Laser

Ein Laser ist ein Gerät, das Licht durch optische Verstärkung mittels stimulierter Emission elektromagnetischer Strahlung erzeugt . Das Wort Laser ist ein Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) . [ ^{1 ] [ 2 ] Der} erste Laser wurde 1960 von Theodore Maiman in den Hughes Research Laboratories gebaut . Er basierte auf theoretischen Arbeiten von Charles H. Townes und Arthur Leonard Schawlow sowie dem von Gordon Gould patentierten optischen Verstärker . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Ein Laser unterscheidet sich von anderen Lichtquellen dadurch, dass er kohärentes Licht emittiert . Die räumliche Kohärenz ermöglicht die Fokussierung eines Laserstrahls auf einen kleinen Punkt und somit Anwendungen wie die optische Kommunikation ^{[ 6 ]} , das Laserschneiden und die Lithografie . Sie ermöglicht außerdem, dass ein Laserstrahl über große Entfernungen schmal bleibt ( Kollimation ), was bei Laserpointern , Lidar-Systemen und der optischen Freiraumkommunikation genutzt wird . Laser können auch eine hohe zeitliche Kohärenz aufweisen, wodurch sie Licht mit einem sehr schmalen Frequenzspektrum emittieren können . Die zeitliche Kohärenz kann auch zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse mit einem breiten Spektrum, deren Dauer jedoch im Attosekundenbereich liegt, genutzt werden . ^{[ 7 ]}

Laser werden in der Glasfaser- und Freiraumkommunikation, in optischen Laufwerken , Laserdruckern , Barcode-Scannern , der Halbleiterchip-Herstellung ( Fotolithografie , Ätzen ), der Laserchirurgie und Hautbehandlung, beim Schneiden und Schweißen von Materialien, in militärischen und polizeilichen Geräten zur Zielmarkierung und Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung sowie in Laserlichtanlagen für Unterhaltungszwecke eingesetzt. Der Laser gilt als eine der bedeutendsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Das erste Gerät, das die Verstärkung durch stimulierte Emission nutzte, arbeitete im Mikrowellenbereich und wurde Maser genannt (für „Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“). ^{[ 10 ]} Als ähnliche optische Geräte entwickelt wurden, nannte man sie zunächst optische Maser , bis „Mikrowelle“ im Akronym durch „Licht“ ersetzt wurde und schließlich Laser entstand . ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Heute werden alle Geräte, die mit Frequenzen oberhalb der Mikrowellen (etwa oberhalb von 300 GHz ) arbeiten, als Laser bezeichnet (z. B. Infrarotlaser , Ultraviolettlaser , Röntgenlaser , Gammastrahlenlaser ), während Geräte, die im Mikrowellenbereich oder bei niedrigeren Radiofrequenzen arbeiten , als Maser bezeichnet werden. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Das rückgebildete Verb „ lasen “ wird in diesem Bereich häufig verwendet und bedeutet „kohärentes Licht aussenden“, insbesondere im Zusammenhang mit dem Verstärkungsmedium eines Lasers; ^{[ 16 ]} wenn ein Laser in Betrieb ist, spricht man von „ Lasern “. ^{[ 17 ]} Die Begriffe Laser und Maser werden auch für natürlich vorkommende kohärente Emissionen verwendet, wie beispielsweise bei astrophysikalischen Masern und Atomlasern . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Ein Laser, der selbst Licht erzeugt, ist technisch gesehen ein optischer Oszillator und kein optischer Verstärker , wie die Abkürzung vermuten lässt. ^{[ 20 ]} Humorvoll wurde angemerkt, dass die Abkürzung LOSER für „Light Oscillation by stimuled emission of radiation“ (Lichtoszillation durch stimulierte Emission von Strahlung) korrekter gewesen wäre. ^{[ 19 ] [ 21 ]} Einige Quellen ^{[ 22 ] [ 23 ]} bezeichnen das Wort Laser als Anakronym , also als ein Akronym, das so weit verbreitet als Substantiv verwendet wird, dass es nicht mehr als Abkürzung gilt. ^{[ 24 ]}

Photonen , die Quanten elektromagnetischer Strahlung , werden von Energieniveaus in Atomen und Molekülen freigesetzt und absorbiert. In einer Glühbirne oder einem Stern wird die Energie von vielen verschiedenen Niveaus emittiert, wodurch Photonen mit einem breiten Energiespektrum entstehen. Dieser Prozess wird als Wärmestrahlung bezeichnet . ^{[ 25 ] : 575}

Der zugrundeliegende physikalische Prozess der Photonenerzeugung in einem Laser ist derselbe wie bei der Wärmestrahlung, jedoch ist die eigentliche Emission nicht das Ergebnis zufälliger thermischer Prozesse. Stattdessen wird die Freisetzung eines Photons durch den nahen Vorbeiflug eines anderen Photons ausgelöst. Dies wird als stimulierte Emission bezeichnet . Damit dieser Prozess funktioniert, muss das vorbeifliegende Photon eine ähnliche Energie und somit Wellenlänge wie dasjenige aufweisen, das vom Atom oder Molekül emittiert werden könnte, und das Atom oder Molekül muss sich im geeigneten angeregten Zustand befinden. ^{[ 25 ] : 580}

Das durch stimulierte Emission emittierte Photon ist identisch mit dem Photon, das seine Emission ausgelöst hat. Beide Photonen können wiederum in anderen Atomen stimulierte Emission auslösen und so eine Kettenreaktion in Gang setzen . Dafür müssen sich viele Atome oder Moleküle im richtigen angeregten Zustand befinden, damit die Photonen sie anregen können. In den meisten Materialien fallen Atome oder Moleküle relativ schnell aus angeregten Zuständen zurück, was eine Kettenreaktion erschwert oder unmöglich macht. Für Laser werden daher Materialien mit metastabilen Zuständen verwendet , die über einen längeren Zeitraum angeregt bleiben. In der Laserphysik wird ein solches Material als aktives Lasermedium bezeichnet . In Kombination mit einer Energiequelle, die dem Material kontinuierlich Energie zuführt, können genügend Atome oder Moleküle im angeregten Zustand gehalten werden, um eine Kettenreaktion auszulösen.

Laser unterscheiden sich von anderen Lichtquellen durch ihre Kohärenz . Räumliche (oder transversale) Kohärenz äußert sich typischerweise in einem schmalen, beugungsbegrenzten Laserstrahl . Laserstrahlen lassen sich auf kleinste Punkte fokussieren, wodurch eine sehr hohe Bestrahlungsstärke erreicht wird , oder sie weisen eine sehr geringe Divergenz auf, um ihre Leistung über große Entfernungen zu konzentrieren. Zeitliche (oder longitudinale) Kohärenz bedeutet, dass eine polarisierte Welle mit einer einzigen Frequenz vorliegt, deren Phase über eine relativ große Distanz (die Kohärenzlänge ) entlang des Strahls korreliert ist. ^{[ 26 ]} Ein von einer thermischen oder anderen inkohärenten Lichtquelle erzeugter Strahl besitzt eine momentane Amplitude und Phase , die zufällig mit Zeit und Ort variieren, und hat daher eine kurze Kohärenzlänge.

Laser werden anhand ihrer Wellenlänge im Vakuum charakterisiert . Die meisten Laser mit einer einzigen Wellenlänge emittieren Strahlung in mehreren Moden mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Obwohl zeitliche Kohärenz eine gewisse Monochromasie impliziert , emittieren manche Laser ein breites Lichtspektrum oder gleichzeitig Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Bestimmte Laser arbeiten nicht mit einer einzigen räumlichen Mode und weisen Lichtstrahlen auf, die stärker divergieren als es die Beugungsgrenze erfordert . Alle diese Geräte werden aufgrund der Methode der Lichterzeugung durch stimulierte Emission als „Laser“ klassifiziert. Laser werden dort eingesetzt, wo Licht mit der erforderlichen räumlichen oder zeitlichen Kohärenz nicht mit einfacheren Technologien erzeugt werden kann.

Ein Laser besteht aus einem Verstärkungsmedium , einem Mechanismus zur Energiezufuhr für das Verstärkungsmedium und einer optischen Rückkopplung . ^{[ 27 ]} Das Verstärkungsmedium ist ein Material, dessen Eigenschaften es ihm ermöglichen, Licht mittels stimulierter Emission zu verstärken . Licht einer bestimmten Wellenlänge, das das Verstärkungsmedium durchdringt, wird verstärkt (d. h. seine Leistung erhöht sich). Die Rückkopplung bewirkt, dass die stimulierte Emission vorwiegend die optische Frequenz am Maximum der Verstärkungs-Frequenz-Kurve verstärkt. Mit zunehmender stimulierter Emission dominiert schließlich eine Frequenz alle anderen, wodurch ein kohärenter Strahl entsteht. ^{[ 28 ]}

Der Prozess der stimulierten Emission ist analog zu dem eines Audiooszillators mit positiver Rückkopplung, wie sie beispielsweise auftreten kann, wenn der Lautsprecher einer Beschallungsanlage in der Nähe des Mikrofons platziert wird. Das hörbare Kreischen ist eine Audiooszillation am Maximum der Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie des Verstärkers. ^{[ 29 ]}

Damit das Verstärkungsmedium Licht verstärken kann, muss ihm in einem als Pumpen bezeichneten Vorgang Energie zugeführt werden . Diese Energie wird typischerweise als elektrischer Strom oder als Licht mit einer anderen Wellenlänge zugeführt. Das Pumplicht kann beispielsweise von einer Blitzlampe oder einem anderen Laser erzeugt werden.

Der gebräuchlichste Lasertyp nutzt die Rückkopplung eines optischen Resonators – zweier Spiegel an den Enden des Verstärkungsmediums. Das Licht wird zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, durchdringt das Verstärkungsmedium und wird dabei jedes Mal verstärkt. Typischerweise ist einer der beiden Spiegel, der Auskoppler , teilweise transparent. Ein Teil des Lichts tritt durch diesen Spiegel aus. Je nach Bauart des Resonators (ob die Spiegel plan oder gekrümmt sind ) kann sich das aus dem Laser austretende Licht ausbreiten oder einen schmalen Strahl bilden . In Analogie zu elektronischen Oszillatoren wird dieses Gerät manchmal auch als Laseroszillator bezeichnet .

