasyonlar olduğunu bildirdi. Riverside'daki Kaliforniya Üniversitesi'nden Dr. David Cassidy, bu tür tek bir lazerin nükleer füzyon reaksiyonunu ateşlemek için kullanılabileceğini ve şu anda atalet hapsi füzyon deneylerinde kullanılan yüzlerce lazerin yerini alabileceğini öne sürdü. ⓘ

Nükleer bir patlamayla pompalanan uzay tabanlı X-ışını lazerleri de füzesavar silahlar olarak önerilmiştir. Bu tür cihazlar tek atımlık silahlar olacaktır. ⓘ

Lazer ışığı üretmek için canlı hücreler kullanılmıştır. Hücreler, lazerin kazanç ortamı olarak işlev gören yeşil floresan proteini üretecek şekilde genetik olarak tasarlanmıştır. Hücreler daha sonra lazer boşluğu görevi gören 20 mikrometre genişliğinde iki ayna arasına yerleştirildi. Hücre mavi ışıkla aydınlatıldığında yoğun, yönlendirilmiş yeşil lazer ışığı yaydı. ⓘ

Doğal lazerler

Astrofiziksel maserler gibi, ışınlanmış gezegensel veya yıldız gazları da doğal bir lazer üreterek ışığı yükseltebilir. Mars, Venüs ve MWC 349 bu fenomeni sergilemektedir. ⓘ

Kullanım Alanları

Lazerlerin boyutları, çok sayıda uygulamaya sahip mikroskobik diyot lazerlerden (üstte), atalet hapsi füzyonu, nükleer silah araştırmaları ve diğer yüksek enerji yoğunluklu fizik deneyleri için kullanılan futbol sahası büyüklüğündeki neodimyum cam lazerlere (altta) kadar değişmektedir. ⓘ

Lazerler 1960 yılında icat edildiğinde "sorun arayan bir çözüm" olarak adlandırılmıştı. O zamandan bu yana, tüketici elektroniği, bilgi teknolojisi, bilim, tıp, endüstri, kolluk kuvvetleri, eğlence ve ordu dahil olmak üzere modern toplumun her kesiminde binlerce çok çeşitli uygulamada fayda sağlayarak her yerde bulunur hale geldiler. Lazerlerin kullanıldığı fiber optik iletişim, internet gibi hizmetlere olanak tanıyan modern iletişimde kilit bir teknolojidir. ⓘ

Lazerlerin yaygın olarak fark edilen ilk kullanımı 1974 yılında piyasaya sürülen süpermarket barkod tarayıcısı olmuştur. Lazer içeren ilk başarılı tüketici ürünü 1978'de piyasaya sürülen lazer disk oynatıcıydı ancak kompakt disk oynatıcı 1982'den itibaren yaygınlaşan ilk lazer donanımlı cihaz oldu ve bunu kısa bir süre sonra lazer yazıcılar izledi. ⓘ

Diğer bazı kullanım alanları şunlardır:

• İletişim: fiber optik iletişimin yanı sıra, lazerler uzayda lazer iletişimi de dahil olmak üzere serbest uzay optik iletişimi için kullanılır.
• Tıp: aşağıya bakınız.
• Endüstri: ince malzemelerin dönüştürülmesi, kaynak, malzeme ısıl işlemi, parçaların işaretlenmesi (gravür ve yapıştırma), seçici lazer sinterleme ve seçici lazer eritme gibi eklemeli üretim veya 3D baskı işlemleri, parçaların temassız ölçümü ve 3D tarama ve lazer temizleme dahil olmak üzere kesme.
• Askeri: hedefleri işaretleme, mühimmatları yönlendirme, füze savunması, elektro-optik karşı önlemler (EOCM), lidar, askerleri kör etme, ateşli silah görüşü. Aşağıya bakınız
• Kolluk kuvvetleri: LIDAR trafik uygulaması. Lazerler, adli kimlik belirleme alanında gizli parmak izi tespiti için kullanılır
• Araştırma: spektroskopi, lazer ablasyon, lazer tavlama, lazer saçılma, lazer interferometri, lidar, lazer yakalama mikrodiseksiyonu, floresan mikroskopi, metroloji, lazer soğutma.
• Ticari ürünler: lazer yazıcılar, barkod tarayıcılar, termometreler, lazer pointerlar, hologramlar, bubblegramlar.
• Eğlence: optik diskler, lazer aydınlatma ekranları, lazer pikaplar ⓘ

