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8/2/2019 Laser - Wikipedia, The Free Encyclopedia

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U n i t e d S t a te s A i r F o r c e l a s e r e x p e r i m e n t

R e d ( 6 3 5 n m ) , g r e e n ( 5 3 2 n m ) , a n d b l u e - v i o l e t

( 4 4 5 n m ) la s e r s

L a s e rF r o m W i k i p e d i a , t h e f re e e n c y c l o p e d i a

A l a s e r i s a d e v i c e t h a t e m i t s l i g h t ( e l e c t r o m a g n e t i c

r a d i a t i o n ) t h r o u g h a p r o c e s s o f o p t i c a l a m p l i f i c a ti o n b a s e d

o n t h e s t im u l a t e d e m i s s i o n o f p h o t o n s . T h e t e rm " l a s e r "

o r i g i n a t e d a s a n a c r o n y m f o r L i g h t A m p l i f i c a t i o n b y

S t i m u l a t e d E m i s s io n o f R a d i a t i o n . [1 ] [2 ] T h e e m i t t e d l a se rl ig h t i s n o t a b l e f o r i t s h i g h d e g r e e o f s p a t ia l a n d t e m p o r a l

c o h e r e n c e , u n a t t a in a b l e u s i n g o t h e r t e c h n o l o g i e s .

S p a t i a l c o h e r e n c e t y p i c a l l y i s e x p r e s s e d t h r o u g h t h e o u t p u t

b e i n g a n a r r o w b e a m w h i c h i s d i f f r a c t i o n - li m i t e d , o f t e n a

s o - c a l l e d " p e n c i l b e a m . " L a s e r b e a m s c a n b e f o c u s e d t o

v e r y t i n y s p o t s , a c h i e v i n g a v e r y h i g h i r r a d i a n c e . O r t h e y

c a n b e l a u n c h e d i n t o a b e a m o f v e r y l o w d i v e r g e n c e i n o r d e r

t o c o n c e n t r a t e th e i r p o w e r a t a la r g e d i s t a n c e .

T e m p o r a l ( o r lo n g i t u d i n a l ) c o h e r e n c e i m p l i e s a p o l a r iz e dw a v e a t a s i n g l e f re q u e n c y w h o s e p h a s e i s c o r re l a t ed o v e r a

r e l a t iv e l y l a r g e d i s t a n c e ( t h e c o h e r e n c e l e n g t h ) a l o n g t h e

b e a m . [3 ] A b e a m p r o d u c e d b y a t h e r m a l o r o t h e r i n c o h e r e n t

l i g h t s o u r c e h a s a n i n s t a n t a n e o u s a m p l i t u d e a n d p h a s e w h i c h

v a r y r a n d o m l y w i t h r e s p e c t to t i m e a n d p o s i t i o n , a n d t h u s a

v e r y s h o r t c o h e r e n c e l e n g t h .

M o s t s o - c a l le d " s i n g l e w a v e l e n g t h " l a s e r s a c tu a l l y p r o d u c e

r a d i a t io n i n s e v e r a l m o d e s h a v i n g s l ig h t l y d i f f e r e n t

f r e q u e n c i e s ( w a v e l e n g t h s ) , o f te n n o t i n a s in g l e p o l a r i z a t io n .A n d a l t h o u g h t e m p o r a l c o h e r en c e i m p l i e s

m o n o c h r o m a t i c it y , t h e r e a r e e v e n l a s e rs t h a t e m i t a b r o a d

s p e c t r u m o f l i g h t , o r e m i t d i ff e r e n t w a v e l e n g t h s o f l ig h t

s i m u l ta n e o u s l y . T h e r e a r e s o m e l a s e r s w h i c h a r e n o t s in g l e s p a t i a l m o d e a n d c o n s e q u e n t l y t h e i r l i g h t b e a m s

d i v e r g e m o r e t h a n r e q u i r e d b y t h e d i f f r a c t i o n l i m i t . H o w e v e r a l l s u c h d e v i c e s a r e c l a s s i f ie d a s " l a s e r s " b a s e d o n

t h e i r m e t h o d o f p r o d u c i n g t h a t l i g h t : s t im u l a te d e m i s s i o n . L a s e r s a r e e m p l o y e d i n a p p li c a t i o n s w h e r e li g h t o f t h e

r e q u i r e d s p a t ia l o r t e m p o r a l c o h e r e n c e c o u l d n o t b e p r o d u c e d u s i n g s i m p l e r te c h n o l o g i e s .

C o n t e n t s1 T e r m i n o l o g y2D e s i g n3 L a s e r p h y s i c s4C o n t i n u o u s a n d p u l s e d m o d e s o f o p e r a t io n

4 .1 C o n t in u o u s w a v e o p e r a ti o n4 .2 P u l s e d o p e r a t i o n

4 . 2 . 1 Q - s w i t c h i n g4 . 2 . 2 M o d e - l o c k i n g

i p e d i a , th e f r e e e n c y c l o p e d i a h t t p : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i / L a s e r

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L a s e r b e a m s i n fo g , r e f le c t e d o n a c a r

w i n d s h i e l d

4 . 2 . 3 P u l s e d p u m p i n g5 H i s t o r y

5 .1 F o u n d a t i o n s5 .2 M a s e r5 .3 L a s e r5 .4 R e c e n t i n n o v a t io n s

6T y p e s a n d o p e r a t i n g p r i n c i p le s6 .1 G a s l a s e r s

6 . 1 . 1 C h e m i c a l la s e rs6 . 1 . 2 E x c i m e r l a s er s

6 .2 S o l i d - s t a t e l a s e r s6 .3 F i b e r l a s e r s6 .4 P h o t o n i c c r y s t a l la s e r s6 .5 S e m i c o n d u c t o r l a se r s6 .6 D y e l a s e r s6 .7 F r e e e l e c t r o n l a s e r s6 .8 B i o l a se r6 .9 E x o t i c la s e r m e d i a

7

U s e s 7 .1 E x a m p l e s b y p o w e r7 .2 H o b b y u s e s

8 S a f e t y9A s w e a p o n s1 0 F i c t i o n a l p r e d i c t i o n s1 1 S e e a l s o1 2 R e f e r e n c e s1 3 E x t e r n a l li n k s

T e r m i n o l o g y

T h e w o r d l a s e r s t a r te d a s a n a c r o n y m f o r " l i g h t a m p l i f i c a t io n b y

s t im u l a t e d e m i s s io n o f r a d i a ti o n " ; i n m o d e r n u s a g e " l ig h t " b r o a d l y

d e n o t e s e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t io n o f a n y f r e q u e n c y , n o t o n l y v i s i b l e

l i g h t , h e n c e i n f r a r e d l a s e r , u l t r a v i o l e t l a s e r , X - r a y l a s e r , a n d s o o n .

B e c a u s e t h e m i c r o w a v e p r e d e c e s s o r o f t h e la s e r , t h e m a s e r , w a s

d e v e l o p e d f i r s t, d e v i c e s o f t h i s s o r t o p e r a t i n g a t m i c r o w a v e a n d r a d i o

f r e q u e n c i e s a r e r e f e r r e d t o a s " m a s e r s " r a t h e r th a n " m i c r o w a v e l a s e r s " o r

" r a d i o l a s e r s " . I n t h e e a r l y t e c h n i c a l l i te r a t u r e , e s p e c i a l l y a t B e l l

T e l e p h o n e L a b o r a t o r i e s , t h e l a s e r w a s c a l l e d a n o p t i c a l m a s e r ; t h i s t e r mi s n o w o b s o l e t e . [4 ]

A l a s e r w h i c h p r o d u c e s l i g h t b y i t s e l f i s t e c h n i c a l l y a n o p t i c a l o s c i l la t o r

r a t h e r t h a n a n o p t i c a l a m p l i f ie r a s s u g g e s t e d b y t h e a c r o n y m . I t h a s b e e n

h u m o r o u s l y n o t e d t h a t t h e a c r o n y m L O S E R , fo r " l ig h t o s c i l la t i o n b y s t im u l a t e d e m i s si o n o f r a d i a t io n , " w o u l d

h a v e b e e n m o r e c o r r e c t. [5 ] W i th t h e w i d e s p r e a d u s e o f t h e o r ig i n a l a c ro n y m a s a c o m m o n n o u n , a c tu a l o p t i c a l

a m p l i f i e r s h a v e c o m e t o b e r e f e r r e d t o a s " l a s e r a m p l i fi e r s " , n o t w i t h s ta n d i n g t h e a p p a r e n t r e d u n d a n c y in th a t

d e s i g n a t i o n .