Die meisten praktischen Laser enthalten zusätzliche Elemente, die die Eigenschaften des emittierten Lichts beeinflussen, wie zum Beispiel die Polarisation, die Wellenlänge und die Form des Strahls.

Ein Atom besitzt diskrete oder quantenmechanische Energieniveaus. Es kann Energie aus Licht ( Photonen ) oder Wärme ( Phononen ) nur dann absorbieren, wenn ein Übergang zwischen Energieniveaus stattfindet, deren Energie der Energie des Photons bzw. Phonons entspricht. Im Falle von Licht bedeutet dies, dass jeder Übergang nur eine bestimmte Wellenlänge absorbiert . Photonen mit der passenden Wellenlänge können einen Sprung vom niedrigeren zum höheren Energieniveau bewirken. Dabei wird das Photon verbraucht. ^{[ 25 ] : 580}

In einem System im thermodynamischen Gleichgewicht halten sich Absorptionsereignisse und spontane Emission die Waage . Ein dritter Prozess ist ebenfalls wirksam: Ein Photon mit der passenden Wellenlänge für die Absorption durch einen Übergang kann stimulierte Emission auslösen . ^{[ 25 ] : 580} Dabei sinkt das Energieniveau des Atoms vom höheren auf das niedrigere Niveau, wodurch ein Photon emittiert wird, dessen Wellenlänge, Phase und Polarisationsrichtung mit dem ursprünglichen Photon übereinstimmen. Schematisch lässt sich stimulierte Emission wie folgt darstellen:

Ein Laser nutzt eine Energiequelle, um viele Atome in einen höheren Energiezustand anzuregen, sodass die spontane Emission eines Atoms eine Kaskade stimulierter Emissionsereignisse auslösen und eine große Anzahl von Photonen mit gleicher Wellenlänge, Phase und Polarisation erzeugen kann. ^{[ 25 ] : 583}

Ein einfaches physikalisches Modell für einen Laser basiert auf Albert Einsteins Quantentheorie der Strahlung von 1917. Einstein übernahm lediglich eine Annahme aus Bohrs Atommodell : Atome existieren in stationären Zuständen . Jeder Zustand besitzt eine Energie. Die Wechselwirkung zwischen diesen Atomen und einem Strahlungsfeld beschreibt Einstein mithilfe des klassischen Oszillators von Max Planck . Damit ersetzt er die unspezifischen Oszillatoren des Planckschen Strahlungsgesetzes durch Bohrsche Atome. Die relative Phase eines Oszillators und eines elektromagnetischen Feldes bestimmt die Richtung des Energieflusses während der Wechselwirkung. ^{[ 30 ]} Die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung ist proportional zur spektralen Flussdichte des elektromagnetischen Feldes. Unter der Annahme von nur zwei Energieniveaus, , entspricht die Absorption der Energie mit der Proportionalitätskonstante , und die Emission der Energie mit der Proportionalitätskonstante . Einstein fügt eine dritte Konstante hinzu, die unabhängig von der Flussdichte ist und der Emission ohne Feld entspricht. Befinden sich Atome im thermodynamischen Gleichgewicht mit einem Strahlungsfeld, so muss die Absorptionsrate der Summe der beiden Emissionsraten entsprechen: ^{[ 25 ] : 582} Werden die Atome durch eine starke Hilfsstrahlung in einen höheren Energiezustand angeregt, so wird das Gleichgewicht gestört. Dies wird als Besetzungsinversion bezeichnet . Einige Atome emittieren spontan Licht, andere reagieren mit stimulierter Emission, wodurch eine Lawine phasengleicher Photonen entsteht. ^{[ 25 ] : 583} ${\displaystyle \rho (\nu ,T).}$${\displaystyle E_{b}>E_{a}}$${\displaystyle a\rightarrow b}$${\displaystyle B_{ab}}$${\displaystyle b\rightarrow a}$${\displaystyle B_{ba}}$${\displaystyle A_{ba}}$$${\displaystyle N_{b}(\rho (\nu ,T)B_{ba}+A_{ba})=N_{a}\rho (\nu ,T)B_{ab}}$$${\displaystyle N_{a}\rightarrow 0}$${\displaystyle N_{b}}$

Das Verstärkungsmedium wird durch eine externe Energiequelle in einen angeregten Zustand versetzt . In den meisten Lasern besteht dieses Medium aus einer Population von Atomen, die mithilfe einer externen Lichtquelle oder eines elektrischen Feldes, das den Atomen Energie zur Absorption und Umwandlung in ihren angeregten Zustand zuführt, in einen solchen Zustand angeregt wurden.

Das Verstärkungsmedium eines Lasers ist üblicherweise ein Material mit kontrollierter Reinheit, Größe, Konzentration und Form, das den Strahl durch den oben beschriebenen Prozess der stimulierten Emission verstärkt. Dieses Material kann jeden Aggregatzustand aufweisen : gasförmig, flüssig, fest oder Plasma . Das Verstärkungsmedium absorbiert Pumpenergie, wodurch einige Elektronen in höhere Energiezustände („ angeregte Zustände “) angehoben werden . Teilchen können mit Licht wechselwirken, indem sie entweder Photonen absorbieren oder emittieren. Die Emission kann spontan oder stimuliert erfolgen. Im letzteren Fall wird das Photon in dieselbe Richtung emittiert wie das vorbeiziehende Licht. Wenn die Anzahl der Teilchen in einem angeregten Zustand die Anzahl der Teilchen in einem niedrigeren Energiezustand übersteigt, kommt es zu einer Besetzungsinversion . Dies führt zu einer Lichtverstärkung durch die Atome in angeregten Zuständen, da mehr stimulierte Emissionen als Absorptionen auftreten. In einem Zwei-Niveau-System kann keine Besetzungsinversion auftreten: Mit zunehmender Besetzung des oberen Niveaus steigt die Wahrscheinlichkeit für stimulierte Emission. Dies verhindert eine Besetzungsinversion, da die Anzahl der Atome, die vom angeregten in den entspannten Zustand übergehen, gleich bliebe, wodurch der Prozess ineffizient wäre. Laser nutzen stattdessen Systeme mit drei oder mehr Energieniveaus, bei denen das zusätzliche Energieniveau es den Elektronen ermöglicht, schnell zu relaxieren und eine konstante Besetzungsinversion zu erzeugen. ^{[ 31 ]} Ein System mit dieser Eigenschaft wird als optischer Verstärker bezeichnet . Wird ein optischer Verstärker in einen optischen Resonator eingesetzt, erhält man einen Laser. ^{[ 32 ]}

Bei lasernden Medien mit extrem hoher Verstärkung, der sogenannten Superlumineszenz , kann Licht in einem einzigen Durchgang durch das Verstärkungsmedium ohne Resonator ausreichend verstärkt werden. Obwohl sie oft als Laser bezeichnet werden (siehe z. B. Stickstofflaser ) ^{[ 33 ]} , fehlt dem Lichtausgang einer solchen Vorrichtung die für Laser typische räumliche und zeitliche Kohärenz. Eine solche Vorrichtung kann nicht als Oszillator, sondern eher als optischer Verstärker mit hoher Verstärkung beschrieben werden, der seine spontane Emission verstärkt. Derselbe Mechanismus beschreibt sogenannte astrophysikalische Maser /Laser.

Der optische Resonator wird manchmal als „optischer Hohlraum“ bezeichnet, was jedoch irreführend ist: Laser verwenden offene Resonatoren im Gegensatz zu dem tatsächlichen Hohlraum, der bei Mikrowellenfrequenzen in einem Maser zum Einsatz käme . Der Resonator besteht typischerweise aus zwei Spiegeln, zwischen denen sich ein kohärenter Lichtstrahl in beide Richtungen ausbreitet und an sich selbst reflektiert wird. Dadurch durchläuft ein Photon im Durchschnitt das Verstärkungsmedium wiederholt, bevor es aus der Austrittsöffnung emittiert wird oder durch Beugung oder Absorption verloren geht. Ist die Verstärkung im Medium größer als die Resonatorverluste, kann die Leistung des zirkulierenden Lichts exponentiell ansteigen . Jede stimulierte Emission führt jedoch ein Atom vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurück, wodurch die Verstärkung des Mediums sinkt. Mit zunehmender Strahlleistung reduziert sich die Nettoverstärkung (Verstärkung minus Verlust) auf eins, und das Verstärkungsmedium ist gesättigt. In einem Dauerstrichlaser (CW-Laser) stellt sich durch das Gleichgewicht zwischen Pumpleistung, Verstärkungssättigung und Hohlraumverlusten ein Gleichgewichtswert der Laserleistung im Hohlraum ein. Dieses Gleichgewicht bestimmt den Arbeitspunkt des Lasers. Ist die zugeführte Pumpleistung zu gering, reicht die Verstärkung nicht aus, um die Verluste im Resonator zu überwinden, und es wird kein Laserlicht erzeugt. Die minimale Pumpleistung, die für den Start des Laserbetriebs erforderlich ist, wird als Laserschwelle bezeichnet . Das Verstärkungsmedium verstärkt alle Photonen, die es durchdringen, unabhängig von ihrer Richtung; jedoch durchlaufen nur Photonen in einem vom Resonator unterstützten räumlichen Modus das Medium mehr als einmal und erfahren eine signifikante Verstärkung.

Bei den meisten Lasern beginnt der Laserbetrieb mit spontaner Emission in den Lasermodus. Dieses anfängliche Licht wird anschließend durch stimulierte Emission im Verstärkungsmedium verstärkt. Die stimulierte Emission erzeugt Licht, das in Richtung, Wellenlänge und Polarisation mit dem Eingangssignal übereinstimmt, wobei die Phase des emittierten Lichts der des stimulierenden Lichts um 90 Grad vorauseilt. ^{[ 34 ]} Dies, kombiniert mit der Filterwirkung des optischen Resonators, verleiht dem Laserlicht seine charakteristische Kohärenz und kann, abhängig von der Resonatorkonstruktion, auch eine gleichmäßige Polarisation und Monochromasie bewirken. Die fundamentale Laserlinienbreite ^{[ 35 ]} des vom Laserresonator emittierten Lichts kann um Größenordnungen schmaler sein als die Linienbreite des vom passiven Resonator emittierten Lichts. Einige Laser verwenden einen separaten Injektionsstrahl , um den Prozess mit einem bereits hochkohärenten Strahl zu starten. Dadurch lassen sich Strahlen mit einem schmaleren Spektrum erzeugen, als dies sonst möglich wäre.