2004 yılında, diyot lazerler hariç, 2,19 milyar ABD$ değerinde yaklaşık 131.000 lazer satılmıştır. Aynı yıl 3,20 milyar dolar değerinde yaklaşık 733 milyon diyot lazer satılmıştır. ⓘ

Gözlem evinden çıkan lazer ışını ⓘ

Birkaç kaynaktan çıkan lazer ışınları ⓘ

Tıp alanında

Lazerlerin tıpta, lazer cerrahisi (özellikle göz cerrahisi), lazerle iyileştirme (fotobiyomodülasyon tedavisi), böbrek taşı tedavisi, oftalmoskopi ve akne tedavisi, selülit ve çatlakların azaltılması ve epilasyon gibi kozmetik cilt tedavileri dahil olmak üzere birçok kullanım alanı vardır. ⓘ

Lazerler, tümörleri veya kanser öncesi büyümeleri küçülterek veya yok ederek kanseri tedavi etmek için kullanılır. En yaygın olarak vücudun yüzeyinde veya iç organların astarında bulunan yüzeysel kanserleri tedavi etmek için kullanılırlar. Bazal hücreli cilt kanserini ve servikal, penis, vajinal, vulvar ve küçük hücreli olmayan akciğer kanseri gibi diğerlerinin çok erken aşamalarını tedavi etmek için kullanılırlar. Lazer tedavisi genellikle cerrahi, kemoterapi veya radyasyon tedavisi gibi diğer tedavilerle birleştirilir. Lazerle indüklenen interstisyel termoterapi (LITT) veya interstisyel lazer fotokoagülasyon, kanser hücrelerine zarar vererek veya öldürerek tümörleri küçültmek için ısı kullanan hipertermi kullanarak bazı kanserleri tedavi etmek için lazerler kullanır. Lazerler geleneksel ameliyat yöntemlerinden daha hassastır ve daha az hasara, ağrıya, kanamaya, şişmeye ve yara izine neden olur. Dezavantajı ise cerrahların özel eğitim almaları gerektiğinden diğer tedavilere kıyasla daha pahalı olmasıdır. ⓘ

Hastalıkların teşhis ve tedavisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Göz hastalıklarının tedavisi, mikro cerrahi uygulamalarında yaygın kullanılır. ⓘ

Cerrahide lazerin en başarılı olduğu kullanım alanlarından biri de göz hastalıklarının tedavisinde kullanılan ışıkla pıhtılaştırma yoludur. Ağ tabakadaki kan damarları bozulunca, küçük ve çok zayıf yeni damarlar oluşur. Bu damarlar kolay kopabileceği için kanamalara sebep olur. Işıkla pıhtılaştırma yöntemi ağ tabakanın ilgili yerlerini yakarak yeni damarların oluşmasını engeller. ⓘ

Silah olarak

Bir lazer silahı, yönlendirilmiş enerji silahı olarak kullanılan bir lazerdir. ⓘ

ABD-İsrail Taktik Yüksek Enerji silahı roketleri ve top mermilerini vurmak için kullanılmıştır. ⓘ

Hobiler

Son yıllarda bazı hobi meraklıları lazerlere ilgi duymaya başlamıştır. Hobiciler tarafından kullanılan lazerler genellikle sınıf IIIa veya IIIb'dir (bkz. Güvenlik), ancak bazıları kendi sınıf IV tiplerini yapmıştır. Bununla birlikte, diğer hobicilerle karşılaştırıldığında, lazer hobicileri, maliyet ve potansiyel tehlikeler nedeniyle çok daha az yaygındır. Lazerlerin maliyeti nedeniyle, bazı hobiciler lazer elde etmek için bozuk DVD oynatıcılardan (kırmızı), Blu-ray oynatıcılardan (mor) veya hatta CD veya DVD yazıcılardan daha yüksek güçlü lazer diyotları kurtarmak gibi ucuz yöntemler kullanmaktadır. ⓘ

Hobi meraklıları da emekli askeri uygulamalardan alınan ihtiyaç fazlası lazerleri kullanmış ve bunları holografi için modifiye etmişlerdir. Darbeli yakut ve YAG lazerler bu uygulama için iyi çalışır. ⓘ