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P r i n c ip a l c o m p o n e n t s :

1 . G a i n m e d i u m

2 . L a s e r p u m p i n g e n e r g y

3 . H i g h r e f l e c to r

4 . O u t p u t c o u p l e r

5 . L a s e r b e a m

T h e b a c k - f o r m e d v e r b t o l a s e i s f re q u e n t l y u s e d i n t h e f i e ld , m e a n i n g " t o p r o d u c e l a s e r l i g h t ," [6 ] e s p e c i a l l y in

r e f e re n c e t o t h e g a i n m e d i u m o f a l a s e r ; w h e n a l a s e r is o p e r a t i n g i t i s s a id t o b e " l a s i n g . " F u r t h e r u s e o f t h e

w o r d s l a s e r a n d m a s e r i n a n e x t e n d e d s e n s e , n o t r e f e rr i n g t o l a s e r te c h n o l o g y o r d e v i c e s , c a n b e s e e n i n u s a g e s

s u c h a s a s t r o p h y s i c a l m a s e r a n d a t o m l a s e r .

D e s i g n

M a i n a r t i c l e : L a s e r c o n s t r u c t i o n

A l a se r c o n s i s t s o f a g a i n m e d i u m i n s i d e a h ig h ly r e f l e c t i v e o p t i c a l

c a v i t y , a s w e l l a s a m e a n s t o s u p p l y e n e r g y to t h e g a i n m e d i u m . T h e g a i n

m e d i u m i s a m a t e r i a l w i t h p r o p e r t ie s t h a t a l lo w i t to a m p l i fy l i g h t b y

s t im u l a t e d e m i s s i o n . I n i t s s im p l e s t f o r m , a c a v i t y c o n s i s t s o f t w o m i r r o r s

a r r a n g e d s u c h t h a t l ig h t b o u n c e s b a c k a n d f o r t h , e a c h t im e p a s s i n g

t h r o u g h t h e g a i n m e d i u m . T y p i c a l l y o n e o f t h e t w o m i r ro r s , t h e o u t p u t

c o u p l e r , is p a r t i a l ly t r a n s p a r e n t . T h e o u t p u t l a s e r b e a m i s e m i t te d

t h r o u g h t h i s m i r r o r.

L i g h t o f a s p e c i f ic w a v e l e n g t h t h a t p a s s e s t h r o u g h t h e g a i n m e d i u m i sa m p l i f i e d ( i n c r e a s e s i n p o w e r ) ; t h e s u r r o u n d i n g m i r r o r s e n s u r e t h a t m o s t

o f t h e l i g h t m a k e s m a n y p a s s e s t h r o u g h t h e g a i n m e d i u m , b e i n g a m p l i f i e d

r e p e a t e d l y . P a r t o f th e l i g h t t h a t is b e t w e e n t h e m i r r o r s ( t h a t is , w i t h i n

t h e c a v i t y ) p a s s e s t h r o u g h t h e p a r t i a l l y t r a n s p a r e n t m i r r o r a n d e s c a p e s a s

a b e a m o f li g h t .

T h e p r o c e s s o f s u p p l y i n g t h e e n e r g y r e q u i r e d f o r t h e a m p l i fi c a t i o n i s c a l l e d p u m p i n g . T h e e n e r g y i s t y p i c a l l y

s u p p l i e d a s a n e l e c t r i c a l c u r r e n t o r a s li g h t a t a d i ff e r e n t w a v e l e n g t h . S u c h l i g h t m a y b e p r o v i d e d b y a f l a sh l a m p

o r p e r h a p s a n o t h e r l a s e r . M o s t p r a c t i c a l l a s e r s c o n t a i n a d d i t i o n a l e l e m e n t s t h a t a f f e c t p r o p e r t i e s s u c h a s t h e

w a v e l e n g t h o f t h e e m i t t e d l ig h t a n d t h e s h a p e o f t h e b e a m .

L a s e r p h y s i c s


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A h e l iu m - n e o n l a s er d e m o n s t r a t i o n a t

th e K a s t le r - B r o s s e l L a b o r a t o ry a t

U n i v . P a r i s 6 . T h e p i n k - o r a n g e g l o w

r u n n i n g t h r o u g h t h e c e n t e r o f t h e t u b e

i s f r o m t h e e l e c t r i c d i s c h a r g e w h i c h

i n a d v e r t e n t ly p r o d u c e s i n c o h e r e n t

l i g h t , ju s t a s i n a n e o n t u b e . T h a tg l o w i n g p l a sm a h o w e v e r a ls o a c t s a s

t h e g a i n m e d i u m t h ro u g h w h i c h t h e

i n t e r n a l b e a m p a s s e s a s i t i s r e f le c t e d

i n b e t w e e n t h e t w o m i r ro r s . L a s e r

r a d i a t io n o u t p u t f ro m t h e f r o n t m i r ro r

c a n b e s e e n t o p r o d u c e a t i n y ( a b o u t

1 m m i n d i a m e t e r ) i n te n s e s p o t o n t h e

s c r e e n t o t h e r i g h t . A l t h o u g h i t is a

d e e p a n d p u r e r e d c o l o r , s p o t s o f l a s e r

l i g h t a r e s o i n te n s e t h a t c a m e r a s a r et y p i c a l l y o v e r e x p o s e d a n d d i s t o r t t h e i r

c o l o r , o f t e n a p p e a r i n g m o r e w h i t e .


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5/23

S p e c t r u m o f a h e l i u m n e o n l a s e r

i l l u s tr a t i n g i t s v e r y h i g h s p e c t r a l p u r i t y

( l im i te d b y t h e m e a s u r i n g a p p a r a t u s ) .

T h e . 0 0 2 n m b a n d w i d t h o f t h e l a si n g

m e d i u m i s w e l l o v e r 1 0 , 0 0 0 t i m e s

n a r r o w e r t h a n t h e s p e c t r a l w i d t h o f a

l i g h t -e m i t ti n g d i o d e ( w h o s e s p e c t r u m

i s s h o w n h e r e f o r c o m p a r i s o n ) , w i t h

t h e b a n d w i d th o f a s i n g l e l o n g i t u d i n a l

m o d e b e i n g m u c h n a r r o w e r s t i ll .

S e e a l s o : L a s e r s c i e n c e

T h e g a i n m e d i u m o f a l a s e r i s a m a t e r i a l o f c o n t r o l le d p u r i ty , s i z e ,

c o n c e n t r a t i o n , a n d s h a p e , w h i c h a m p l i f i e s th e b e a m b y t h e p r o c e s s o f

s t im u l a te d e m i s si o n . I t c a n b e o f a n y s t a t e : g a s , l i q u i d , s o l i d , o r p l a s m a .