1963 zeigte Roy J. Glauber , dass kohärente Zustände aus Kombinationen von Photonenzuständen gebildet werden , wofür er den Nobelpreis für Physik erhielt . ^{[ 36 ]} Ein kohärenter Lichtstrahl besteht aus Quantenphotonenzuständen mit einer einzigen Frequenz, die einer Poisson-Verteilung folgen . Folglich wird die Ankunftsrate der Photonen in einem Laserstrahl durch die Poisson-Statistik beschrieben. ^{[ 37 ]}

Viele Laser erzeugen einen Strahl, der näherungsweise als Gaußscher Strahl beschrieben werden kann ; solche Strahlen weisen die geringstmögliche Divergenz für einen gegebenen Strahldurchmesser auf. Einige Laser, insbesondere Hochleistungslaser, erzeugen Multimodenstrahlen, wobei die transversalen Moden häufig durch Hermite - Gauß- oder Laguerre -Gauß-Funktionen approximiert werden. Manche Hochleistungslaser verwenden ein flaches Strahlprofil, den sogenannten „ Tophat-Strahl “. Instabile Laserresonatoren (die in den meisten Lasern nicht verwendet werden) erzeugen fraktalförmige Strahlen. ^{[ 38 ]} Spezialisierte optische Systeme können komplexere Strahlgeometrien wie Bessel-Strahlen und optische Wirbel erzeugen .

Nahe des Brennpunkts (oder Fokusbereichs ) eines Laserstrahls ist dieser stark kollimiert : Die Wellenfronten verlaufen planar und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, ohne dass es an diesem Punkt zu einer Strahldivergenz kommt . Aufgrund der Beugung gilt dies jedoch nur innerhalb des Rayleigh-Bereichs . Der Strahl eines Lasers im transversalen Modus (Gaußscher Strahl) divergiert schließlich unter einem Winkel, der umgekehrt proportional zum Strahldurchmesser ist, wie es die Beugungstheorie erfordert. Daher würde sich der von einem herkömmlichen Helium-Neon-Laser erzeugte „Bleistiftstrahl“ auf dem Mond (aus der Entfernung der Erde) auf eine Ausdehnung von etwa 500 Kilometern ausdehnen. Das Licht eines Halbleiterlasers hingegen verlässt den winzigen Kristall typischerweise mit einer großen Divergenz von bis zu 50°. Selbst ein solch divergenter Strahl lässt sich jedoch mithilfe eines Linsensystems in einen ähnlich kollimierten Strahl umwandeln , wie es beispielsweise in Laserpointern mit einer Laserdiode üblich ist . Dies ist möglich, da das Licht einen einzigen räumlichen Modus aufweist. Diese einzigartige Eigenschaft von Laserlicht, die räumliche Kohärenz , lässt sich mit herkömmlichen Lichtquellen nicht nachbilden (außer durch das Verwerfen des größten Teils des Lichts), wie man beim Vergleich des Lichtstrahls einer Taschenlampe oder eines Scheinwerfers mit dem eines nahezu beliebigen Lasers erkennen kann.

Ein Laserstrahlprofiler dient zur Messung des Intensitätsprofils, der Breite und der Divergenz von Laserstrahlen.

Die diffuse Reflexion eines Laserstrahls an einer matten Oberfläche erzeugt ein Sprenkelmuster mit interessanten Eigenschaften.

Der Mechanismus der Strahlungserzeugung in einem Laser beruht auf stimulierter Emission , bei der Energie aus einem Übergang in einem Atom oder Molekül gewonnen wird. Stimulierte Emission ist ein Quantenphänomen, das von Albert Einstein vorhergesagt wurde . Er leitete die Beziehung zwischen dem Koeffizienten A , der die spontane Emission beschreibt, und dem Koeffizienten B ab , der für Absorption und stimulierte Emission gilt. ^{[ 39 ] [ 25 ] : 580.} Ohne elektrisches Feld ist der Koeffizient der spontanen Emission, A _₂₁, die Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit für die Emission aufgrund eines Übergangs von einem angeregten Zustand (Niveau 2) in den Grundzustand (Niveau 1). In einem elektrischen Feld sind sowohl Emission als auch Absorption möglich. B _₂₁ ist die Wahrscheinlichkeit der Emission; B _₁₂ ist die Wahrscheinlichkeit der Absorption. ^{[ 31 ] [ 40 ]}

Ein Laser kann je nach Betriebsart – ob er kontinuierlich oder gepulst emittiert – in Dauerstrich- und Pulslaser eingeteilt werden. Selbstverständlich lassen sich auch Laser mit normalerweise kontinuierlicher Leistung gezielt ein- und ausschalten, um Pulse zu erzeugen. Liegt die Modulationsrate deutlich unterhalb der Lebensdauer des Resonators und der Zeitspanne, in der Energie im Lasermedium oder Pumpmechanismus gespeichert werden kann, spricht man weiterhin von einem modulierten oder gepulsten Dauerstrichlaser. Die meisten in Kommunikationssystemen verwendeten Laserdioden gehören zu dieser Kategorie.

Manche Laseranwendungen benötigen einen Strahl mit konstanter Ausgangsleistung. Solche Laser werden als Dauerstrichlaser ( CW -Laser) bezeichnet. Viele Lasertypen können im Dauerstrichbetrieb betrieben werden, um diese Anforderungen zu erfüllen. Viele dieser Laser emittieren gleichzeitig in mehreren longitudinalen Moden. Die Überlagerungen der leicht unterschiedlichen optischen Frequenzen dieser Schwingungen erzeugen Amplitudenschwankungen auf Zeitskalen, die kürzer als die Umlaufzeit (der Kehrwert des Frequenzabstands zwischen den Moden) sind, typischerweise einige Nanosekunden oder weniger. In den meisten Fällen werden diese Laser dennoch als „Dauerstrichlaser“ bezeichnet, da ihre Ausgangsleistung über längere Zeiträume gemittelt konstant ist und die sehr hochfrequenten Leistungsschwankungen die beabsichtigte Anwendung kaum oder gar nicht beeinträchtigen. (Der Begriff wird jedoch nicht auf modengekoppelte Laser angewendet, bei denen sehr kurze Pulse mit der Umlaufzeit erzeugt werden sollen. )

Für den Dauerstrichbetrieb muss die Besetzungsinversion des Verstärkungsmediums kontinuierlich durch eine stetige Pumpquelle wiederhergestellt werden. Bei manchen Lasermedien ist dies unmöglich. Bei anderen Lasern würde dies ein Pumpen mit einer sehr hohen Dauerleistung erfordern, was unpraktisch wäre, oder den Laser durch übermäßige Wärmeentwicklung zerstören. Solche Laser können nicht im Dauerstrichbetrieb betrieben werden.

Der Pulsbetrieb von Lasern bezeichnet alle Laser, die nicht als Dauerstrichlaser klassifiziert werden und deren optische Leistung in Pulsen bestimmter Dauer und Wiederholrate abgegeben wird. Dies umfasst ein breites Spektrum an Technologien für unterschiedlichste Anwendungsbereiche. Manche Laser werden gepulst, weil sie nicht im Dauerstrichbetrieb betrieben werden können .

In anderen Fällen erfordert die Anwendung die Erzeugung von Pulsen mit möglichst hoher Energie. Da die Pulsenergie der mittleren Leistung geteilt durch die Wiederholrate entspricht, lässt sich dieses Ziel mitunter durch eine niedrigere Pulsrate erreichen, sodass sich zwischen den Pulsen mehr Energie aufbauen kann. Bei der Laserablation beispielsweise kann ein kleines Materialvolumen an der Oberfläche eines Werkstücks verdampft werden, wenn es innerhalb kürzester Zeit erhitzt wird. Eine allmähliche Energiezufuhr hingegen würde dazu führen, dass die Wärme im Inneren des Werkstücks absorbiert wird und an keiner Stelle eine ausreichend hohe Temperatur erreicht wird.

Andere Anwendungen nutzen die Spitzenleistung des Pulses (und nicht die Pulsenergie), insbesondere um nichtlineare optische Effekte zu erzielen. Bei gegebener Pulsenergie erfordert dies die Erzeugung von Pulsen mit möglichst kurzer Dauer mithilfe von Techniken wie der Güteschaltung .

Die optische Bandbreite eines Pulses kann nicht kleiner sein als der Kehrwert seiner Breite. Bei extrem kurzen Pulsen bedeutet dies, dass Laser über eine beträchtliche Bandbreite emittiert werden, ganz im Gegensatz zu den sehr schmalen Bandbreiten, die typisch für Dauerstrichlaser sind. Das Lasermedium einiger Farbstofflaser und vibronischer Festkörperlaser erzeugt eine optische Verstärkung über eine breite Bandbreite, wodurch Laser möglich werden, die Lichtpulse von nur wenigen Femtosekunden (10⁻¹⁵ ^s ) erzeugen können.

In einem gütegeschalteten Laser wird die Besetzungsinversion durch Verluste im Resonator aufgebaut, die die Verstärkung des Mediums übersteigen. Dies entspricht einer Reduzierung des Gütefaktors „Q“ des Resonators. Sobald die im Lasermedium gespeicherte Pumpenergie den maximal möglichen Wert erreicht hat, wird der eingeführte Verlustmechanismus (oft ein elektro- oder akustooptisches Element) schnell abgebaut (oder geschieht in passiven Bauelementen von selbst). Dadurch beginnt der Laserbetrieb, der die gespeicherte Energie rasch im Verstärkungsmedium freisetzt. Dies führt zu einem kurzen Puls, der diese Energie enthält und somit eine hohe Spitzenleistung aufweist.