Güce göre örnekler

Astronomik uyarlanabilir optik görüntülemede lazer uygulaması ⓘ

Farklı uygulamalar farklı çıkış güçlerine sahip lazerlere ihtiyaç duyar. Sürekli bir ışın veya bir dizi kısa darbe üreten lazerler ortalama güçlerine göre karşılaştırılabilir. Darbe üreten lazerler de her bir darbenin tepe gücüne göre karakterize edilebilir. Darbeli bir lazerin tepe gücü, ortalama gücünden çok daha büyüktür. Ortalama çıkış gücü her zaman tüketilen güçten daha azdır. ⓘ

Bazı kullanımlar için gereken sürekli veya ortalama güç: ⓘ

Güç	Kullanım
1-5 mW	Lazer işaretleyiciler
5 mW	CD-ROM sürücüsü
5-10 mW	DVD oynatıcı veya DVD-ROM sürücüsü
100 mW	Yüksek hızlı CD-RW yazıcı
250 mW	Tüketici 16× DVD-R yazıcı
400 mW	DVD 24× çift katmanlı kayıt
1 W	Holografik Çok Yönlü Disk prototip geliştirmede yeşil lazer
1-20 W	Mikro işleme için kullanılan ticari olarak mevcut katı hal lazerlerinin çoğunun çıkışı
30-100 W	Tipik sızdırmaz CO2 cerrahi lazerler
100-3000 W	Endüstriyel lazer kesimde kullanılan tipik sızdırmaz CO2 lazerler

Yüksek tepe gücüne sahip darbeli sistem örnekleri:

• 700 TW (700×10¹² W) - Ulusal Ateşleme Tesisi, 10 metre çapında bir hedef odasına bitişik 192 ışınlı, 1,8 megajoule lazer sistemi
• 10 PW (10×10¹⁵ W) - 2019 itibariyle dünyanın en güçlü lazeri, Măgurele, Romanya'daki ELI-NP tesisinde bulunmaktadır. ⓘ

Güvenlik

Sol: Sınıf 2 ve üstü lazerler için gerekli Avrupa lazer uyarı sembolü. Sağda: ABD lazer uyarı etiketi: ABD lazer uyarı etiketi, bu durumda 3B Sınıfı lazer için

İlk lazerin bile potansiyel olarak tehlikeli olduğu kabul edildi. Theodore Maiman ilk lazeri, bir Gillette tıraş bıçağını yakabileceği için bir "Gillette" gücüne sahip olarak nitelendirmiştir. Bugün, yalnızca birkaç miliwatt çıkış gücüne sahip düşük güçlü lazerlerin bile, ışın doğrudan göze çarptığında veya parlak bir yüzeyden yansıdıktan sonra insan görüşü için tehlikeli olabileceği kabul edilmektedir. Kornea ve lensin iyi odaklanabildiği dalga boylarında, lazer ışığının tutarlılığı ve düşük sapması, göz tarafından retina üzerinde son derece küçük bir noktaya odaklanabileceği anlamına gelir ve bu da saniyeler veya daha kısa sürede lokal yanma ve kalıcı hasara neden olur. ⓘ

Lazerler genellikle lazerin ne kadar tehlikeli olduğunu tanımlayan bir güvenlik sınıfı numarası ile etiketlenir:

• Sınıf 1 doğal olarak güvenlidir, çünkü ışık genellikle CD çalarlarda olduğu gibi bir muhafaza içinde bulunur.
• Sınıf 2 normal kullanım sırasında güvenlidir; gözün kırpma refleksi hasarı önleyecektir. Genellikle 1 mW güce kadar, örneğin lazer işaretleyiciler.
• Sınıf 3R (eski adıyla IIIa) lazerler genellikle 5 mW'a kadardır ve göz kırpma refleksi süresi içinde küçük bir göz hasarı riski içerir. Böyle bir ışına birkaç saniye boyunca bakmanın retinadaki bir noktaya zarar vermesi muhtemeldir.
• Sınıf 3B lazerler (5-499 mW) maruz kalındığında ani göz hasarına neden olabilir.
• Sınıf 4 lazerler (≥ 500 mW) cildi yakabilir ve bazı durumlarda bu lazerlerden saçılan ışık bile göz ve/veya cilt hasarına neden olabilir. Birçok endüstriyel ve bilimsel lazer bu sınıftadır.

