Исторически сложилось так, что наиболее широкое распространение лазеры получили в сфере научных исследований. Сейчас трудно назвать какую-либо отрасль науки, где бы не применялись лазеры. От студенческих лабораторий, до установок управляемого термоядерного синтеза и космических исследований - везде лазеры являются незаменимым рабочим инструментом. В последние годы наблюдается феноменальное ускорение внедрения фундаментальных научных достижений в прикладные отрасли науки и непосредственно в производство. Примером могут служить эксимерные лазеры, лазеры с диодной накачкой, полупроводниковые лазеры и фемтосекундные лазерные системы. Спектр типов и моделей современных лазеров настолько широк, что выбрать подходящую по параметрам систему затруднительно даже для опытного экспериментатора, не говоря уже о студентах и аспирантах.
    Довольно часто лазеры с близкими параметрами излучения являются, по сути, совершенно разными приборами, например: "красный" гелий-неоновый лазер и диодный лазер с длиной волны 633 нм. И, наоборот, похожие по строению и типу рабочей среды системы могут существенно отличаться по своим выходным характеристикам. Поэтому, с самого начала, важно разобраться с основными лазерными понятиями и терминологией. Иначе путаница может привести к довольно забавным ситуациям. Например, однажды, одна весьма почтенная ученая дама поинтересовалась возможностью приобрести у нас твердотельный и аргоновый лазеры. После того как ей была предоставлена исчерпывающая информация, она важно спросила "Надеюсь, они все гелий-неоновые?".
    Проведем краткий анализ существующих на сегодняшний день лазеров и лазерных систем. Лазером называется оптический квантовый генератор (ОКГ), или, иначе говоря, генератор света высокой направленности, монохроматичности и когерентности. Слово лазер образовано от английской аббревиатуры "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", т.е. усиление света путем вынужденной эмиссии излучения. Лазером часто называют и оптический квантовый усилитель (ОКУ), который в отличие от ОКГ, как правило, не имеет резонатора и используется для увеличения мощности выходного излучения ОКГ за один проход рабочей среды. Лазерными системами называются установки, состоящие из нескольких лазеров, предназначенные для получения специальных выходных параметров излучения. Примером наиболее простой лазерной системы может служить твердотельный лазер с диодной накачкой, а к сложным системам относятся пико- и фемтосекундные лазерные установки.

Основные принипы работы лазера

    В основе работы лазера лежит принцип создания так называемой инверсии населенностей уровней атомов и молекул вещества. Этот принцип является основным условием, определяющим способность той или иной среды к лазерной генерации. Как выясняется, далеко не каждое вещество может быть использовано в качестве лазерной среды, т.е. источника монохроматического, когерентного излучения. Для создания инверсии населенностей применяют различные способы энергетической "накачки" рабочей среды. Наиболее распространенными являются способы оптической, рентгеновской и электронно-лучевой накачки, накачки высоковольтным разрядом, диодной накачки и инжекции электронов. Существуют еще химические и газодинамические лазеры, в которых возбуждение среды возникает в результате химической реакции или преобразования внутренней энергии в световую. Лазерная рабочая среда помещается в оптический резонатор, внутри которого вынужденное излучение набирает энергию за счет многократных проходов между зеркалами резонатора. Характеристикой любого резонатора является его добротность, чем она выше - тем большую энергию имеет выходящее из него излучение. Лазеры могут работать в режиме свободной генерации или в режиме с управлением (модуляцией) добротностью. В настоящее время часто используются термины "излучение и пучок", соответствующие первоначальным понятиям "свет и луч", т.к. сейчас наряду с лазерами видимого оптического диапазона существуют лазеры инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов.
    Основными понятиями, относящимися к лазерам и системам, являются: длина волны излучения; тип лазерного источника - непрерывный или импульсный; мощность и энергия; качество лазерного излучения.

Длина волны

    Существует определенный ряд лазеров с хорошо известными длинами волн - это эксимерные УФ лазеры, газовые лазеры видимого диапазона: аргоновые ионные, гелий-неоновые, гелий-кадмиевые, лазеры на парах меди и пр., лазеры на кристаллах сапфира и граната. Особую группу занимают полупроводниковые лазеры и перестраиваемые лазеры на красителях. С помощью этих лазеров можно перекрывать целые диапазоны длин волн. К наиболее мощным лазерам относятся газодинамические углекислотные (CO2 -лазеры) и лазеры на неодимовом стекле. В частности, первые, наряду с химическими и рентгеновскими лазерами планировалось использовать в американской программе СОИ или "звездных войн", а последние уже применяются в экспериментальных установках по получению управляемого термоядерного синтеза.

Режим лазерной генерации: непрерывный или импульсный

    Другое название этих режимов, часто встречающееся в нашей и иностранной литературе это cw (continuous wave - непрерывный) и Q-switch (с модуляцией добротности - импульсный). Кроме этих двух основных вариантов, в которых работает подавляющее число современных лазеров, существуют и другие, не так часто применяемые режимы генерации: квазинепрерывный, режим синхронизации мод и т.п. Многие типы лазеров могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах, а некоторые только в импульсном или только непрерывном. Импульсные лазеры, работающие на одной и той же длине волны, могут отличаться частотой генерации и длительностью импульса. Особое место занимают пико- и фемто- секундные лазеры, которые по сути являются лазерными системами, состоящими из нескольких различных типов лазеров. У лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации, принято говорить о мощности выходного излучения, а у импульсных лазеров - об энергии в импульсе. Кроме того, для импульсной генерации применяются понятия средней мощности и пиковой мощности, а также пиковой интенсивности.

Качество лазерного пучка

    Понятие "качество пучка" включает в себя довольно широкий спектр характеристик выходного лазерного излучения. Это модовый состав, степень пространственной и временной когерентности, поляризация, расходимость, однородность и наличие "горячих точек", а также уровень шумов и стабильность частоты и мощности во времени. Таким образом, например, лазер на иттриево-алюминиевом гранате, легированном неодимом (Nd:YAG), в зависимости от концентрации атомов Nd может работать в импульсном или непрерывном режиме, излучение его может быть одномодовым или многомодовым. При основной длине волны излучения в ближнем инфракрасном диапазоне (1,06 мкм), он может генерировать излучение видимого и УФ диапазонов в режиме гармоник, который достигается применением нелинейных кристаллов - преобразователей лазерной частоты. Nd-YAG лазер может генерировать вторую (532 нм), третью (355 нм), четвертую (266 нм) и т.д. гармоники. Подводя итог обзорной части, посвященной основным лазерным принципам, можно сказать, что знание перечисленных выше особенностей различных типов лазеров является необходимым, но недостаточным критерием при выборе нужного источника когерентного излучения. Следующие свойства любой системы считаются не менее важными для практического применения. Это надежность, долговечность, экономичность, безопасность и удобство в эксплуатации. Комплексный подход к выбору лазера или лазерной системы, включающий принцип "цена-качество", я вляется единственно верным и оправдывает даже самые высокие затраты на приобретение современного лазерного прибора.