Ein modengekoppelter Laser kann extrem kurze Pulse im Bereich von einigen zehn Pikosekunden bis hin zu weniger als 10  Femtosekunden emittieren . Diese Pulse wiederholen sich mit der Umlaufzeit, also der Zeit, die das Licht für einen Umlauf zwischen den Spiegeln des Resonators benötigt. Aufgrund der Fourier-Grenze (auch bekannt als Energie-Zeit -Unschärfe ) weist ein Puls dieser kurzen Dauer ein Spektrum mit einer beträchtlichen Bandbreite auf. Daher muss ein solches Verstärkungsmedium eine ausreichend große Verstärkungsbandbreite besitzen, um diese Frequenzen zu verstärken. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist mit Titan dotierter, künstlich hergestellter Saphir ( Ti:Saphir ), der eine sehr große Verstärkungsbandbreite aufweist und somit Pulse von nur wenigen Femtosekunden Dauer erzeugen kann.

Solche modengekoppelten Laser sind ein äußerst vielseitiges Werkzeug zur Erforschung von Prozessen auf extrem kurzen Zeitskalen (bekannt als Femtosekundenphysik, Femtosekundenchemie und Ultrakurzzeitphysik ) und zur Maximierung des Effekts der Nichtlinearität in optischen Materialien (z. B. bei der Frequenzverdopplung , der parametrischen Abwärtskonversion und optischen parametrischen Oszillatoren ). Im Gegensatz zum Riesenpuls eines gütegeschalteten Lasers sind aufeinanderfolgende Pulse eines modengekoppelten Lasers phasenkohärent; das heißt, die Pulse (und nicht nur ihre Einhüllenden ) sind identisch und perfekt periodisch. Aus diesem Grund und aufgrund der extrem hohen Spitzenleistungen, die von solch kurzen Pulsen erreicht werden, sind diese Laser in bestimmten Forschungsbereichen von unschätzbarem Wert.

Eine weitere Methode zur Erzeugung von Pulslaserbetrieb besteht darin, das Lasermaterial mit einer selbst gepulsten Quelle zu pumpen. Dies geschieht entweder durch elektronische Aufladung, wie im Fall von Blitzlampen, oder durch einen anderen, bereits gepulsten Laser. Pulspumpen wurde früher bei Farbstofflasern eingesetzt, da die Lebensdauer der invertierten Besetzung eines Farbstoffmoleküls so kurz war, dass ein hochenergetischer, schneller Pumpvorgang erforderlich war. Um dieses Problem zu lösen, wurden große Kondensatoren aufgeladen , die dann mittels Blitzlampen entladen wurden, wodurch ein intensiver Blitz erzeugt wurde. Pulspumpen ist auch für Drei-Niveau-Laser notwendig, bei denen das untere Energieniveau schnell stark besetzt wird und so weiteres Lasern verhindert, bis die Atome in den Grundzustand zurückkehren. Diese Laser, wie beispielsweise Excimerlaser und Kupferdampflaser, können nicht im Dauerstrichbetrieb (CW) betrieben werden.

1917 legte Albert Einstein mit seiner Arbeit „ Zur Quantentheorie der Strahlung“ die theoretischen Grundlagen für Laser und Maser . Er leitete dazu das Plancksche Strahlungsgesetz neu her, basierend auf Wahrscheinlichkeitskoeffizienten ( Einstein-Koeffizienten ) für Absorption, Spontanemission und stimulierte Emission elektromagnetischer Strahlung. ^{[ 41 ] [ 30 ]} 1928 bestätigte Rudolf W. Ladenburg die Existenz der Phänomene der stimulierten Emission und der negativen Absorption. ^{[ 42 ]} 1939 sagte Valentin A. Fabrikant die Verwendung stimulierter Emission zur Verstärkung „kurzer“ Wellen voraus. ^{[ 43 ]} 1947 entdeckten Willis E. Lamb und R. C. Retherford scheinbare stimulierte Emission in Wasserstoffspektren und demonstrierten damit erstmals deren Existenz. ^{[ 44 ]} Im Jahr 1950 schlug Alfred Kastler (Nobelpreis für Physik 1966) die Methode des optischen Pumpens vor , die zwei Jahre später von Brossel, Kastler und Winter experimentell demonstriert wurde. ^{[ 45 ]}  

1951 reichte Joseph Weber auf der Konferenz des Institute of Radio Engineers (IEEE) zur Vakuumröhrenforschung im Juni 1952 in Ottawa , Ontario, Kanada, eine Abhandlung über die Verwendung stimulierter Emissionen zur Herstellung eines Mikrowellenverstärkers ein. ^{[ 46 ]} Nach diesem Vortrag bat RCA Weber, ein Seminar zu dieser Idee zu halten, und Charles H. Townes bat ihn um ein Exemplar der Abhandlung. ^{[ 47 ]}

1953 entwickelten Charles H. Townes und die Doktoranden James P. Gordon und Herbert J. Zeiger den ersten Mikrowellenverstärker. Dieses Gerät funktionierte nach ähnlichen Prinzipien wie ein Laser, verstärkte jedoch Mikrowellenstrahlung anstelle von Infrarot- oder sichtbarer Strahlung. Townes' Maser war nicht zu kontinuierlicher Leistung fähig. ^{[ 48 ]} Zur gleichen Zeit arbeiteten Nikolai Basow und Alexander Prochorow unabhängig voneinander in der Sowjetunion am Quantenoszillator und lösten das Problem kontinuierlicher Systeme durch die Verwendung von mehr als zwei Energieniveaus. Diese Verstärkungsmedien konnten stimulierte Emissionen zwischen einem angeregten Zustand und einem niedrigeren angeregten Zustand, nicht aber dem Grundzustand, freisetzen, wodurch die Aufrechterhaltung einer Besetzungsinversion ermöglicht wurde . 1955 schlugen Prochorow und Basow das optische Pumpen eines Mehrniveausystems als Methode zur Erzielung der Besetzungsinversion vor, später eine wichtige Methode des Laserpumpens.

Townes berichtet, dass mehrere bedeutende Physiker – darunter Niels Bohr , John von Neumann und Llewellyn Thomas – argumentierten, der Maser verletze Heisenbergs Unschärferelation und könne daher nicht funktionieren. Andere wie Isidor Rabi und Polykarp Kusch hielten ihn für unpraktisch und den Aufwand nicht wert. ^{[ 49 ]} 1964 erhielten Charles H. Townes, Nikolay Basov und Aleksandr Prokhorov den Nobelpreis für Physik „für ihre grundlegenden Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenelektronik, die zur Entwicklung von Oszillatoren und Verstärkern auf Basis des Maser-Laser-Prinzips geführt haben“.

Im April 1957 schlug der japanische Ingenieur Jun-ichi Nishizawa in einer Patentanmeldung das Konzept eines „ Halbleiter-Optikmasers “ vor. ^{[ 50 ]} Im selben Jahr begannen Charles H. Townes und Arthur Leonard Schawlow, damals bei den Bell Labs , mit der intensiven Erforschung von Infrarot-„Optikmasern“. Im Zuge der Weiterentwicklung ihrer Ideen gaben sie die Infrarotstrahlung auf und konzentrierten sich stattdessen auf sichtbares Licht .

Gleichzeitig arbeitete Gordon Gould , Doktorand an der Columbia University, an seiner Dissertation über die Energieniveaus angeregten Thalliums . Gould und Townes trafen sich und sprachen allgemein über Strahlungsemission , jedoch nicht über ihre konkreten Forschungsarbeiten. Später, im November 1957, notierte Gould seine Ideen zur Herstellung eines „Lasers“, darunter die Verwendung eines offenen Resonators (einer wesentlichen Komponente von Lasern). Sein Notizbuch enthielt ein Diagramm eines optisch gepumpten Lasers. Es enthielt auch die erste dokumentierte Verwendung des Begriffs „Laser“, ein Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung), sowie Vorschläge für mögliche Anwendungen der beschriebenen kohärenten Lichtstrahlen. ^{[ 3 ]}

1958 reichten die Bell Labs eine Patentanmeldung für den von Schawlow und Townes vorgeschlagenen optischen Maser ein; Schawlow und Townes veröffentlichten daraufhin einen Artikel mit ihren theoretischen Berechnungen in der Fachzeitschrift Physical Review . ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]} Im selben Jahr schlug Prokhorov unabhängig davon die Verwendung eines offenen Resonators vor – die erste Veröffentlichung dieser Idee.

Auf einer Konferenz im Jahr 1959 veröffentlichte Gordon Gould erstmals das Akronym „LASER“ in der Arbeit „ The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ ^{[ 56 ] [ 19 ]} . Goulds Absicht war, für verschiedene Spektralbereiche unterschiedliche Akronyme mit der Endung „-ASER“ zu verwenden: „XASER“ für Röntgenstrahlung, „UVASER“ für Ultraviolettstrahlung, „RASER“ für Radiowellen usw. Letztendlich wurde jedoch der Begriff „LASER“ für alle Geräte verwendet, die bei Wellenlängen unterhalb der Mikrowellen arbeiten.