Belirtilen güçler görünür ışık, sürekli dalga lazerler içindir. Darbeli lazerler ve görünmez dalga boyları için diğer güç sınırları geçerlidir. Sınıf 3B ve sınıf 4 lazerlerle çalışan kişiler, gözlerini belirli bir dalga boyundaki ışığı emecek şekilde tasarlanmış güvenlik gözlükleriyle koruyabilirler. ⓘ

Yaklaşık 1,4 mikrometreden daha uzun dalga boylarına sahip kızılötesi lazerler genellikle "göz için güvenli" olarak adlandırılır, çünkü kornea bu dalga boylarındaki ışığı emme eğilimindedir ve retinayı hasardan korur. Ancak "göze zarar vermez" etiketi yanıltıcı olabilir çünkü bu etiket yalnızca nispeten düşük güçlü sürekli dalga ışınları için geçerlidir; bu dalga boylarında yüksek güçlü veya Q anahtarlı bir lazer korneayı yakarak ciddi göz hasarına neden olabilir ve orta güçlü lazerler bile göze zarar verebilir. ⓘ

Lazerler, pilotların dikkatini geçici olarak dağıtma veya kör etme potansiyeli nedeniyle hem sivil hem de askeri havacılık için bir tehlike oluşturabilir. Bu konu hakkında daha fazla bilgi için Lazerler ve havacılık güvenliği bölümüne bakınız. ⓘ

Yük bağlantılı cihazlara dayalı kameralar lazer hasarına karşı biyolojik gözlerden daha hassas olabilir. ⓘ

Çalışma prensibi

Kazanç ortamı ve optik kovuklar

Lazerde nüfus terslenmesinin gerçekleştiği ortam "kazanç ortamı" (gain medium) olarak bilinmektedir. Bu ortamın pompalanma yöntemi lazer tipine göre değişiklik gösterir: birçok lazer tipi başka dalga boyunda bir ışık ile pompalanabilirken (optik pompalama), lazer diyotlarında elektrik akımı kullanılır. Kazanç ortamında kuvvetlenen ışığın salınabilmesi için bir optik kovuğa yerleştirilmesi gerekir; lazer ışını bu kovukta yansıma yaparak rezone olur. Birçok lazerde Fabry-Pérot interferometresi ya da halka kovuğu tarzı konfigürasyonlar kullanılır. En basit kovuk konfigürasyonu olan Fabry-Pérot interferometresinde ışık birbirine paralel ve kısmen yansıtıcı iki ayna arasında yansıma yapar. Tercihen rezonans grafiğinin sivri olması beklenir: bu şekilde lazer renk spektrumu açısından daha seçici olur. Bu sivrilik kalite faktörü ile gösterilebilir. Nitrojen lazeri gibi bazı lazer tiplerinde ise kovuk kullanılması gerekmez. "Foton ömrü" (photon lifetime) kavramı ise optik kovuk teorisinden çıkmıştır ve lazerin salınım eşiği için önem arz eder. Kovuk formülleri kullanılarak lazer kazancı hesaplanabilir. ⓘ

Bir yakut lazeri şeması: 1) Lazer ışını; 2) Pompa kaynağı; 3) Kazanç ortamı; 4) Yansıtıcı ayna; 5) Optik kovuk; 6) Kısmen yansıtan ayna ⓘ

Tarihi

Çeşitli lazer tiplerinin tayfları. ⓘ

Renk	Dalga boyu aralığı	Frekans aralığı
Kırmızı	~ 625 to 740 nm	~ 480 to 405 THz
Turuncu	~ 590 to 625 nm	~ 510 to 480 THz
Sarı	~ 565 to 590 nm	~ 530 to 510 THz
Yeşil	~ 525 to 565 nm	~ 580 to 530 THz
Turkuaz	~ 500 to 520 nm	~ 600 to 580 THz
Mavi	~ 430 to 500 nm	~ 700 to 600 THz
Mor	~ 380 to 430 nm	~ 790 to 700 THz

İlk pratik lazer 1960 yılında pembe renkli yakut ile yapıldı. Atif bölgenin çeşitliliği çok arttı. Hatta pompalanmaya uygun her şeyden lazer olabileceği düşüncesi hakim oldu. Kullanılan aktif ortamın fiziksel doğasına bağlı olarak lazerleri, yalıtkan lazerler, yarı iletken lazerle, gaz ve boya lazerleri olmak üzere dört gruba ayırabiliriz. ⓘ