T h e g a i n m e d i u m a b s o r b s p u m p e n e r g y , w h i c h r a i s e s s o m e e l e c t r o n s i n t o

h i g h e r - e n e r g y ( " e x c i t e d " ) q u a n t u m s t a t e s . P a r t i c l e s c a n i n t e r a c t w i t h

l i g h t b y e i t h e r a b s o r b i n g o r e m i t t in g p h o t o n s . E m i s s io n c a n b e

s p o n t a n e o u s o r s t i m u l a t e d . I n th e l a t t e r c a s e , t h e p h o t o n i s e m i t te d i n t h es a m e d i r e c t io n a s t h e l ig h t t h a t i s p a s s i n g b y . W h e n t h e n u m b e r o f

p a r t i c l e s in o n e e x c i t e d s t a te e x c e e d s t h e n u m b e r o f p a r t ic l e s in s o m e

l o w e r - e n e r g y s t a t e, p o p u l a t i o n i n v e r s i o n i s a c h ie v e d a n d t h e a m o u n t o f

s t im u l a t e d e m i s s io n d u e t o l ig h t t h a t p a s s e s t h r o u g h i s l a r g e r t h a n t h e

a m o u n t o f a b s o r p t i o n . H e n c e , t h e l i g h t i s a m p l i f i e d . B y i t s e l f , t h i s m a k e s

an o p t i c a l a m p l i f i e r . W h e n a n o p t i c a l a m p l i f ie r i s p l a c e d i n s id e a

r e s o n a n t o p t i c a l c a v i t y , o n e o b t a i n s a l a s e r.

T h e l i g h t g e n e r a t e d b y s t i m u l a t e d e m i s s io n i s v e r y s i m i l a r to t h e i n p u t

s i g n a l in t e r m s o f w a v e l e n g t h , p h a s e , a n d p o l a r iz a t i o n . T h i s g i v e s l a s e r

l i g h t it s c h a r a c t e r i s t ic c o h e r e n c e , a n d a l l o w s i t t o m a i n t a i n t h e u n i f o r m

p o la r i z a t i o n a n d o ft e n m o n o c h ro m a t i c i t y e s t a b li s h e d b y t h e o p t i c a l

c a v i ty d e s i g n .

T h e o p t i c a l r e s o n a t o r i s s o m e t i m e s r e f e r r e d t o a s a n " o p t i c a l c a v i t y " , b u t th i s i s a m i s n o m e r : l a s e r s u s e o p e n

r e s o n a t o r s a s o p p o s e d t o t h e l i te r a l c a v i t y t h a t w o u l d b e e m p l o y e d a t m i c r o w a v e f re q u e n c i e s i n a m a s e r . T h e

r e s o n a t o r t y p i c a l l y c o n s i s t s o f t w o m i r r o r s b e t w e e n w h i c h a c o h e r e n t b e a m o f l i g h t t r a v e l s i n b o t h d i r e c t i o n s ,

r e f l e c ti n g b a c k o n i t s e l f s o t h a t a n a v e r a g e p h o t o n w i l l p a s s t h r o u g h t h e g a i n m e d i u m r e p e a t e d l y b e f o r e i t i s

e m i t te d f r o m t h e o u t p u t a p e r t u r e o r l o s t to d i f f r a c t io n o r a b s o r p t i o n . I f t h e g a i n ( a m p l i f i c a t i o n ) in t h e m e d i u m i s

l a r g e r t h a n t h e r e s o n a t o r l o s s e s , th e n t h e p o w e r o f t h e r e c i r c u l a t in g l i g h t c a n r i s e e x p o n e n t i a l l y . B u t e a c hs t i m u l a t e d e m i s s i o n e v e n t r e t u r n s a n a t o m f r o m i t s e x c i t e d s t a t e t o t h e g r o u n d s t a t e , r e d u c i n g t h e g a i n o f t h em e d i u m . W i t h i n c r ea s i n g b e a m p o w e r t h e n e t g a i n ( g a i n t im e s l o s s ) r e d u c e s t o u n i t y a n d t h e g a i n m e d i u m i s s a i d

t o b e s a t u r a t e d . In a c o n t i n u o u s w a v e ( C W ) l a s e r , t h e b a l a n c e o f p u m p p o w e r a g a i n s t g a i n s a t u r a t i o n a n d c a v i t y

l o s s e s p r o d u c e s a n e q u i l ib r i u m v a l u e o f t h e l a s e r p o w e r i n s id e t h e c a v i t y ; th i s e q u i l i b r i u m d e t e r m i n e s t h e

o p e r a t in g p o i n t o f t h e la s e r . I f th e a p p l i e d p u m p p o w e r i s to o s m a l l , t h e g a i n w i l l n e v e r b e s u f f i c ie n t t o o v e r c o m e

t h e r e s o n a t o r l o s s e s , a n d l a s e r l i g h t w i l l n o t b e p r o d u c e d . T h e m i n i m u m p u m p p o w e r n e e d e d t o b e g i n l a s e r

a c t i o n i s c a l l e d t h e l a s i n g t h r e s h o l d . T h e g a i n m e d i u m w i l l a m p l i f y a n y p h o t o n s p a s s i n g t h r o u g h i t , re g a r d l e s s o f

d i r e c t i o n ; b u t o n l y t h e p h o t o n s i n a s p a t i a l m o d e s u p p o r t e d b y th e r e s o n a t o r w i l l p a s s m o r e t h a n o n c e t h r o u g h

t h e m e d i u m a n d r e c e i v e s u b s t a n t i a l a m p l i fi c a t i o n .

T h e b e a m i n t h e c a v i t y a n d t h e o u t p u t b e a m o f t h e l a s e r , w h e n t r a v e ll i n g i n f re e s p a c e ( o r a h o m o g e n o u s

m e d i u m ) ra t h e r t h a n w a v e g u i d e s ( a s i n a n o p t i c a l f i b e r l a s e r ) , c a n b e a p p r o x i m a t e d a s a G a u s s i a n b e a m i n m o s tl a s e rs ; s u c h b e a m s e x h i b i t t h e m i n i m u m d i v e r g e n c e f o r a g i v e n d i a m e t e r . H o w e v e r s o m e h i g h p o w e r l a s e r s m a y

b e m u l ti m o d e , w i th t h e t r a n s v e r se m o d e s o f t e n a p p r o x i m a t e d u s in g He r m i t e -G a u s s i a n o r L a g u e r r e - G a u s s i a n

f u n c t i o n s . I t h a s b e e n s h o w n t h a t u n s t a b l e l a s e r re s o n a t o r s ( n o t u s e d i n m o s t l a s e r s ) p r o d u c e f r a c ta l s h a p e d

b e a m s . [7 ] N e a r th e b e a m " w a i s t " ( o r f o c a l r e g i o n ) i t is h i g h l y c o l l i m a t e d : t h e w a v e f r o n t s a r e p l a n a r , n o r m a l t o

t h e d i r e c t io n o f p r o p a g a t i o n , w i t h n o b e a m d i v e r g e n c e a t t h a t p o i n t . H o w e v e r d u e t o d i f f r a c t i o n , th a t c a n o n l y

r e m a i n t r u e w e l l w i t h i n t h e R a y l e i g h r a n g e . T h e b e a m o f a s in g l e t r a n s v e r s e m o d e ( g a u s s ia n b e a m ) l a se r

e v e n t u a l l y d i v e r g e s a t a n a n g l e w h i c h v a r i e s i n v e r s e l y w i th t h e b e a m d i a m e t e r , a s r e q u i r e d b y d i f f r a c t i o n t h e o r y .