Goulds Notizen enthielten mögliche Anwendungen für einen Laser, darunter optische Telekommunikation, Spektrometrie , Interferometrie , Radar und Kernfusion . Er entwickelte die Idee weiter und reichte im April 1959 eine Patentanmeldung ein . Das US-Patent- und Markenamt (USPTO) lehnte seine Anmeldung ab und erteilte 1960 den Bell Labs das Patent . Dies löste einen 28 Jahre andauernden Rechtsstreit um die Rechte an verschiedenen Lasertechnologien und -anwendungen aus. Gould erhielt 1977 sein erstes Patent für optisch gepumpte Laserverstärker, doch erst 1987 gewann er seinen ersten bedeutenden Patentverletzungsprozess. ^{[ 57 ]} Viele Aspekte eines funktionierenden Lasers wurden von verschiedenen Personen patentiert: Die Frage, wem die Erfindung des Lasers zuzuschreiben ist, bleibt für Historiker ungeklärt. ^{[ 58 ]}

Am 16. Mai 1960 nahm Theodore H. Maiman in den Hughes Research Laboratories in Malibu, Kalifornien, den ersten funktionsfähigen Laser in Betrieb ^{[ 59 ] [ 60 ]} . Er war damit mehreren Forschungsteams voraus, darunter jenen von Townes an der Columbia University , Arthur L. Schawlow bei den Bell Labs [ ^{61 ]} und Gould bei der TRG (Technical Research Group). Maimans funktionsfähiger Laser nutzte einen blitzlampengepumpten synthetischen Rubinkristall zur Erzeugung ^von rotem Laserlicht mit einer Wellenlänge von 694 Nanometern. Aufgrund seines Drei-Niveau-Pumpkonzepts war das Gerät nur für den Pulsbetrieb geeignet. Später im selben Jahr konstruierten der iranische Physiker Ali Javan sowie William R. Bennett Jr. und Donald R. Herriott den ersten Gaslaser mit Helium und Neon , der im Infrarotbereich kontinuierlich arbeiten konnte (US-Patent 3,149,290). Später, im Jahr 1993, erhielt Javan den Albert-Einstein-Weltwissenschaftspreis. 1962 demonstrierte Robert N. Hall den ersten Halbleiterlaser , der aus Galliumarsenid bestand und im nahen Infrarotbereich des Spektrums bei 850 nm emittierte. Noch im selben Jahr demonstrierte Nick Holonyak Jr. den ersten Halbleiterlaser mit sichtbarer Emission. Dieser erste Halbleiterlaser konnte nur im Pulsbetrieb und bei Kühlung auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) eingesetzt werden. 1964 erfand C. Kumar N. Patel bei den Bell Telephone Laboratories den Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser) , den ersten Hochleistungs-Dauerstrich-Gaslaser ^{[ 62 ]} , der sich zu einem der am weitesten verbreiteten Industrie- und Medizinlaser entwickelte. Im Jahr 1970 entwickelten Zhores Alferov in der UdSSR sowie Izuo Hayashi und Morton Panish von den Bell Labs unabhängig voneinander Diodenlaser, die bei Raumtemperatur im Dauerbetrieb arbeiteten und die Heteroübergangsstruktur nutzten .

Seit den Anfängen der Lasergeschichte hat die Laserforschung eine Vielzahl verbesserter und spezialisierter Lasertypen hervorgebracht, die für unterschiedliche Leistungsziele optimiert sind, darunter:

• neue Wellenlängenbereiche
• maximale durchschnittliche Ausgangsleistung
• maximale Spitzenimpulsenergie
• maximale Spitzenimpulsleistung
• minimale Ausgangsimpulsdauer
• minimale Linienbreite
• maximale Energieeffizienz
• Mindestkosten

Die Forschung zur Verbesserung dieser Eigenschaften von Lasern wird bis heute fortgesetzt.

Im Jahr 2015 stellten Forscher einen weißen Laser her, dessen Licht durch ein synthetisches Nanoblatt aus Zink, Cadmium, Schwefel und Selen moduliert wird, das rotes, grünes und blaues Licht in unterschiedlichen Anteilen emittieren kann, wobei jede Wellenlänge 191 nm umfasst. ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

Im Jahr 2017 demonstrierten Forscher der Technischen Universität Delft einen Mikrowellenlaser mit Wechselstrom-Josephson-Kontakt . ^{[ 66 ]} Da der Laser im supraleitenden Bereich arbeitet, ist er stabiler als andere Halbleiterlaser. Das Bauelement hat Potenzial für Anwendungen im Quantencomputing . ^{[ 67 ]} Ebenfalls im Jahr 2017 demonstrierten Forscher der Technischen Universität München den kleinsten Modenkopplungslaser, der Paare phasengekoppelter Pikosekunden-Laserpulse mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 200 GHz emittieren kann. ^{[ 68 ]}

Im Jahr 2017 stellten Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zusammen mit US-Forschern des JILA , einem gemeinsamen Institut des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder , einen neuen Weltrekord auf, indem sie einen Erbium-dotierten Faserlaser mit einer Linienbreite von nur 10  Millihertz entwickelten. ^{[ 69 ] [ 70 ]}

Nach der Erfindung des HeNe-Gaslasers wurden viele weitere Gasentladungen entdeckt, die Licht kohärent verstärken. Gaslaser mit unterschiedlichsten Gasen wurden entwickelt und für vielfältige Zwecke eingesetzt. Der Helium-Neon-Laser (HeNe) kann bei vielen verschiedenen Wellenlängen arbeiten, die meisten sind jedoch für eine Wellenlänge von 633 nm ausgelegt. Diese relativ kostengünstigen, aber hochkohärenten Laser sind in optischen Forschungs- und Ausbildungslaboren weit verbreitet. Kommerzielle Kohlendioxidlaser (CO₂ _- Laser) können mehrere hundert Watt in einem einzigen räumlichen Modus emittieren, der auf einen winzigen Punkt konzentriert werden kann. Diese Emission liegt im thermischen Infrarotbereich bei 10,6 μm. Solche Laser werden regelmäßig in der Industrie zum Schneiden, Schweißen und in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Der Wirkungsgrad eines CO₂ _- Lasers ist mit über 30 % ungewöhnlich hoch. ^{[ 71 ]} Argon-Ionen -Laser können bei verschiedenen Laserübergängen zwischen 351 und 528,7 nm arbeiten. Je nach optischem Design können eine oder mehrere dieser Übergänge gleichzeitig lasern; die am häufigsten verwendeten Linien liegen bei 458 nm, 488 nm und 514,5 nm. Ein Stickstoff- TEA-Laser ( Transversale elektrische Entladung in Gas bei Atmosphärendruck ) ist ein kostengünstiger Gaslaser, der oft von Hobbyisten selbst gebaut wird und relativ inkohärentes UV-Licht bei 337,1 nm erzeugt. ^{[ 72 ]} Metallionenlaser sind Gaslaser, die tiefviolette Wellenlängen erzeugen. Helium -Silber (HeAg) bei 224 nm und Neon -Kupfer (NeCu) bei 248 nm sind zwei Beispiele. Wie alle Niederdruck-Gaslaser weisen die Verstärkungsmedien dieser Laser sehr schmale Oszillationslinienbreiten von weniger als 3 GHz (0,5 Pikometer ) auf ^{[ 73 ]} , wodurch sie sich für die Anwendung in der fluoreszenzunterdrückten Raman-Spektroskopie eignen .

Das Lasern ohne Aufrechterhaltung einer Besetzungsinversion im Medium wurde 1992 in Natriumgas und 1995 erneut in Rubidiumgas von verschiedenen internationalen Forscherteams demonstriert . [ 74 ] ^{[ 75 ] Dies wurde durch} den Einsatz eines externen Masers erreicht, der im Medium „optische Transparenz“ induzierte. Dies geschah durch die Einführung und destruktive Interferenz der Grundzustandselektronenübergänge zwischen zwei Pfaden, sodass die Wahrscheinlichkeit für die Absorption von Energie durch die Grundzustandselektronen aufgehoben wurde.

Chemische Laser nutzen eine chemische Reaktion, die die schnelle Freisetzung großer Energiemengen ermöglicht. Solche Hochleistungslaser sind insbesondere für das Militär von Interesse; es wurden jedoch auch kontinuierliche chemische Laser mit sehr hoher Leistung entwickelt, die mit Gasströmen gespeist werden und bereits industrielle Anwendungen finden. Beispielsweise reagieren beim Fluorwasserstofflaser (2700–2900 nm) und beim Deuteriumfluoridlaser (3800 nm) Wasserstoff- bzw. Deuteriumgas mit den Verbrennungsprodukten von Ethylen in Stickstofftrifluorid .

Der erste chemische Laser wurde 1965 von Jerome VV Kasper und George C. Pimentel an der University of California, Berkeley, demonstriert. Es handelte sich um einen Chlorwasserstofflaser , der bei 3,7 Mikrometern arbeitete. ^{[ 76 ]}

Excimerlaser sind eine spezielle Art von Gaslasern, die durch elektrische Entladung betrieben werden. Das Lasermedium ist ein Excimer , genauer gesagt ein Exciplex ( in aktuellen Designs). Excimere sind Moleküle, die nur existieren können, wenn sich ein Atom in einem angeregten elektronischen Zustand befindet. Sobald das Molekül seine Anregungsenergie auf ein Photon abgibt, sind seine Atome nicht mehr aneinander gebunden, und das Molekül zerfällt. Dies reduziert die Besetzung des niedrigeren Energiezustands drastisch und begünstigt somit eine Besetzungsinversion. Die aktuell verwendeten Excimere sind allesamt Edelgasverbindungen ; Edelgase sind chemisch inert und können nur im angeregten Zustand Verbindungen bilden. Excimerlaser arbeiten typischerweise im ultravioletten Wellenlängenbereich. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen die Halbleiter- Photolithographie und die LASIK- Augenchirurgie. Häufig verwendete Excimermoleküle sind ArF (Emission bei 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) und XeF (351 nm). ^{[ 77 ]} Der molekulare Fluorlaser , der bei 157 nm im Vakuum-Ultraviolettbereich emittiert, wird manchmal als Excimerlaser bezeichnet; dies scheint jedoch eine Fehlbezeichnung zu sein, da F ₂ eine stabile Verbindung ist.

Festkörperlaser verwenden einen kristallinen oder Glasstab, der mit Ionen dotiert wird, welche die benötigten Energiezustände bereitstellen. Der erste funktionierende Laser war beispielsweise ein Rubinlaser , hergestellt aus Rubin ( chromdotiertem Korund ). Die Besetzungsinversion bleibt im Dotierstoff erhalten. Diese Materialien werden optisch mit einer kürzeren Wellenlänge als der Laserwellenlänge gepumpt, häufig mit einer Blitzröhre oder einem anderen Laser. Der Begriff „Festkörperlaser“ wird in der Laserphysik enger gefasst als im allgemeinen Sprachgebrauch. Halbleiterlaser (Laserdioden) werden üblicherweise nicht als Festkörperlaser bezeichnet.

