Laser
Fysikaalinen perusta

Laser koostuu laseroivasta väliaineesta ja resonantista optisesta kaviteetista, joka on usein esimerkiksi sopivan pituinen putki. Väliaineelta vaaditaan sopivia ominaisuuksia, jotta se olisi laseroivaa eli siinä esiintyisi stimuloitua emissiota. Jotta väliaine saataisiin laseroimaan, siihen syötetään eli pumpataan energiaa. Pumppausta voidaan tehdä optisesti syöttämällä valoenergiaa törmäysviritysmenetelmällä, jolloin energia siirtyy atomitörmäyksissä, tai syöttämällä varauksenkuljettajia väliaineeseen. Pumpattu energia synnyttää väliaineeseen viritystiloja. Kun jossain viritystilassa on enemmän hiukkasia kuin jossain toisessa alemmassa tilassa, syntyy käänteinen miehitys. Normaalisti väliaineen läpi kulkeva säde vaimenee, kun väliaine absorboi säteen fotoneita. Käänteisessä miehityksessä olevan väliaineen läpi kulkeva optinen säde kuitenkin saa aikaan enemmän stimuloitua emissiota kuin absorptiota ja säde vahvistuu. Näin ollen pumpattua laseroivaa väliainetta voidaan käyttää myös optisena vahvistimena.
Tuotettu valo on ominaisuuksiltaan samankaltainen kuin alkuperäinen signaali. Sen aallonpituus, vaihe ja polarisaatio säilyvät. Tästä johtuu laservalolle ominainen koherenssi ja polarisaatio-ominaisuuksien sekä kaviteetin rakenteen avulla saavutetun monokromaattisuuden säilyminen.
Optinen kaviteetti on peileistä muodostettu laite, joka mahdollistaa seisovien valoaaltojen syntymisen. Peilien ansiosta jokainen fotoni kulkee väliaineen läpi useita kertoja ennen kuin se emittoituu laserin suuaukosta tai menetetään absorption tai diffraktion takia. Jos väliaineen aikaansaama vahvistus on suurempi kuin aikaansaatu vaimennus, valonsäteen teho voi kasvaa eksponentiaalisesti. Koska stimuloidut emissiot kuitenkin vähentävät väliaineen vahvistuskykyä, voi vahvistus tietyssä vaiheessa saturoitua. Tällöin pumpattu energia, säteen vahvistus ja energianmenetykset ovat tasapainossa eikä säde vahvistu enempää. Liian pienillä pumppaustehoilla vahvistus on riittämätön ja syntynyt ulostuloteho olemattoman pieni.
Laserin synnyttämä valo on hyvin kollimoitunutta. Tämä tarkoittaa sitä, että suunnattaessa laserin valo kaukaiselle pinnalle sen muodostama valopisteen ala on suhteellisen pieni. Kuitenkin täydellisen kollimoitunutta sädettä ei voida diffraktion vuoksi saada aikaan. Tämän takia laservalokin leviää pitemmillä matkoilla hiukan. Tämä leviäminen riippuu kuitenkin voimakkaasti laserin tyypistä. Suurten kaasulasereiden säteet ovat usein hyvin kollimoituja, mutta pienten puolijohdelasereiden säteet hajoavat lähes välittömästi suuaukon jälkeen (kulmat saattavat olla jopa 50° luokkaa). Nämä hajaantuvat säteet voidaan kuitenkin kollimoida uudestaan optisilla laitteilla. Muiden kuin laserlähteiden valoa on sen sijaan erittäin vaikea kollimoida hyvin.
Koherenssilla tai koherenttisuudella tarkoitetaan valon kykyä interfereroida itsensä kanssa. Koherenttisuus määritellään tavallisesti sinä matkana, jolla interferenssi on mahdollinen.selvennä Matka riippuu aallonpituudesta ja kaistanleveydestä. Hehkulampulla tehollinen kaistanleveys on noin 150 nm ja keskimääräinen aallonpituus noin 550 nm. Näiden arvojen, 550 nm ja 150 nm suhteena saadaan selville interferenssikuvion maksimien ja minimien lukumäärä. Newtonin renkaita on hehkulampun valossa muutama kappale, ja koherentti matka muutamia satoja nanometrejä. Jos kaistaa kavennetaan värisuodattimella, niin koherentti matka ja renkaiden määrä lisääntyy vastaavasti. Valon kaistanleveys jatkuvatoimisessa kaasulaserissa (esimerkiksi HeNe) on aivan olennaisesti pienempi kuin hehkulampussa, mutta ei nolla. Tämä johtuu kuumassa kaasussa tapahtuvasta Doppler-ilmiöstä. Tarkasti ottaen laservalo ei ole monokromaattista, ja sen koherenttisuus on rajallinen, mutta kuitenkin aivan eri kertaluokkaa kuin muilla valonlähteillä.
Laserit jaetaan pulssilasereihin ja jatkuvatoimisiin lasereihin. Pulssilasereilla voidaan saavuttaa merkittävästi suurempia maksimitehoja kuin jatkuvatoimisilla lasereilla. Jotkin laserit voivat tuottaa valoa monilla aallonpituuksilla. Tämä mahdollistaa hyvin lyhyiden valopulssien tuottamisen. Nämä pulssit voivat olla kestoltaan vain femtosekunnin luokkaa (10-15 s).
Vaikka sana laser viittaa erityisesti näkyvää valoa tuottavaan laitteeseen, käytetään sanaa myös muun taajuisia fotoneita tuottavista laitteista. Tässä artikkelissa sana ”valo” voi siis tarkoittaa myös esimerkiksi röntgensäteitä, infrapunasäteilyä tai ultraviolettisäteilyä. Mikroaaltoja tai radioaaltoja tuottavaa vastaavaa laitetta kuitenkin sanotaan yleensä maseriksi. Tämä johtuu historiallisista syistä, sillä ensimmäiset mikroaaltoja tuottaneet maserit rakennettiin ennen valoa tuottavia lasereita.