T h u s , t h e " p e n c i l b e a m " d i r e c t ly g e n e r a t e d b y a c o m m o n h e l i u m - n e o n l a s e r w o u l d s p r e a d o u t t o a s i z e o f

p e rh a p s 5 0 0 k i lo m e t e r s w h e n s h o n e o n th e M o o n ( f r o m t h e d i s t a n c e o f t h e e a r t h ). O n t h e o t h e r h a n d t h e l i g h t


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f ro m a s e m i c o n d u c t o r l a s e r t y p i c a l ly e x i ts t h e t i n y c r y s t a l w i t h a l a r g e d i v e r g e n c e : u p t o 5 0 . H o w e v e r e v e n

s u c h a d i v e r g e n t b e a m c a n b e t r a n s f o r m e d i n t o a s i m i l a r l y c o l li m a t e d b e a m b y m e a n s o f a l e n s s y s t e m , a s is

a l w a y s i n c l u d e d , f o r i n s t a n c e , i n a l a s e r p o i n t e r w h o s e l i g h t o r ig i n a t e s f ro m a l a s e r d i o d e . T h a t i s p o s s i b l e d u e t o

t h e l i g h t b e i n g o f a s i n g l e s p a t ia l m o d e . T h i s u n i q u e p r o p e r t y o f l a s e r l i g h t , s p a t i a l c o h e r e n c e , c a n n o t b e

r e p l i c a te d u s i n g s t a n d a r d l i g h t s o u r c e s ( e x c e p t b y d i s c a r d i n g m o s t o f t h e l ig h t ) a s c a n b e a p p r e c i a t e d b y

c o m p a r i n g t h e b e a m f r o m a f l a s h l i g h t ( t o r c h ) o r s p o t l ig h t t o t h a t o f a l m o s t a n y l a s e r .

T h e m e c h a n i s m o f p r o d u c i n g r a d i a t i o n i n a l a s e r r e l ie s o n s t im u l a t e d e m i s s i o n , w h e r e e n e r g y i s e x t r a c te d f r o m a

t ra n s i ti o n i n a n a to m o r m o l e c u l e . T h i s is a q u a n t u m p h e n o m e n o n d i s c o v e r e d b y E i n s t e i n w h o d e r i v e d t h er e l a ti o n s h i p b e t w e e n t h e A c o e f f i c ie n t d e s c r i b i n g s p o n t a n e o u s e m i s s i o n a n d t h e B c o ef f i c i e n t w h i c h a p p l i e s t o

a b s o r p t i o n a n d s t i m u l a t e d e m i s s i o n . H o w e v e r i n t h e c a s e o f t h e f r e e e l e c t r o n l a s e r , a t o m i c e n e r g y l e v e l s a re n o t

i n v o l v e d ; i t a p p e a r s t h a t th e o p e r a t io n o f t h i s r a t h e r e x o t i c d e v i c e c a n b e e x p l a i n e d w i th o u t r e f e r e n c e t o

q u a n t u m m e c h a n ic s .

C o n t i n u o u s a n d p u l s e d m o d e s o f o p e r a t i o n

A l a s e r c a n b e c l a s s if i e d a s o p e r a t in g i n e i t h e r c o n t i n u o u s o r p u l s e d m o d e , d e p e n d i n g o n w h e t h e r t h e p o w e r

o u t p u t i s e s s e n t ia l l y c o n t i n u o u s o v e r t i m e o r w h e t h e r i t s o u t p u t t a k e s t h e f o r m o f p u l s e s o f l ig h t o n o n e o r

a n o t h e r t im e s c a l e . O f c o u r s e e v e n a l a s e r w h o s e o u t p u t i s n o r m a l l y c o n t i n u o u s c a n b e i n t e n t i o n a l l y t u r n e d o na n d o f f a t s o m e r a t e i n o r d e r t o c r e a te p u l s e s o f l i g h t . W h e n t h e m o d u l a t i o n r a t e i s o n t i m e s c a l e s m u c h s l o w e r

t h a n t h e c a v i t y l i f e ti m e a n d t h e t im e p e r i o d o v e r w h i c h e n e r g y c a n b e s t o r e d i n t h e l a s in g m e d i u m o r p u m p i n g

m e c h a n i s m , t h e n i t is s t il l c la s s i fi e d a s a " m o d u l a t e d " o r " p u l s e d " c o n t i n u o u s w a v e l a s e r . M o s t l a s e r d io d e s u s e d

i n c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s f a l l i n t h a t c a t e g o r y .

C o n t i n u o u s w a v e o p e r a t io n

S o m e a p p l i c a t io n s o f l a s e r s d e p e n d o n a b e a m w h o s e o u t p u t p o w e r is c o n s t a n t o v e r t im e . S u c h a l a s e r i s k n o w n

a s c o n t i n u o u s w a v e ( C W ) . M a n y t y p e s o f l a s e rs c a n b e m a d e t o o p e r a t e in c o n t i n u o u s w a v e m o d e t o s a t is f y s u c h

a n a p p l i c a t io n . M a n y o f t h e s e l a s e r s a c t u a l ly l a s e i n s e v e r a l l o n g i t u d i n a l m o d e s a t t h e s a m e t i m e , a n d b e a t sb e t w e e n t h e s l ig h t l y d i f f e r e n t o p t i c a l f r e q u e n c i e s o f t h o s e o s c i l la t i o n s w i l l i n f a c t p r o d u c e a m p l i tu d e v a r i a t io n s

o n t i m e s c a l e s s h o r t e r t h a n t h e r o u n d - t r i p t i m e ( t h e r e c i p r o c a l o f t h e f r e q u e n c y s p a c i n g b e t w e e n m o d e s ) ,

t y p i c a l l y a f e w n a n o s e c o n d s o r l e s s . I n m o s t c a s e s t h e s e l a s e rs a r e s t i l l te r m e d " c o n t i n u o u s w a v e " a s th e i r o u t p u t

p o w e r i s s te a d y w h e n a v e r a g e d o v e r a n y l o n g e r t i m e p e r i o d s , w i t h t h e v e r y h i g h f r e q u e n c y p o w e r v a r i a t io n s

h a v i n g l i tt l e o r n o i m p a c t i n t h e i n te n d e d a p p l i c a t io n . ( H o w e v e r t h e t e rm i s n o t a p p l i e d t o m o d e - l o c k e d l a s e r s ,

w h e r e t h e i n t e n t i o n i s t o c r e a t e v e r y s h o r t p u l s e s a t t h e r a t e o f t h e r o u n d - t r i p t im e ) .

F o r c o n t i n u o u s w a v e o p e r a t i o n i t i s r e q u i re d f o r t h e p o p u l a t io n i n v e r s i o n o f t h e g a i n m e d i u m t o b e c o n t i n u a l l y

r e p l e n i s h e d b y a s t e a d y p u m p s o u r c e . I n s o m e l a s in g m e d i a t h i s i s im p o s s i b l e . In s o m e o t h e r l a s e r s i t w o u l d

r e q u i re p u m p i n g t h e l a se r a t a v e r y h i g h c o n t in u o u s p o w e r l e v e l w h i c h w o u l d b e i m p r a c t i c a l o r d e s t r o y t h e l a s e r

b y p r o d u c i n g e x c e s s i v e h e a t . S u c h l a s e r s c a n n o t b e r u n i n C W m o d e .

P u l s e d o p e r a t i o n

P u l s e d o p e r a t i o n o f l a s e r s r e f e r s t o a n y l a s e r n o t c l a s s i f i e d a s c o n t i n u o u s w a v e , s o t h a t t h e o p t i c a l p o w e r a p p e a r s

i n p u l s e s o f s o m e d u r a t io n a t s o m e r e p e t i t io n r a t e . T h i s e n c o m p a s s e s a w i d e r a n g e o f t e c h n o l o g i e s a d d r e s s i n g a

n u m b e r o f d i ff e r e n t m o t i v a t i o n s . S o m e l a s e r s a r e p u l s e d s i m p l y b e c a u s e t h e y c a n n o t b e r u n i n c o n t i n u o u s m o d e .