Neodym ist ein häufig verwendetes Dotierungsmittel in verschiedenen Festkörperlaserkristallen, darunter Yttriumorthovanadat ( Nd:YVO₄ ₎ , Yttriumlithiumfluorid ( Nd:YLF₄ ) und Yttriumaluminiumgranat ( Nd:YAG ). Alle diese Laser erzeugen hohe Leistungen im Infrarotbereich bei 1064 nm. Sie werden zum Schneiden, Schweißen und Markieren von Metallen und anderen Materialien sowie in der Spektroskopie und zum Pumpen von Farbstofflasern eingesetzt . Häufig werden diese Laser auch frequenzverdoppelt , -verdreifacht oder -vervierfacht, um Laserstrahlen mit 532 nm (grün, sichtbar), 355 nm bzw. 266 nm ( UV ) zu erzeugen. ^{[ 78 ]} Frequenzverdoppelte diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS-Laser) werden zur Herstellung von hellgrünen Laserpointern mit geringer Leistung (<10 mW) und medizinischen Lasern mit hoher Leistung (>3 W) verwendet. ^{[ 79 ]}

Ytterbium , Holmium , Thulium und Erbium sind weitere gängige Dotierstoffe in Festkörperlasern. ^{[ 80 ]} Ytterbium wird in Kristallen wie Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS und Yb:CaF₂ verwendet _, die typischerweise im Bereich von 1020–1050 nm arbeiten. Aufgrund eines kleinen Quantendefekts sind sie potenziell sehr effizient und leistungsstark. Mit Yb:YAG lassen sich extrem hohe Leistungen in ultrakurzen Pulsen erzielen. Holmium -dotierte YAG-Kristalle emittieren bei 2097 nm und bilden einen effizienten Laser, der im Infrarotbereich arbeitet , der von wasserhaltigem Gewebe stark absorbiert wird. Der Ho:YAG-Laser wird üblicherweise im Pulsbetrieb eingesetzt und über optische Fasern in chirurgischen Geräten verwendet, um Gelenke zu überbrücken, Karies zu entfernen, Tumore zu vaporisieren und Nieren- und Gallensteine ​​zu zertrümmern.

Titan -dotiertes Saphir ( Ti:Saphir ) erzeugt einen hochgradig abstimmbaren Infrarotlaser , der häufig in der Spektroskopie eingesetzt wird . Es eignet sich auch hervorragend als modengekoppelter Laser zur Erzeugung ultrakurzer Pulse mit extrem hoher Spitzenleistung.

Optische parametrische Oszillatoren (OPOs) verschieben die Wellenlänge von Festkörperlasern über das gesamte Spektrum vom Ultravioletten bis zum Infraroten. ^{[ 81 ]} Nichtkritisch phasenangepasste OPOs können Laserwellenlängen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 70 % umwandeln und so hocheffiziente Laser bei sogenannten „augensicheren“ Wellenlängen erzeugen, wodurch Laser sicher im öffentlichen Raum eingesetzt werden können, ohne die Augen zu schädigen. ^{[ 82 ]}

Thermische Einschränkungen bei Festkörperlasern entstehen durch nicht umgewandelte Pumpleistung, die das Medium erwärmt. Diese Wärme kann in Verbindung mit einem hohen thermooptischen Koeffizienten (dn / dT ) zu thermischer Linsenwirkung führen und die Quanteneffizienz verringern. Diodengepumpte Dünnscheibenlaser überwinden diese Probleme durch ein Verstärkungsmedium, das deutlich dünner als der Durchmesser des Pumpstrahls ist. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Material. Es wurde gezeigt, dass Dünnscheibenlaser Strahlen mit einer Leistung von bis zu einem Kilowatt erzeugen können. ^{[ 83 ]}

Festkörperlaser oder Laserverstärker, bei denen das Licht durch Totalreflexion in einer optischen Einmodenfaser geführt wird , werden als Faserlaser bezeichnet . Die Lichtführung ermöglicht extrem lange Verstärkungszonen und sorgt für gute Kühlbedingungen; Fasern weisen ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auf, was eine effiziente Kühlung ermöglicht. Darüber hinaus tragen die Wellenleitereigenschaften der Faser dazu bei, die thermische Verzerrung des Strahls zu reduzieren. Erbium- und Ytterbiumionen sind häufige aktive Spezies in solchen Lasern.

Häufig wird der Faserlaser als Doppelmantelfaser ausgeführt . Diese Faserart besteht aus einem Faserkern, einem inneren und einem äußeren Mantel. Der Brechungsindex der drei konzentrischen Schichten ist so gewählt, dass der Faserkern für die Laseremission als Einmodenfaser fungiert, während der äußere Mantel für den Pumplaser als hochgradig multimodiger Kern dient. Dadurch kann der Pumplaser eine hohe Leistung in und durch den aktiven Kernbereich propagieren und gleichzeitig eine hohe numerische Apertur (NA) für optimale Einkopplungsbedingungen gewährleisten.

Das Pumplicht kann effizienter genutzt werden, indem man einen Faserscheibenlaser oder einen Stapel solcher Laser erzeugt.

Faserlaser können, wie andere optische Medien auch, bei Bestrahlung mit bestimmten Wellenlängen unter Photodunkelung leiden . Dies kann insbesondere im Laufe der Zeit zu einer Materialdegradation und einem Funktionsverlust des Lasers führen. Die genauen Ursachen und Auswirkungen dieses Phänomens variieren je nach Material, wobei häufig die Bildung von Farbzentren eine Rolle spielt . ^{[ 84 ]}

Photonische Kristalllaser sind Laser, die auf Nanostrukturen basieren, welche die für die Rückkopplung erforderliche Modenbegrenzung und die Dichte der optischen Zustände (DOS) bereitstellen. Sie sind typischerweise mikrometergroß und auf die Bänder der photonischen Kristalle abstimmbar. ^{[ 85 ]}

Halbleiterlaser sind elektrisch gepumpte Dioden . Die Rekombination von Elektronen und Löchern, die durch den angelegten Strom erzeugt wird, führt zu optischer Verstärkung. Die Reflexion an den Kristallenden bildet einen optischen Resonator, der in manchen Ausführungen außerhalb des Halbleiters liegen kann.

Kommerzielle Laserdioden emittieren Licht in Wellenlängen von 375 nm bis 3500 nm. ^{[ 86 ]} Laserdioden mit niedriger bis mittlerer Leistung werden in Laserpointern , Laserdruckern und CD/DVD-Playern eingesetzt. Sie dienen außerdem häufig zum effizienten optischen Pumpen anderer Laser. Industrielle Laserdioden mit Höchstleistungen von bis zu 20 kW werden in der Industrie zum Schneiden und Schweißen verwendet. ^{[ 87 ]} Externe Halbleiterlaser besitzen ein Halbleitermedium in einem größeren Resonator. Diese Geräte können hohe Ausgangsleistungen mit guter Strahlqualität, wellenlängenverstellbare Strahlung mit schmaler Linienbreite oder ultrakurze Laserpulse erzeugen.

Im Jahr 2012 entwickelten und fertigten Nichia und OSRAM kommerzielle Hochleistungs-Grünlaserdioden (515/520 nm), die mit herkömmlichen diodengepumpten Festkörperlasern konkurrieren. ^{[ 88 ] [ 89 ]}

Vertikal emittierende Oberflächenlaser ( VCSELs ) sind Halbleiterlaser, deren Emissionsrichtung senkrecht zur Waferoberfläche verläuft. VCSEL-Bauelemente erzeugen typischerweise einen kreisförmigeren Ausgangsstrahl als herkömmliche Laserdioden. Stand 2005 waren nur 850-nm-VCSELs weit verbreitet, während 1300-nm-VCSELs allmählich kommerziell verfügbar wurden ^{[ 90 ]} und 1550-nm-Bauelemente Gegenstand der Forschung waren. VECSELs sind externe VCSELs. Quantenkaskadenlaser sind Halbleiterlaser, die einen aktiven Übergang zwischen Energieunterbändern eines Elektrons in einer Struktur mit mehreren Quantentöpfen aufweisen .

Die Entwicklung von Siliziumlasern ist für das optische Rechnen von großer Bedeutung . Silizium ist das bevorzugte Material für integrierte Schaltkreise , wodurch elektronische und photonische Siliziumkomponenten (wie optische Verbindungen ) auf demselben Chip gefertigt werden könnten. Silizium ist jedoch aufgrund bestimmter Eigenschaften, die den Laserbetrieb verhindern, ein schwierig zu handhabendes Lasermaterial. In jüngster Zeit ist es Forscherteams jedoch gelungen, Siliziumlaser durch Verfahren wie die Herstellung des Lasermaterials aus Silizium und anderen Halbleitermaterialien, beispielsweise Indium(III)-phosphid oder Gallium(III)-arsenid , zu erzeugen. Diese Materialien ermöglichen die Erzeugung von kohärentem Licht aus Silizium. Solche Laser werden als Hybrid-Siliziumlaser bezeichnet . Jüngste Entwicklungen haben zudem den Einsatz monolithisch integrierter Nanodrahtlaser direkt auf Silizium für optische Verbindungen gezeigt und damit den Weg für Anwendungen auf Chipebene geebnet. ^{[ 91 ]} Diese Heterostruktur-Nanodrahtlaser, die optische Verbindungen in Silizium ermöglichen, können auch Paare phasenstarrer Pikosekundenpulse mit einer Wiederholfrequenz von bis zu 200 GHz emittieren und so die optische Signalverarbeitung auf einem Chip ermöglichen. ^{[ 68 ]} Ein weiterer Typ ist der Raman-Laser , der die Raman-Streuung nutzt, um aus Materialien wie Silizium Laserlicht zu erzeugen.

