Лазер, как уникальный источник когерентного электромагнитного излучения, основан на фундаментальном квантово-механическом процессе вынужденного излучения, теоретически предсказанном Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Суть этого явления заключается в том, что фотон, взаимодействуя с возбужденным атомом или молекулой, может индуцировать переход частицы на более низкий энергетический уровень с испусканием второго фотона, идентичного первому по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Для реализации лазерной генерации необходимо создать среду, в которой процессы вынужденного излучения будут преобладать над поглощением и спонтанным излучением. Это достигается созданием инверсии населённостей – состояния, при котором количество частиц на верхнем энергетическом уровне превышает их количество на нижнем, что противоречит условию термодинамического равновесия, описываемого распределением Больцмана. Как отмечается в работе «Лазеры: устройство и действие» (Александр Маев), ключевым элементом любого лазера является активная среда, в которой и создаётся такая инверсия. Активная среда, будь то газ, жидкость, полупроводник или кристалл, помещается в оптический резонатор, образованный, как правило, двумя зеркалами, одно из которых является частично прозрачным. Резонатор выполняет несколько критически важных функций: он обеспечивает многократное прохождение излучения через активную среду для его усиления за счёт лавинообразного процесса вынужденного излучения, а также формирует узконаправленный пучок и определяет спектральные характеристики генерируемого света. Процесс накачки, то есть подвода энергии извне для создания инверсии населённостей, может осуществляться оптическим, электрическим, химическим или другими способами. Когда коэффициент усиления в активной среде компенсирует и начинает превышать все потери в резонаторе, система достигает порога генерации, и возникает лазерное излучение. Важнейшими свойствами этого излучения, отличающими его от света обычных источников, являются высокая когерентность (пространственная и временная), монохроматичность, малая расходимость пучка и возможность достижения чрезвычайно высокой интенсивности. Эти уникальные характеристики напрямую вытекают из физических принципов работы лазера и делают его незаменимым инструментом в современных научных исследованиях и технологических приложениях, что будет подробно рассмотрено в последующих главах.

Классификация лазерных систем представляет собой сложную задачу, обусловленную многообразием их конструктивных и физических особенностей. Наиболее фундаментальным и общепринятым в научной литературе является принцип классификации по типу активной среды, поскольку именно её свойства во многом определяют ключевые характеристики генерируемого излучения: длину волны, мощность, режим работы и эффективность. Согласно этому подходу, все лазеры подразделяются на твердотельные, газовые, жидкостные (в частности, лазеры на красителях) и полупроводниковые. Как отмечается в работе «Лазеры: устройство и действие» (Александр Маев), а также в материале «Классификация лазеров по типу активной среды», именно природа активного вещества задаёт спектральный диапазон и механизм накачки. Твердотельные лазеры, такие как рубиновый или неодимовый (на иттрий-алюминиевом гранате, YAG), используют кристаллические или стеклянные матрицы с ионами примесей. Их отличает возможность генерации высокоэнергетических импульсов, что делает их незаменимыми в материалальной обработке. Газовые лазеры, к которым относятся гелий-неоновые, аргоновые и CO2-лазеры, характеризуются высокой монохроматичностью и когерентностью излучения. CO2-лазер, активно упоминаемый в источниках, включая «Применение лазеров в науке и технике», является одним из наиболее мощных непрерывных лазеров инфракрасного диапазона, широко применяемым в промышленной резке и сварке. Особую группу составляют полупроводниковые лазеры (диодные), активная среда которых представляет собой p-n переход. Их компактность, высокий КПД и возможность прямой модуляции тока накачки обусловили доминирующую роль в оптоэлектронике, системах связи и потребительской технике. Жидкостные лазеры, например на растворах органических красителей, обладают уникальным свойством перестройки длины волны в широком спектральном диапазоне, что ценно для спектроскопических исследований. Дополнительными критериями для систематизации служат режим генерации (непрерывный, импульсный), метод накачки (оптическая, электрическая, инжекция тока), а также спектральный диапазон излучения (ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный). Каждый тип, обладая специфическим сочетанием параметров, занимает свою нишу в научных и прикладных областях, что будет подробно рассмотрено в последующих разделах, посвящённых практическому применению этих устройств.

Уникальные свойства лазерного излучения, такие как когерентность, монохроматичность и возможность достижения высокой плотности мощности, обусловили его широкое проникновение в различные области научных исследований и технических разработок. Как отмечается в работе «Применение лазеров в науке и технике», лазерные технологии стали неотъемлемым инструментом, кардинально изменившим подходы к решению фундаментальных и прикладных задач. В научной сфере лазеры нашли применение в спектроскопии, где их монохроматичность позволяет проводить высокоточные исследования энергетических уровней атомов и молекул, а также в интерферометрии, где когерентность излучения используется для измерений с нанометровой точностью. Лазерное охлаждение атомов, удостоенное Нобелевской премии, открыло новые направления в квантовой физике и метрологии, позволив создать атомные часы исключительной точности. В технических приложениях диапазон использования лазеров чрезвычайно широк. Материальная обработка, включая резку, сварку, гравировку и маркировку различных материалов, от металлов до полимеров, базируется на способности сфокусированного лазерного луча локально передавать большую энергию, как подробно описано в источнике «Лазеры: устройство и действие». В микроэлектронике лазеры используются для прецизионной обработки полупроводниковых пластин и фотолитографии, что является основой современного производства интегральных схем. Оптическая связь, основанная на передаче информации по волоконно-оптическим кабелям с помощью полупроводниковых лазеров, составляет основу глобальных телекоммуникационных сетей и интернета. Медицина представляет собой еще одну важнейшую область, где лазеры применяются в хирургии (лазерные скальпели), офтальмологии (коррекция зрения), дерматологии и стоматологии, обеспечивая минимально инвазивные процедуры с высокой точностью. Перспективы дальнейшего развития связаны с появлением новых типов лазеров и совершенствованием существующих технологий. Исследования в области ультракоротких импульсов, описанные в источнике eLibrary, открывают возможности для изучения сверхбыстрых процессов в веществе. Квантовые каскадные лазеры и лазеры на свободных электронах расширяют спектральный диапазон доступного излучения в инфракрасную и терагерцовую области, что важно для спектроскопии и диагностики. Таким образом, лазерные технологии продолжают оставаться динамично развивающейся областью, интегрирующей достижения фундаментальной науки и порождающей инновационные технические решения, которые определяют прогресс в смежных дисциплинах и промышленности.