I n o t h e r c a s e s t h e a p p l i c a t io n r e q u i r e s t h e p r o d u c t i o n o f p u l s e s h a v i n g a s l a r g e a n e n e r g y a s p o s s i b le . S i n c e t h e

p u l s e e n e r g y i s e q u a l t o t h e a v e r a g e p o w e r d i v i d e d b y t h e r e p e t i t io n r a t e , t h i s g o a l c a n s o m e t i m e s b e s a t i sf i e d b y


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l o w e r i n g t h e r a t e o f p u l s e s s o t h a t m o r e e n e r g y c a n b e b u i l t u p i n b e t w e e n p u l s e s . I n l a s e r a b l a t i o n f o r e x a m p l e ,

a s m a l l v o l u m e o f m a t e r ia l a t t h e s u r f a c e o f a w o r k p i e c e c a n b e e v a p o r a t e d i f it i s h e a t e d i n a v e r y s h o r t t i m e ,

w h e r e a s s u p p l y i n g t h e e n e r g y g r a d u a l l y w o u l d a l l o w f o r t h e h e a t t o b e a b s o r b e d i n t o t h e b u l k o f t h e p i e c e , n e v e r

a t t a i n i n g a s u f f ic i e n t l y h i g h t e m p e r a t u r e a t a p a r t i c u l a r p o i n t .

O t h e r a p p l i c a t io n s r e l y o n t h e p e a k p u l s e p o w e r ( ra t h e r th a n t h e e n e r g y i n t h e p u l s e ) , e s p e c i a l l y i n o r d e r t o

o b t a i n n o n l in e a r o p t i c a l e f f e c t s . F o r a g i v e n p u l s e e n e r g y , th i s r e q u i r e s c r e a t i n g p u l s e s o f t h e s h o r t e s t p o s s i b l e

d u r a t i o n u t i l iz i n g t e c h n i q u e s s u c h a s Q - s w i t c h i n g .

T h e o p t i c a l b a n d w i d t h o f a p u l s e c a n n o t b e n a r r o w e r t h a n t h e r e c ip r o c a l o f t h e p u l s e w i d t h . I n t h e c a s e o f

e x t r e m e l y s h o r t p u l s e s , t h a t im p l i e s l a s i n g o v e r a c o n s i d e r a b le b a n d w i d t h , q u i t e c o n t r a r y t o th e v e r y n a r r o w

b a n d w i d t h s t y p ic a l o f C W l a s e r s . T h e l a s i n g m e d i u m i n s o m e d y e l a s e r s a n d v i b r o n i c s o l i d - s t a t e l a s e r s

p r o d u c e s o p t i c a l g a in o v e r a w i d e b a n d w i d th , m a k i n g a l a s e r p o s s i b l e w h i c h c a n t h u s g e n e r a t e p u l s e s o f l i g h t a s

s h o r t a s a f e w f e m t o s e c o n d s ( 1 0 1 5 s ) .

Q - s w i t c h i n g

M a i n a r t i c l e : Q - s w i t c h i n g

I n a Q - s w i t c h e d l a s e r , th e p o p u l a t i o n i n v e r s io n i s a l l o w e d t o b u i l d u p b y i n t r o d u c i n g l o s s i n s i d e t h e r e s o n a t o r

w h i c h e x c e e d s t h e g a i n o f t h e m e d i u m ; t h i s c a n a l s o b e d e s c r i b e d a s a r e d u c t i o n o f t h e q u a l i ty f a c t o r o r 'Q ' o f

t h e c a v i ty . T h e n , a f t e r t h e p u m p e n e r g y s t o r e d i n t h e l a s e r m e d i u m h a s a p p r o a c h e d t h e m a x i m u m p o s s i b le l e v e l ,

t h e i n t r o d u c e d l o s s m e c h a n i s m ( o f t e n a n e l e c t r o - o r a c o u s t o - o p t i c a l e l e m e n t ) is r a p i d l y r e m o v e d ( o r t h a t o c c u rs

b y i t s e l f i n a p a s s i v e d e v i c e ) , a l lo w i n g l a s i n g t o b e g i n w h i c h r a p i d l y o b t a i n s t h e s t o r e d e n e r g y i n t h e g a i n

m e d i u m . T h i s r e s u l t s in a s h o r t p u l s e i n c o r p o r a t i n g t h a t e n e r g y , a n d t h u s a h i g h p e a k p o w e r .

M o d e - l o c k i n g

M a i n a r t i c l e : M o d e - l o c k in g

A m o d e - l o c k e d l a s e r i s c a p a b l e o f e m i t t i n g e x t r e m e l y s h o r t p u l s e s o n t h e o r d e r o f t e n s o f p i c o s e c o n d s d o w n t o

l e s s t h a n 1 0 f e m t o s e c o n d s . T h e s e p u l s e s w i l l r e p e a t a t th e r o u n d t r i p t im e , t h a t is , th e t i m e t h a t i t t a k e s l i g h t to

c o m p l e t e o n e r o u n d t r ip b e t w e e n t h e m i r r o r s c o m p r i s i n g t h e r e s o n a t o r . D u e t o t h e F o u r i e r li m i t ( a ls o k n o w n a s

e n e r g y - t i m e u n c e r t a i n t y ) , a p u l s e o f s u c h s h o r t t e m p o r a l l e n g t h h a s a s p e c t r u m s p r e a d o v e r a c o n s i d e r a b l e

b a n d w i d t h . T h u s s u c h a g a i n m e d i u m m u s t h a v e a g a i n b a n d w i d t h s u f f ic i e n t ly b r o a d t o a m p l i f y t h o s e

f r e q u e n c i e s . A n e x a m p l e o f a s u i t a b l e m a t e r i a l i s t i t a n i u m - d o p e d , a r t i f i c i a l ly g r o w n s a p p h i r e ( T i : s a p p h i r e ) w h i c h

h a s a v e r y w i d e g a i n b a n d w i d t h a n d c a n t h u s p r o d u c e p u l s e s o f o n l y a f e w f e m t o s e c o n d s d u r a t i o n .

S u c h m o d e - l o c k e d l a s e r s a r e a m o s t v e r s a t il e t o o l f o r r e s e a r c h i n g p r o c e s s e s o c c u r r i n g o n e x t r e m e l y s h o r t ti m e

s c a l e s ( k n o w n a s fe m t o s e c o n d p h y s i c s , f e m t o s e c o n d c h e m i s t r y a n d u l t r a f a s t s c i e n c e ) , f o r m a x i m i z i n g t h e e f f e c t

o f n o n l i n e a r i t y i n o p t i c a l m a t e r i a l s ( e . g . in s e c o n d - h a r m o n i c g e n e r a ti o n , p a r a m e t r i c d o w n - c o n v e r s i o n , o p t i c a lp a ra m e t ri c o s c i ll a t o rs a n d t h e l i k e ) d u e t o t h e l a r g e p e a k p o w e r , a n d i n a b l a t io n a p p l i c a t io n s . [c i t a t i o n n e e d e d ]

A g a i n , b e c a u s e o f t h e e x t r e m e l y s h o r t p u l s e d u r a t io n , s u c h a l a s e r w i l l p r o d u c e p u l s e s w h i c h a c h i e v e a n

e x t r e m e l y h ig h p e a k p o w e r .

P u l s e d p u m p i n g

A n o t h e r m e t h o d o f a c h i e v i n g p u l s e d l a s e r o p e r a t i o n i s to p u m p t h e l a s e r m a t e r i a l w i t h a s o u r c e t h a t i s it s e l f

p u l s e d , e i t h e r th r o u g h e l e c t r o n i c c h a r g i n g i n t h e c a s e o f f l a s h l a m p s , o r a n o t h e r l a s e r w h i c h i s a l r e a d y p u l s e d .