Halbleiter -Quantenpunktlaser nutzen Quantenpunkte als aktives Lasermedium. Diese Laser weisen eine Leistungsfähigkeit auf, die der von Gaslasern sehr nahe kommt, und vermeiden einige Nachteile herkömmlicher Halbleiterlasermedien. Verbesserungen der Modulationsbandbreite , der Laserschwelle , des relativen Intensitätsrauschens , des Linienverbreiterungsfaktors und der Temperaturunempfindlichkeit wurden beobachtet. Die aktive Zone der Quantenpunkte kann durch Variation der Punktgröße und -zusammensetzung so gestaltet werden, dass sie bei verschiedenen Wellenlängen arbeitet. Dies ermöglicht die Herstellung von Quantenpunktlasern für Wellenlängen, die mit Halbleiterlasertechnologie bisher nicht realisierbar waren. ^{[ 92 ]}

Farbstofflaser nutzen einen organischen Farbstoff als Verstärkungsmedium. Das breite Verstärkungsspektrum verfügbarer Farbstoffe oder Farbstoffmischungen ermöglicht eine hohe Abstimmbarkeit dieser Laser oder die Erzeugung sehr kurzer Pulse ( im Bereich weniger Femtosekunden ). Obwohl diese abstimmbaren Laser hauptsächlich in flüssiger Form bekannt sind, haben Forscher auch schmalbandige, abstimmbare Emissionen in dispersiven Oszillatorkonfigurationen mit Festkörper-Farbstoffverstärkungsmedien demonstriert. In ihrer gebräuchlichsten Form verwenden diese Festkörper-Farbstofflaser farbstoffdotierte Polymere als Lasermedium.

Blasenlaser sind Farbstofflaser, die eine Blase als optischen Resonator nutzen. Flüstergaleriemoden in der Blase erzeugen ein Ausgangsspektrum, das aus Hunderten von gleichmäßig verteilten Peaks besteht: einem Frequenzkamm . Der Abstand der Flüstergaleriemoden ist direkt proportional zum Blasenumfang, wodurch Blasenlaser als hochempfindliche Drucksensoren eingesetzt werden können. ^{[ 93 ]}

Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugen kohärente, leistungsstarke Strahlung mit einem breiten Wellenlängenbereich, der aktuell von Mikrowellen über Terahertz- und Infrarotstrahlung bis hin zum sichtbaren Spektrum und weichen Röntgenstrahlen reicht. Sie weisen den größten Frequenzbereich aller Lasertypen auf. Obwohl FEL-Strahlen ähnliche optische Eigenschaften wie andere Laser besitzen, beispielsweise kohärente Strahlung, unterscheidet sich ihre Funktionsweise grundlegend. Im Gegensatz zu Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperlasern, die auf gebundenen atomaren oder molekularen Zuständen basieren, nutzen FELs einen relativistischen Elektronenstrahl als Lasermedium – daher der Name „ Freie-Elektronen- Laser“ .

Die Entwicklung eines Hochenergie-Quantenlasers mittels Übergängen zwischen isomeren Zuständen eines Atomkerns ist seit den frühen 1970er Jahren Gegenstand umfangreicher akademischer Forschung. Ein Großteil davon ist in drei Übersichtsartikeln zusammengefasst. ^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]} Diese Forschung war international ausgerichtet, konzentrierte sich aber hauptsächlich auf die ehemalige Sowjetunion und die Vereinigten Staaten. Obwohl viele Wissenschaftler weiterhin optimistisch sind, dass ein Durchbruch unmittelbar bevorsteht, ist ein funktionsfähiger Gammastrahlenlaser noch nicht realisiert worden. ^{[ 97 ]}

Einige frühe Studien befassten sich mit kurzen Neutronenpulsen, die den oberen Isomerenzustand in einem Festkörper anregten, um so den Gamma-Übergang durch die Linienverengung des Mößbauer-Effekts zu fördern . ^{[ 98 ] [ 99 ]} Gleichzeitig wurden mehrere Vorteile durch zweistufiges Pumpen eines Drei-Niveau-Systems erwartet. ^{[ 100 ]} Es wurde vermutet, dass der Atomkern im Nahfeld einer laserangeregten, kohärent oszillierenden Elektronenwolke ein größeres Dipolfeld erfahren würde als das des anregenden Lasers. ^{[ 101 ] [ 102 ]} Darüber hinaus würde die Nichtlinearität der oszillierenden Wolke sowohl räumliche als auch zeitliche Harmonische erzeugen, sodass auch Kernübergänge höherer Multipolarität bei Vielfachen der Laserfrequenz angeregt werden könnten. ^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]}

Im September 2007 berichtete BBC News über Spekulationen zur Möglichkeit, Positroniumannihilation zur Erzeugung eines sehr leistungsstarken Gammastrahlenlasers zu nutzen . [ 110 ] David ^{Cassidy von der} University of California, Riverside, schlug vor, dass ein einzelner solcher Laser eine Kernfusionsreaktion zünden und damit die Hunderte von Lasern ersetzen könnte, die derzeit in Trägheitsfusionsexperimenten eingesetzt werden . ^{[ 110 ]}

Als Raketenabwehrwaffen wurden auch weltraumgestützte Röntgenlaser vorgeschlagen, die durch Kernexplosionen gepumpt werden. ^{[ 111 ] [ 112 ]} Solche Geräte wären Einwegwaffen.

Lebende Zellen wurden zur Erzeugung von Laserlicht eingesetzt. ^{[ 113 ] [ 114 ]} Die Zellen wurden gentechnisch so verändert, dass sie grün fluoreszierendes Protein produzierten , welches als Verstärkungsmedium des Lasers diente. Anschließend wurden die Zellen zwischen zwei 20 Mikrometer breite Spiegel platziert, die als Laserresonator fungierten. Wurde die Zelle mit blauem Licht beleuchtet, emittierte sie intensiv gerichtetes grünes Laserlicht.

Ähnlich wie astrophysikalische Maser können bestrahlte planetare oder stellare Gase Licht verstärken und so einen natürlichen Laser erzeugen. ^{[ 115 ]} Mars , ^{[ 116 ]} Venus und MWC 349 weisen dieses Phänomen auf.

Die Laserwissenschaft bzw. Laserphysik untersucht Laser sowohl theoretisch als auch praktisch. ^{[ 117 ]} Sie befasst sich hauptsächlich mit Quantenelektronik , Laserkonstruktion , dem Design optischer Resonatoren , der Physik der Erzeugung einer Besetzungsinversion in Lasermedien und der zeitlichen Entwicklung des Lichtfelds im Laser. Darüber hinaus beschäftigt sie sich mit der Physik der Laserstrahlausbreitung, insbesondere mit der Physik von Gaußschen Strahlen , mit Laseranwendungen und verwandten Gebieten wie der nichtlinearen Optik und der Quantenoptik .

Als der Laser erfunden wurde, bezeichnete man ihn als „eine Lösung auf der Suche nach einem Problem“ ^{[ 118 ]} , obwohl Gould in seinen Notizbüchern und Patentanmeldungen zahlreiche mögliche Anwendungen vermerkte ^{[ 119 ] [ 120 ]} . Seitdem sind Laser allgegenwärtig und finden in Tausenden von unterschiedlichsten Anwendungen in allen Bereichen der modernen Gesellschaft Verwendung, darunter Unterhaltungselektronik , Informationstechnologie, Wissenschaft, Medizin, Industrie, Strafverfolgung , Unterhaltung und Militär . Die Glasfaserkommunikation nutzt multiplexierte Laser in dichten Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM), um große Datenmengen über weite Strecken zu übertragen ^{[ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] .}

Die erste weithin sichtbare Anwendung von Lasern war der Barcode-Scanner im Supermarkt , der 1974 eingeführt wurde. Der Laserdisc- Player, der 1978 auf den Markt kam, war das erste erfolgreiche Konsumprodukt mit Lasertechnologie, aber der Compact Disc Player war das erste laserbasierte Gerät, das sich weit verbreitete und 1982 kommerzialisiert wurde, kurz darauf gefolgt von Laserdruckern .

Weitere Anwendungsgebiete sind:

• Kommunikation: Neben der Glasfaserkommunikation werden Laser auch für die optische Freiraumkommunikation eingesetzt ^{[ 124 ],} einschließlich der Laserkommunikation im Weltraum ^{[ 125 ].}
• Medizin: siehe unten
• Industrie: Schneiden einschließlich der Bearbeitung dünner Materialien, Schweißen , Wärmebehandlung von Materialien , Markieren von Teilen ( Gravieren und Kleben ), additive Fertigungs- oder 3D-Druckverfahren wie selektives Lasersintern und selektives Laserschmelzen , Lasermetallauftrag und berührungsloses Messen von Teilen und 3D-Scannen sowie Laserreinigung .
• Militär: Zielmarkierung, Munitionslenkung , Raketenabwehr , elektrooptische Gegenmaßnahmen (EOCM) , Lidar , Blendung von Truppen, Zielvorrichtungen für Schusswaffen . Siehe unten.
• Strafverfolgung : LIDAR-Verkehrsüberwachung . Laser werden zur Erkennung latenter Fingerabdrücke im Bereich der forensischen Identifizierung eingesetzt ^{[ 126 ] [ 127 ].}
• Forschungsgebiete: Spektroskopie , Laserablation , Laserglühen , Laserstreuung , Laserinterferometrie , Lidar , Lasermikrodissektion , Fluoreszenzmikroskopie , Metrologie , Laserkühlung
• Kommerzielle Produkte: Laserdrucker , Barcode-Scanner , Thermometer , Laserpointer , Hologramme , Bubblegramme
• Unterhaltung: optische Datenträger , Laserlichtshows , Laserplattenspieler .
• Informationsmarkierungen: Mithilfe von Laserlichtprojektionstechnologie lassen sich Informationsmarkierungen auf Oberflächen wie Spielfelder, Straßen, Start- und Landebahnen oder Lagerhallenböden projizieren. ^{[ 128 ] [ 129 ] [ 130 ]}

Im Jahr 2004 wurden, Diodenlaser ausgenommen, rund 131.000 Laser im Wert von 2,19 Milliarden US-Dollar verkauft  . ^{[ 131 ]} Im selben Jahr wurden etwa 733 Millionen Diodenlaser im Wert von 3,20 Milliarden US-Dollar  abgesetzt. ^{[ 132 ]} Der weltweite Umsatz mit Industrielasern erreichte im Jahr 2023 21,85 Milliarden US-Dollar.

Laser haben viele Anwendungen in der Medizin, darunter Laserchirurgie (insbesondere Augenchirurgie ), Heilung von Blindheit, ^{[ 133 ]} Laserheilung (Photobiomodulationstherapie), Nierensteinbehandlung , Ophthalmoskopie und kosmetische Hautbehandlungen wie Aknebehandlung , Cellulite- und Dehnungsstreifenreduktion und Haarentfernung .