• Katkılanmış yalıtkan lazer: Burada aktif ortam bir katı içine gömülmüş safsızlık iyonlarından ibarettir. Normal olarak mevcut yapıdaki iyonlar yerine girerler. Mevcut örgü de önemlidir, çünkü ısısal iletim, ısısal genişleme lazerin oluşturacağı güç düzeyleri belirlemek için önemlidir. Bunun dışında mevcut yapı safsızlık iyonlarının enerjisini etkiler, öyle ki aynı iyon farklı örgülere katkılandığı zaman biraz farklı dalga boylarında lazer elde edilir. Bizim açımızdan en önemli iyonlar geçiş metal iyonları ve nadir toprak elementi iyonlarıdır.
• Yakut lazer: Tarihte ilk başarılı lazerdir. Lazer geçişi 694 nm arasındadır. Buna göre yakut üç düzeyli bir lazer sistemidir. Toplam iyonların sayısının yarısından fazlası E kare düzeyine pompalanır ve nüfus terslenmesi oluşturulur. Pompalama, parıltı tüpüyle yapıldığı zaman hızlı bozunumlar geniş bandlardan geçer. Yüksek basınçlı cıva ark lambası pompalama için sıkça kullanılır.
• Alexandrite lazer: Yakut ile aynı spektroskopiye sahiptir ve 1973 yılında 680 nm dalga boyunda lazer ışığı veren üç düzeyli lazer olarak yapıldı. Bununla birlikte, son zamanlara daha uzun dalga boylu lazer elde edildi ve dört düzeyli lazer pompalama belirtgenleri gösterdi. Bundan başka, lazer dalga boyu 700-820 nm arasında değiştirilebildi. Bu özellik ayarlanabilen lazerin ilk örneği oldu.
• Nd:YAG lazer: Neodimyum iyonu örgüde itriyum iyonunun yerine geçer. Katılama, maksimum 0,015 eV düzeyindedir. Dört düzeyli bir lazerdir.
• Yarı iletken lazer: Katı maddelerden yapılmış olmasına rağmen yarı iletken lazer hem enerji hem de pompalama mekanizmaları bakımından yalıtkan katkılı lazerleri oldukça farklıdır. Yalıtkanlardaki atomların tek enerji düzeyleri gözlenirken yarı iletkenlerdeki elektronlar geniş bantlı enerji düzeylerini işgal eder. Her band yakın biçimde ilgili değil, fakat bütün olarak maddeye aittir. Katının, başlangıçta birbirinden iyice uzak atomları, birbirine yakın getirmek ve bir topluluk elde etmek olarak düşünülebilir.
• He-Ne lazer: Günümüzde de en yaygın atomik lazer He-Ne lazerdir. Bu lazer aktif ortamı 10 kısım helyum ve 1 kısım neondan oluşur. Bu karışım, birkaç milimetre çapında dar delikli ve 0.1–1 m uzunluğunda 10 torr basıncında bir borudur. Bir boşalma oluşturulur. Boşalma başladığında tüpün direnci azalır, akımı sınırlandırmak için güç kaynağına seri bir diren. ilave edilir. Lazer geçişleri neon enerji düzeyleri arasında olur. Dört temel lazer geçişi 3.39 μm, 1.15 μm, 632.8 nm, 543.5 nm dalga boylarına sahiptir. Her geçişin başlama veya sonlanma düzeyleri ortaktır. Buna göre geçişler birbirleriyle adeta yarışırlar, istenmeyen dalga boylarına karşı dikkatli önlemler alınmalıdır. Çoğu kez amaçlanan hedef, gereksinen lazer hücresini, sadece istenen dalga boyunda yansıtıcı yapmaktır. ⓘ

Endüstride kullanımı

Lazerin endüstride kullanılması için çeşitli özelliklerden yararlanılır. ⓘ

Tek yönde gitmesi

Lazerin en önemli özelliği tek yönde gitmesidir. Küçük dağılma açısı lazer ışınının taşıdığı enerjinin kolaylıkla toplanıp bir alan üzerine odaklanabileceği anlamına gelir. ⓘ

Şerit genişliği

Lazer ışını tek renkli olmasına rağmen lazer spektral içeriği lazer ortamının şerit genişliği kadar olabilir. Spektral olarak saf olan lazer ışınları bilimsel araştırmalarda kullanılır. ⓘ

Odaklanma özelliği

Lazer ışınlarının odaklanması dalga boylarına göredir. Bu özellik, CW lazer ile kesme işlerinde, etiket okuyan cihazlarda kullanılır. ⓘ