P u l s e d p u m p i n g w a s h i s t o r i c a l ly u s e d w i t h d y e l a s e r s w h e r e t h e in v e r t e d p o p u l a t io n l i fe t im e o f a d y e m o l e c u l e


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A l e k s a n d r P r o k h o r o v

w a s s o s h o r t t h a t a h i g h e n e r g y , f a s t p u m p w a s n e e d e d . T h e w a y t o o v e r c o m e t h i s p r o b l e m w a s t o c h a r g e u p

l a r g e c a p a c i t o r s w h i c h a r e t h e n s w i t c h e d t o d i s c h a r g e t h r o u g h f l a s h l a m p s , p r o d u c i n g a n i n t e n s e f l a s h . P u l s e d

p u m p i n g i s a l s o r e q u i r e d f o r t h r e e - l e v e l l a s e r s i n w h i c h t h e l o w e r e n e r g y l e v e l r a p i d l y b e c o m e s h i g h l y p o p u l a t e d

p r e v e n t i n g f u r t h e r l a s in g u n t i l t h o s e a t o m s r e l a x t o t h e g r o u n d s t a t e . T h e s e l a s e r s , s u c h a s t h e e x c i m e r l a s e r a n d

t h e c o p p e r v a p o r l a s e r , c a n n e v e r b e o p e r a te d i n C W m o d e .

H i s t o r y

F o u n d a t io n s

I n 1 9 1 7 , A l b e r t E i n s t e i n e s t a b l is h e d t h e t h e o r e t i c f o u n d a t i o n s f o r th e l a s e r a n d t h e m a s e r i n t h e p a p e r Z u r

Q u a n t e n t h e o r i e d e r S t r a h l u n g ( O n t h e Q u a n t u m T h e o r y o f R a d i a t i o n ) ; v i a a r e - d e ri v a t io n o f M a x P l a n c k s l a w

o f r a d i a t io n , c o n c e p t u a l l y b a s e d u p o n p r o b a b i l i ty c o e f f i c i e n t s ( E i n s t e i n c o e f f i c i e n t s ) f o r t h e a b s o r p t i o n ,

s p o n t a n e o u s e m i s s i o n , a n d s t i m u l a t e d e m i s s i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n ; i n 1 9 2 8 , R u d o l f W . L a d e n b u r gc o n f i r m e d t h e e x i s te n c e s o f t h e p h e n o m e n a o f s t i m u l a t e d e m i s s i o n a n d n e g a t i v e a b s o r p t i o n ; [8 ] i n 1 9 3 9 , V a l e n t in

A . F a b r ik a n t p r e d i c t e d t h e u s e o f s ti m u l a t e d e m i s s io n t o a m p l i f y s h o r t w a v e s ; [9 ] i n 1 9 4 7 , W i l l i s E . L a m b a n d

R . C . R e t h e r f o r d f o u n d a p p a r e n t s t i m u l a t e d e m i s s i o n i n h y d r o g e n s p e c t r a a n d e f f e c t e d t h e f i r s t d e m o n s t r a t i o n o f

s t im u l a t e d e m i s s io n ;[8 ]

i n 1 9 5 0 , A l f r e d K a s t le r ( N o b e l P r i z e f o r P h y s i c s 1 9 6 6 ) p r o p o s e d t h e m e t h o d o f o p t i c a lp u m p in g , e x p e r i m e n t a l l y c o n f i r m e d , t w o y e a r s la t e r , b y B r o s s e l , K a s t l e r , a n d W i n t e r . [ 1 0 ]

M a s e r

M a i n a r t i c l e : M a s e r

I n 1 9 5 3 , C h a r l e s H a r d T o w n e s a n d g r a d u a t e s tu d e n t s J a m e s P . G o r d o n a n d

H e r b e r t J . Z e i g e r p r o d u c e d t h e f i rs t m i c r o w a v e a m p l i f ie r , a d e v i c e o p e r a t in g o n

s i m i l a r p r i n c i p l e s t o t h e l a s e r , b u t a m p l i f y i n g m i c r o w a v e r a d i a t i o n r a t h e r t h a n

i n f r a r e d o r v i s ib l e r a d i a ti o n . T o w n e s ' s m a s e r w a s i n c a p a b l e o f c o n t i n u o u s o u t p u t .[ c i t a t i o n n e e d e d ] M e a n w h i l e , i n t h e S o v i e t U n i o n , N i k o la y B a s o v a n d A l e k s a n d r

P r o k h o r o v w e r e in d e p e n d e n t l y w o r k i n g o n t h e q u a n t u m o s c i l l a t o r a n d s o l v e d t h e

p r o b l e m o f c o n t in u o u s - o u tp u t s y s t e m s b y u s i n g m o r e t h a n t w o e n e r g y l e v e l s .

T h e s e g a i n m e d i a c o u l d r e le a s e s t i m u l a t e d e m i s s i o n s b e t w e e n a n e x c i t e d s t a te

a n d a l o w e r e x c i t e d s t a t e , n o t t h e g r o u n d s t a t e , f a c i l i t a t in g t h e m a i n t e n a n c e o f a

p o p u l a t i o n i n v e r s i o n . I n 1 9 5 5 , P r o k h o r o v a n d B a s o v s u g g e s t e d o p t i c a l p u m p i n g

o f a m u l t i - l e v e l s y s te m a s a m e t h o d f o r o b t a i n i n g t h e p o p u l a t i o n i n v e r s i o n , l a t e r

a m a i n m e t h o d o f l a se r p u m p i n g .

T o w n e s r e p o r t s th a t s e v e r a l e m i n e n t p h y s i c i s ts a m o n g t h e m N ie ls B o h r , J o h n

v o n N e u m a n n , I s id o r R a b i , P o l y k a rp K u s c h , a n d L l e w e l l y n T h o m a s

a r g u e dt h e m a s e r v i o l a te d H e i s e n b e r g 's u n c e r t a i n ty p r i n c i p l e a n d h e n c e c o u l d n o t w o r k . [1 ] ( h t t p : / / b o o k s . g o o g l e . c o m

/ b o o k s ? i d = V r b D 4 1 G G e J Y C & p g = P A 6 9 & l p g = P A 6 9 &

d q = % 2 2 n i e l s + b o h r% 2 2 + r a b i + k u s c h + v o n + n e u m a n n + l a s e r& s o u rc e = w e b & o t s = 0 _ A 7 O u r a m T &

s i g = 4 R 4 y T m k 6 S m J T N 8 m Z a i O M z g g - L O 4 ) I n 1 9 6 4 C h a r l e s H . T o w n e s , N i k o l a y B a s o v , a n d A l e k s a n d r

P r o k h o r o v s h a r ed t h e N o b e l P r i z e i n P h y s i c s , f o r f u n d a m e n t a l w o r k i n t h e f i e l d o f q u a n t u m e l e c t ro n i c s , w h i c h

h a s l e d t o t h e c o n s t ru c t io n o f o s c i l la t o r s a n d a m p l i f i e r s b a s e d o n t h e m a s e r l a s e r p r i n c i p l e .

L a s e r


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M
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L A S E R n o t e b o o k : F i r s t p a g e o f t h e

n o t e b o o k w h e r e i n G o r d o n G o u l d

c o i n e d th e L A S E R a c r o n y m , a n d

d e s c r i b e d t h e t e c h n o l o g i c e l e m e n t s f o r

c o n s t r u c t i n g t h e d e v i c e .

I n 1 9 5 7 , C h a r l e s H a r d T o w n e s a n d A r t h u r L e o n a r d S c h a w l o w , t h e n a t B e l l L a b s , b e g a n a s e r i o u s s t u d y o f t h e

i n f ra r e d l a s e r . A s i d e a s d e v e l o p e d , t h e y a b a n d o n e d i n f r a r e d r a d i a ti o n t o i n s te a d c o n c e n t r a te u p o n v i s i b l e l i g h t .