Laser werden zur Krebsbehandlung eingesetzt, indem sie Tumore oder Krebsvorstufen verkleinern oder zerstören . Am häufigsten werden sie zur Behandlung oberflächlicher Tumore an der Körperoberfläche oder der Auskleidung innerer Organe verwendet. Sie kommen zur Behandlung von Basalzellkarzinomen der Haut und sehr frühen Stadien anderer Krebsarten wie Gebärmutterhals- , Penis- , Scheiden- , Vulva- und nicht-kleinzelligem Lungenkrebs zum Einsatz . Die Lasertherapie wird oft mit anderen Behandlungen wie Operationen , Chemotherapie oder Strahlentherapie kombiniert . Die laserinduzierte interstitielle Thermotherapie (LITT), auch interstitielle Laser- Photokoagulation genannt, nutzt Laser zur Behandlung bestimmter Krebsarten mittels Hyperthermie. Dabei wird Hitze eingesetzt, um Tumore durch Schädigung oder Abtötung von Krebszellen zu verkleinern. Laser sind präziser als traditionelle Operationsmethoden und verursachen weniger Schäden, Schmerzen, Blutungen , Schwellungen und Narbenbildung. Ein Nachteil ist, dass Chirurgen eine spezielle Ausbildung absolvieren müssen, wodurch die Behandlung in der Regel teurer ist als andere Verfahren. ^{[ 134 ] [ 135 ]}

Die Low-Level-Lasertherapie (LLLT) ist eine Behandlungsmethode, bei der schwaches Licht von Lasern oder Leuchtdioden (LEDs) auf die Körperoberfläche angewendet wird. ^{[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]} Sie soll die Heilung anregen, Schmerzen lindern und die Zellfunktion verbessern. Die Wirkung scheint auf bestimmte Wellenlängen des Lichts beschränkt zu sein. Die Wirksamkeit dieser Behandlungsform wird noch untersucht. Wiederholte Low-Level-Rotlichttherapie könnte bei Kindern zur Myopiekontrolle wirksam sein. ^{[ 141 ] [ 142 ]} Mehrere solcher Geräte sind von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde (FDA) zugelassen, und die Low-Level-Rotlichttherapie wird zur Behandlung verschiedener Erkrankungen, darunter rheumatoide Arthritis ^{[ 143 ]} und orale Mukositis ^{[ 144 ]} , getestet .

Eine Laserwaffe ist eine Art Hochenergiewaffe , die Laser zur Zerstörung von Zielen einsetzt . ^{[ 145 ]} Ob sie als praktische, leistungsstarke Militärwaffen eingesetzt werden, bleibt abzuwarten. ^{[ 146 ] [ 147 ]} Eines der Hauptprobleme von Laserwaffen ist die atmosphärische thermische Ausleuchtung , die noch weitgehend ungelöst ist. Dieses Problem wird durch Nebel, Rauch, Staub, Regen, Schnee, Smog, Schaum oder gezielt freigesetzte, trübende Chemikalien verschärft. Die US-Marine hat das 30- kW -Laserwaffensystem (LaWS) mit sehr kurzer Reichweite (1,6 km) getestet, das gegen Ziele wie kleine unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) , Raketenwerfer und sichtbare Motorboot- oder Hubschraubermotoren eingesetzt werden soll . ^{[ 148 ] [ 149 ]} Es wurde als „sechs zusammengebündelte Schweißlaser “ beschrieben. Für Schiffe der Zerstörerklasse wird seit 2020 ein 60-kW-System namens HELIOS entwickelt. ^{[ 150 ] [ 151 ]}

Laser können als nicht-tödliche Waffen zur Kampfunfähigkeit eingesetzt werden . ^{[ 152 ]} Sie können, wenn sie auf die Augen gerichtet werden, vorübergehenden oder dauerhaften Sehverlust verursachen. Selbst Laser mit einer Leistung von weniger als einem Watt können unter bestimmten Bedingungen zu sofortigem und dauerhaftem Sehverlust führen und sind somit potenziell nicht-tödliche, aber kampfunfähige Waffen. Der Einsatz solcher Laser ist aufgrund der extremen Beeinträchtigung, die laserinduzierte Blindheit mit sich bringt, moralisch umstritten. Das Protokoll über blendende Laserwaffen verbietet den Einsatz von Waffen, die dauerhafte Blindheit verursachen sollen. Waffen, die vorübergehende Blindheit verursachen sollen – sogenannte Blendgranaten –, werden vom Militär und teilweise auch von Strafverfolgungsbehörden eingesetzt.

In den letzten Jahren haben einige Hobbyisten Interesse an Lasern entwickelt. Die von Hobbyisten verwendeten Laser gehören im Allgemeinen der Klasse IIIa oder IIIb an , obwohl einige auch eigene Laser der Klasse IV hergestellt haben. ^{[ 153 ]} Aufgrund der Kosten und potenziellen Gefahren ist dies jedoch ein eher seltenes Hobby. Manche Hobbyisten verwenden Laserdioden aus defekten DVD-Playern (rot), Blu-ray -Playern (violett) oder sogar leistungsstärkere Laserdioden aus CD- oder DVD-Brennern . ^{[ 154 ]}

Hobbybastler haben auch ausgemusterte Laser aus militärischen Anwendungen verwendet und diese für die Holografie modifiziert . Gepulste Rubin- und YAG-Laser eignen sich gut für diese Anwendung.

Unterschiedliche Anwendungen erfordern Laser mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen. Laser, die einen kontinuierlichen Strahl oder eine Reihe kurzer Pulse erzeugen, lassen sich anhand ihrer mittleren Leistung vergleichen. Pulslaser können auch über die Spitzenleistung jedes einzelnen Pulses charakterisiert werden . Die Spitzenleistung eines Pulslasers ist um viele Größenordnungen höher als seine mittlere Leistung. Die mittlere Ausgangsleistung ist stets geringer als die aufgenommene Leistung.

Beispiele für gepulste Systeme mit hoher Spitzenleistung:

• 700 TW (700×10 ¹² W)— National Ignition Facility , ein 192-Strahl-Lasersystem mit 1,8 Megajoule, das an eine Zielkammer mit 10 Metern Durchmesser angrenzt ^{[ 157 ]}
• 10 PW (10×10 ¹⁵ W) – der leistungsstärkste Laser der Welt (Stand 2019), betrieben in der ELI-NP- Anlage in Măgurele , Rumänien. ^{[ 158 ]}

Links: Europäisches Laserwarnsymbol, vorgeschrieben für Laser der Klasse 2 und höher. Rechts: US-amerikanisches Laserwarnschild, in diesem Fall für einen Laser der Klasse 3B.

Schon der erste Laser wurde als potenziell gefährlich eingestuft. Theodore Maiman beschrieb die Leistung des ersten Lasers als vergleichbar mit der einer Gillette- Rasierklinge , da er diese durchbrennen konnte . ^{[ 159 ] [ 160 ]} Heute ist anerkannt, dass selbst Laser mit geringer Leistung und nur wenigen Milliwatt Ausgangsleistung die Augen schädigen können, wenn der Strahl direkt oder nach Reflexion an einer glänzenden Oberfläche auf das Auge trifft. Bei Wellenlängen, die von Hornhaut und Linse gut fokussiert werden können, bewirkt die Kohärenz und geringe Divergenz des Laserlichts, dass es vom Auge auf einen extrem kleinen Punkt auf der Netzhaut fokussiert wird . Dies führt innerhalb von Sekunden oder sogar noch kürzerer Zeit zu lokalen Verbrennungen und dauerhaften Schäden.

Laser werden üblicherweise mit einer Sicherheitsklassennummer gekennzeichnet, die angibt, wie gefährlich der Laser ist:

• Klasse 1 ist inhärent sicher, üblicherweise weil die Lichtquelle in einem Gehäuse eingeschlossen ist, beispielsweise in CD-Playern.
• Schutzklasse 2 bedeutet, dass der Schutz bei normalem Gebrauch gewährleistet ist; der Lidschlagreflex des Auges verhindert Schäden. Üblicherweise gilt dies für Leistungen bis zu 1 mW, beispielsweise bei Laserpointern.
• Laser der Klasse 3R (früher IIIa) haben üblicherweise eine Leistung von bis zu 5 mW und bergen ein geringes Risiko von Augenschäden innerhalb der Zeitspanne des Lidschlagreflexes. Das Starren in einen solchen Strahl über mehrere Sekunden kann jedoch zu einer Schädigung der Netzhaut führen.
• Laser der Klasse 3B (5–499 mW) können bei Einwirkung sofortige Augenschäden verursachen.
• Laser der Klasse 4 (≥ 500 mW) können Verbrennungen der Haut verursachen, und in manchen Fällen kann sogar Streulicht dieser Laser Augen- und/oder Hautschäden hervorrufen. Viele Industrie- und Wissenschaftslaser gehören dieser Klasse an.

Die angegebenen Leistungen gelten für Laser im sichtbaren Lichtbereich und im Dauerstrichbetrieb. Für gepulste Laser und Laser im unsichtbaren Wellenlängenbereich gelten andere Leistungsgrenzen. Personen, die mit Lasern der Klassen 3B und 4 arbeiten, können ihre Augen mit Schutzbrillen schützen, die Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren.

Infrarotlaser mit Wellenlängen über etwa 1,4  Mikrometern werden oft als „augensicher“ bezeichnet, da die Hornhaut Licht in diesem Wellenlängenbereich absorbiert und so die Netzhaut vor Schäden schützt. Die Bezeichnung „augensicher“ kann jedoch irreführend sein, da sie nur für relativ leistungsschwache Dauerstrichlaser gilt. Hochleistungslaser oder gütegeschaltete Laser in diesem Wellenlängenbereich können die Hornhaut verbrennen und schwere Augenschäden verursachen, und selbst Laser mittlerer Leistung können das Auge verletzen.

Laser können sowohl für die zivile als auch für die militärische Luftfahrt eine Gefahr darstellen, da sie Piloten vorübergehend ablenken oder blenden können. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter „Laser und Flugsicherheit“ .

Kameras, die auf ladungsgekoppelten Bauelementen basieren , könnten empfindlicher gegenüber Laserschäden sein als biologische Augen. ^{[ 161 ]}