Diagrama funcțională a oricărui laser include în mod necesar trei componente principale:
1. Mediu activ (substanță activă, mediu de lucru). Pe această bază, laserele sunt împărțite în gaz, lichid, solid și semiconductor.
2. Sistemul pompei (metoda de creare a unei populații inverse). Există metode optice, termice, chimice, electro-ionizare și alte metode de pompare.
3. Rezonator optic (dispozitivul care formează fasciculul de lumină care iese din laser). Rezonatorul este un sistem de oglinzi, prisme și alte detalii. La laserele cu stare solidă, oglinzile sunt, de obicei, capete special prelucrate ale corpului activ, care are forma unei tije. Rezonatorul optic fixează direcția în care este generată radiația și oferă o alegere a lungimii de undă pe care se presupune că o amplifică.
Să considerăm principiul obținerii radiației induse prin exemplul unui laser rubin (fig.3). Ruby este o alumină cristalină de Al2O3 cu un amestec de ioni de crom trivalent Cr 3+ (0,03-0,05%).
Corpul de lucru al acestui laser este un cristal de rubin sub formă de tija de formă cilindrică, cu capete strict paralele și lustruite (formează un rezonator oglindă). Un capăt este acoperit cu un strat gros de argint și opac la lumină. Grosimea acoperirii celuilalt capăt este selectată astfel încât să fie translucidă pentru radiația emisă de laser. Lungimea tijei este limitată. Utilizarea unui rubin de peste 30 cm lungime nu este recomandabil, deoarece Pomparea atomilor și focalizarea radiațiilor sunt complicate.
Pomparea optică a mediului activ este utilizată într-un laser rubinic. În acest scop, se utilizează o lampă de xenon pulsată, sub forma unei spirale care înfășoară o tijă rubinică. Plasma care apare în lampă ca urmare a unei descărcări electrice radiază un impuls puternic de lumină care pătrunde în tija rubinică și excită atomii de crom. Din întregul flux de lumină, atomii de crom absorb fotoni cu o lungime de undă # 955; = 560 nm (corespunzând culorii verzi), rezultând trecerea de la nivelul de energie 1 la nivelul 3.
Durata de viață în stare excitată la acest nivel
10 -8 s. Apoi are loc o tranziție spontană la nivelul 1 sau, cel mai probabil, tranziția radiationless la o tranziție neradiativ energie inferioară 2. 3 → 2 este transformată în energie termică al grilajului rubin cristal. Tranziția 2 → 1 este interzisă de regulile de selecție. Aceasta înseamnă că tranzițiile spontane 2 → 1 sunt puțin probabile, adică Nivelul 2 este metastabil. Durata de viață în starea emoționată este de 2 ordine de mărime 10 -3 s. Aceasta este de aproximativ 100.000 de ori mai mare decât în statul 3. Cu o putere suficientă de pompare la nivelul 2, se va crea o stare cu populație inversă. Acum, fiecare născut la întâmplare în timpul spontane 2 → 1 tranziție poate provoca un foton avalanșă tranzițiilor induse 1 → 2, în care apar fotoni secundari, replica primara. Se generează o radiație indusă coerent cu o lungime de undă corespunzătoare tranziției 2 → 1 (# 955; = 694,3 nm).
Radiația indusă apare simultan într-o varietate de puncte ale corpului de lucru al laserului. pentru că fotonii primari care inițiază acest proces sunt emise în diferite direcții, apoi emisia stimulată se va propaga într-o varietate de direcții. Fluxurile fotonilor secundari direcționați la un unghi față de axa tijei de rubiniu părăsesc mediul activ prin suprafața sa laterală. Aceleasi fotoni, care se vor deplasa paralel cu axa barei, vor experimenta mai multe reflexii de la capetele oglinzilor corpului de lucru al laserului. Cu fiecare reflecție, fluxul de fotoni va crește. În cele din urmă, rezonatorul va forma o fasciculă coerentă, strictă, cu strălucire enormă, care va ieși din laser printr-o oglindă semitransparentă.
Ca majoritatea generatoarelor cuantice optice de stare solidă, un laser rubinic funcționează într-un mod cu impulsuri. Puterea medie a radiațiilor este de aproximativ 1 W, eficiența fiind de până la 2%.
Alături de cele cristaline, laserele cu gaz, în care gazul sau un amestec de gaze sunt utilizate ca mediu activ, au devenit utilizate pe scară largă în prezent. O caracteristică a acestor lasere este continuitatea regimului de radiație.
Primul laser cu gaz (Figura 5) ca un mediu activ, un gaz de amestec de heliu și neon, care în proporție 10. 1 umplut cu tub de descărcare de cuarț. Gazul a fost pompat de un generator de înaltă frecvență (HF), care creează o evacuare strălucitoare între electrozii (catodul 1 și anodul 5) montați în tub. Rezonatorul este format din două oglinzi paralele 6 montate perpendicular pe tubul de evacuare este axa optică 00. Ieșirea ferestrei 5 sunt dispuse astfel încât planurile lor perpendicular pe axa 00 a unghiului Brewster. Datorită acestui fapt, se obține o radiație foarte monocromatică, plane-polarizată și, în plus, elimină practic pierderile de reflexie de pe suprafața ferestrelor de ieșire ale tubului. 2 - absorbant de gaze străine. Procesul de generare a radiațiilor are loc în capilarul de lucru 4 al tubului de evacuare a gazului (d = 1 ÷ 10 mm). Centrele active sunt atomii de neon.
Generarea radiației laser are loc în timpul trecerii atomilor de neon de la starea excitată 3 la unul din nivelele inferioare 2 (figura 6). Pentru a face acest lucru, trebuie să crească nivelul municipiului 3 și reduce la nivelul 2. Heliu joacă un rol de sprijin - contribuie la crearea populației inverse a nivelurilor de lucru de atomi de neon. Pomparea se efectuează în două etape (figura 6). Evacuarea electrică excită atomii de heliu (He), transferându-le la nivelul metastabil 3 *. pentru că primul nivel excitat de heliu 3 * coincide în mod substanțial cu nivelul 3 de neon, ciocnirile inelastice cu atomii de heliu excitat transfera energia lor la atomii de neon și ei înșiși sunt resetate. Ca rezultat, atomii de neon de la nivelul solului merg la nivelul 3. atomii de heliu sunt mai mari și nivelul lor este 3 * metastabil, apoi la nivelul de 3 neoane este posibil să se creeze o stare de populație inversă.
Nivelul 2 este descărcat prin selectarea diametrului tubului de evacuare a gazului. Se selectează astfel încât coliziunea atomilor de neon cu pereții tubului stimulează trecerea lor de la starea 2 la starea de bază 1. Aceasta asigură o populație inversă staționară de nivele de lucru 2 și 3 de neon.
Nivelele superioare ale neonului (2, 3) au o structură complexă, ele constau în multe subsoluri. Există aproximativ 30 de tranziții permise de la subsolurile 3 la subsolul 2, permise de regulile de selecție. Prin urmare, laserele cu heliu-neon pot funcționa la mai multe lungimi de undă în regiunea vizibilă și infraroșu. Lungimea de undă este selectată cu ajutorul unui rezonator. Rezonatorul creează condiții pentru auto-excitație și suport pentru generarea unei singure lungimi de undă selectate. De exemplu, primul laser de heliu-neon a emis o lungime de undă de 1.153 nm. Aproximativ doi ani mai târziu, s-a descoperit căutarea în regiunea luminii vizibile la o lungime de undă de 632,8 nm. Puterea radiației emise de laserul de heliu-neon este de ordinul a 10 mW, iar eficiența este de aproximativ 0,1%.