T h e c o n c e p t o r ig i n a l l y w a s c a l l e d a n " o p t ic a l m a s e r " . I n 1 9 5 8 , B e l l L a b s f i l e d a p a t e n t a p p l ic a t i o n f o r t h e i r

p r o p o s e d o p t i c a l m a s e r ; a n d S c h a w l o w a n d T o w n e s s u b m i t t e d a m a n u s c r ip t o f th e i r t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s t o

t h e P h y s i c a l R e v i e w , p u b l i s h e d t h a t y e a r in V o l u m e 1 1 2 , I s s u e N o . 6 .

S i m u l t a n e o u s l y , a t C o l u m b i a U n i v e r s it y , g r a d u a t e s tu d e n t G o r d o n G o u l d

w a s w o r k in g o n a d o c t o r a l t h e s i s a b o u t t h e e n e r g y l e v e l s o f e x c i t e d

t h a l l i u m . W h e n G o u l d a n d T o w n e s m e t , th e y s p o k e o f r a d i a t io ne m i s s i o n , a s a g e n e r a l s u b j e c t ; a ft e rw a r d s , i n N o v e m b e r 1 9 5 7 , G o u l d

n o t e d h i s id e a s f o r a l a s e r , in c l u d i n g u s i n g a n o p e n r e s o n a t o r ( l a t e r a n

e s s e n t i a l l a s e r - d e v i c e c o m p o n e n t ) . M o r e o v e r , in 1 9 5 8 , P r o k h o r o v

i n d e p e n d e n t l y p r o p o s e d u s i n g a n o p e n r e s o n a t o r , t h e f i rs t p u b l i s h e d

a p p e a r a n c e ( t h e U S S R ) o f t h i s i d e a . E l s e w h e r e , i n t h e U . S . , S c h a w l o w

a n d T o w n e s h a d a g r e e d t o a n o p e n - r e s o n a to r l a s e r d e s i g n a p p a r e n t l y

u n a w a r e o f P r o k h o r o v s p u b l i c a t i o n s a n d G o u l d s u n p u b l i s h e d l a s e r

w o r k .

A t a c o n f e r e n c e in 1 9 5 9 , G o r d o n G o u l d p u b l is h e d t h e te r m L A S E R i n

t h e p a p e r T h e L A S E R , L i g h t A m p l i fi c a t io n b y S t i m u l a t e d E m i s s i o n o f

R a d i a ti o n . [1 ] [5 ] G o u l d s l i n g u i s t ic i n t e n t i o n w a s u s i n g t h e - a s e r w o r d

p a r t i c l e a s a s u f f i x t o a c c u r a t e l y d e n o t e t h e s p e c t r u m o f t h e l ig h t

e m i t te d b y t h e L A S E R d e v i c e ; th u s x - r a y s : x a se r , u l t r a v i o l e t : u v a s e r , e t

c e t e r a ; n o n e e s t a b l i s h e d i t s e l f a s a d i s c r e t e t e r m , a l t h o u g h r a s e r w a s

b r i e f l y p o p u l a r f o r d e n o t i n g r a d i o - f r e q u e n c y - e m i t t i n g d e v i c e s .

G o u l d s n o t e s i n c l u d e d p o s s i b l e a p p l i c a t i o n s f o r a l a s e r, s u c h a s

s p e c t r o m e t r y , i n t e r f e r o m e t r y , r a d a r , a n d n u c l e a r f u s i o n . H e c o n t i n u e d

d e v e l o p i n g t h e i d e a , a n d f i le d a p a t e n t a p p l i c a t i o n i n A p r i l 1 9 5 9 . T h e

U . S . P a t e n t O f f ic e d e n i e d h i s a p p l i c a t io n , a n d a w a r d e d a p a t e n t t o B e l l L a b s , i n 1 9 6 0 . T h a t p r o v o k e d a t w e n t y -e i g h t - y e a r l a w s u i t , f e a tu r i n g s c i e n t if i c p r e s ti g e a n d m o n e y a s t h e s t a k e s . G o u l d w o n h i s f i r s t m i n o r p a t e n t i n

1 9 7 7 , y e t i t w a s n o t u n t i l 1 9 8 7 t h a t h e w o n t h e f i r s t s i g n i f ic a n t p a t e n t la w s u i t v ic t o r y , w h e n a F e d e r a l ju d g e

o r d e r e d t h e U . S . P a t e n t O f f ic e t o i s s u e p a t e n t s to G o u l d f o r t h e o p t i c a l l y p u m p e d a n d t h e g a s d i s c h a r g e l a s e r

d e v i c e s . T h e q u e s t i o n o f j u s t h o w t o a s s i g n c r e d i t f o r i n v e n t in g t h e l a s e r r e m a i n s u n r e s o l v e d b y h i s t o r ia n s . [ 1 1 ]

O n M a y 1 6 , 1 9 6 0 , T h e o d o r e H . M a i m a n o p e r a t e d t h e f i r s t f u n c t i o n i n g l a s e r , [ 1 2 ] [ 1 3 ] a t H u g h e s R e s ea r c h

L a b o r a t o r i e s , M a l i b u , C a l i f o r n i a , a h e a d o f s e v e r a l r e s e a r c h t e a m s , in c l u d i n g t h o s e o f T o w n e s , a t C o l u m b i a

U n i v e r s i t y , A r t h u r S c h a w l o w , a t B e l l L a b s , [ 1 4 ] a n d G o u l d , a t th e T R G ( T e c h n i c a l R e s e a r c h G r o u p ) c o m p a n y .

M a i m a n s f u n c t i o n a l l a s e r u s e d a s o l i d - s t a t e f l a s h l a m p - p u m p e d s y n t h e ti c r u b y c r y s t a l t o p r o d u c e r e d l a s e r l ig h t ,a t 6 9 4 n a n o m e t r e s w a v e l e n g t h ; h o w e v e r , t h e d e v i c e o n l y w a s c a p a b l e o f p u l s e d o p e r a t i o n , b e c a u s e o f i t s

t h r e e - le v e l p u m p i n g d e s i g n s c h e m e . L a t e r in 1 9 6 0 , t h e I r a n i a n p h y s i c i s t A l i J a v a n , a n d W i ll ia m R . B e n n e tt , a n d

D o n a l d H e r ri o tt , c o n s t r u c t e d t h e f i rs t g a s l a s e r , u s i n g h e l i u m a n d n e o n t h a t w a s c a p a b le o f c o n t i n u o u s o p e ra t i o n

i n t h e i n f r a r e d ( U . S . P a t e n t 3 , 1 4 9 , 2 9 0 ) ; l a t e r , J a v a n r e c e i v e d t h e A l b e r t E i n s t e i n A w a r d i n 1 9 9 3 . B a s o v a n d

J a v a n p r o p o s e d t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r d i o d e c o n c e p t . I n 1 9 6 2 , R o b e r t N . H a l l d e m o n s t r a t e d t h e f ir s t l a s e r

d i o d e d e v i c e , m a d e o f g a l l i u m a r s e n i d e a n d e m i t t e d a t 8 5 0 n m t h e n e a r - i n f r a r e d b a n d o f t h e s p e c t r u m . L a t e r , i n

1 9 6 2 , N i c k H o l o n y a k , J r . d e m o n s t r a te d t h e f i r s t s e m i c o n d u c t o r l a s e r w i t h a v i s i b l e e m i s s io n . T h i s f i r s t

s e m i c o n d u c t o r l a s e r c o u l d o n l y b e u s e d in p u l s e d - b e a m o p e r a t i o n , a n d w h e n c o o l e d t o l i q u i d n i t r o g e n

t e m p e r a t u r e s ( 7 7 K ) . I n 1 9 7 0 , Z h o r e s A l f e ro v , in t h e U S S R , a n d I z u o H a y a s h i a n d M o r to n P a n i s h o f B e l l

T e le p h o n e L a b o ra to r i e s a ls o in d e p e n d e n tl y d ev e l o p ed ro o m -t e m p e ra tu r e , c o nt i n u al - o p er a ti o n d io d e l a se rs ,


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M


10/23

G r a p h s h o w i n g th e h i s to r y o f m a x i m u m

l a s e r p u l s e i n t e n s it y t h r o u g h o u t t h e p a s t 4 0

y e a r s .

W a v e l e n g t h s o f c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e l a s e r s . L a s e r t y p e s w i th d i s t in c t

l a s e r l i n e s a r e s h o w n a b o v e t h e w a v e l e n g t h b a r , w h i l e b e lo w a r e s h o w n

l a s e r s th a t c a n e m i t in a w a v e l e n g t h r a n g e . T h e c o l o r c o d i f ie s t h e t y p e

o f l a s e r m a t e r i a l ( s e e t h e f i g u r e d e s c r i p t i o n f o r m o r e d e t a i l s ) .

u s i n g t h e h e t e r o j u n c t i o n s t r u c t u r e .

R e c e n t i n n o v a t i o n s

S i n c e t h e e a r l y p e r i o d o f la s e r h i s t o r y , l a s e r re s e a r c h h a s p r o d u c e d a

v a r i e t y o f i m p r o v e d a n d s p e c i a l i z e d l a s e r ty p e s , o p t i m i z e d f o r

d i f f e re n t p e r f o r m a n c e g o a l s , i n c l u d i n g :

n e w w a v e l e n g t h b a n d sm a x i m u m a v e r ag e o u t p u t p o w e r

m a x i m u m p e a k p u l s e e n e r g y

m a x i m u m p e a k p u l se p o w e r

m i n i m u m o u t p u t p u l s e d u r a ti o n

m a x i m u m p o w e r e f f i c ie n c y

m i n i m u m c o s t

a n d t h i s r e s e a r c h c o n t i n u e s t o t h i s d a y .

L a s i n g w i th o u t m a i n t a i n in g t h e m e d i u m e x c i t e d i n t o a p o p u l a t i o n

i n v e r s i o n w a s d i s c o v e re d i n 1 9 9 2 i n s o d i u m g a s a n d a g a i n i n 1 9 9 5 i nr u b i d i u m g a s b y v a r i o u s i n te r n a t io n a l t e a m s . [ c i t a t io n n e e d e d ] T h i s w a s a c c o m p l i s h e d b y u s i n g a n e x t e r n a l m a s e r t o

i n d u c e " o p t i c a l t r a n s p a r e n c y " i n t h e m e d i u m b y i n t r o d u c i n g a n d d e s t r u c t iv e l y i n t e r fe r i n g t h e g r o u n d e l e c t r o n

t r a n s i t i o n s b e t w e e n t w o p a t h s , s o t h a t t h e l i k e l i h o o d f o r t h e g r o u n d e l e c t r o n s t o a b s o r b a n y e n e r g y h a s b e e n

c a n c e l l e d .

T y p e s a n d o p e r a t i n g p r i n c i p l e s

F o r a m o r e c o m p l e t e l i s t o f l a s e r t y p e s s e e t h i s l i s t o f la s e r t y p e s .

G a s l a s e r s

M a i n a r t i c l e : G a s l a s e r

F o l l o w i n g t h e i n v e n ti o n o f t h e H e N e g a s

l a s e r , m a n y o t h e r g a s d i s c h a r g e s h a v e b e e n

f o u n d t o a m p l i f y l i g h t c o h e r e n t l y . G a s l a s e r s

u s i n g m a n y d i f f e re n t g a s e s h a v e b e e n b u i l t

a n d u s e d f o r m a n y p u r p o s e s . T h e

h e l i u m - n e o n l a s e r ( H e N e ) i s a b l e t o o p e r a t e

a t a n u m b e r o f d i ff e r e n t w a v e l e n g t h s ,

h o w e v e r t h e v a s t m a j o r i ty a r e e n g i n e e r e d t o

l a s e a t 6 3 3 n m ; th e s e r e l a t i v e l y lo w c o s t b u t

h i g h l y c o h e r e n t l a s e r s a r e e x t r e m e l y

c o m m o n i n o p t ic a l r e s e a r c h a n d e d u c a t i o n a l

l a b o r a to r i e s . C o m m e r c i a l c a r b o n d i o x i d e

( C O 2 ) l a s e r s c a n e m i t m a n y h u n d r e d s o f

w a t t s i n a s in g l e s p a t i a l m o d e w h i c h c a n b e c o n c e n t r a t e d in t o a t in y s p o t . T h i s e m i s s i o n i s i n t h e t h e r m a l i n f r a re d

a t 1 0 . 6 m ; s u c h l a s e r s a re r e g u l a r l y u s e d i n in d u s t r y f o r c u t ti n g a n d w e l d i n g . T h e e f f ic i e n c y o f a C O 2 l a s e r i s

u n u s u a l l y h ig h : o v e r 1 0 % . A r g o n - i o n l a s e r s c a n o p e r a t e a t a n u m b e r o f l a s in g t r a n s i ti o n s b e t w e e n 3 5 1 a n d


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M


11/23

5 2 8 . 7 n m . D e p e n d i n g o n t h e o p t i c a l d e s i g n o n e o r m o r e o f t h e s e t r a n s i t io n s c a n b e l a s i n g s i m u l t a n e o u s l y ; t h e

m o s t c o m m o n l y u s e d l in e s a r e 4 5 8 n m , 4 8 8 n m a n d 5 1 4 . 5 n m . A n i tr o g e n t r a n s v e r s e e l e c t r i c a l d i s c h a r g e i n g a s

a t a t m o s p h e r ic p r e s s u r e ( T E A ) l a s e r i s a n i n e x p e n s i v e g a s l a s e r , o f t e n h o m e - b u i lt b y h o b b y i s ts , w h i c h p r o d u c e s

r a t h e r i n c o h e r e n t U V l i g h t a t 3 3 7 . 1 n m . [ 1 5 ] M e t a l io n l a s e r s a r e g a s l a s e r s t h a t g e n e r a t e d e e p u l t ra v i o l e t

w a v e l e n g t h s . H e l i u m - s i l v e r ( H e A g ) 2 2 4 n m a n d n e o n - c o p p er ( N e C u ) 2 4 8 n m a r e tw o e x am p le s. L ik e al l

l o w - p r e s s u r e g a s l a s e r s , t h e g a i n m e d i a o f t h e s e l a s e r s h a v e q u i t e n a r r o w o s c i l la t i o n l i n e w i d t h s , l e s s th a n 3 G H z

( 0 . 5 p i c o m e t e r s ) , [ 1 6 ] m a k i n g t h e m c a n d i d a t e s f o r u s e in f l u o r e s c e n c e s u p p r e s s e d R a m a n s p e c tr o s co p y .

C h e m i c a l l a s e r s

C h e m i c a l l a se r s a r e p o w e r e d b y a c h e m i c a l r e a c t io n p e r m i t t in g a l a r g e a m o u n t o f e n e r g y t o b e r e l e a s e d q u i c k ly .

S u c h v e r y h i g h p o w e r l a s e r s a r e e s p e c i a l l y o f i n t e r e s t t o t h e m i l i t a r y , h o w e v e r c o n t i n u o u s w a v e c h e m i c a l la s e rs

a t v e r y h ig h p o w e r l e v e ls , fe d b y s t r e a m s o f g a s s e s , h a v e b e e n d e v e l o p e d a n d h a v e s o m e i n d u s t r ia l a p p l i c a t i o n s .

A s e x a m p l e s, in t h e H y d r o g e n f lu o r i d e l a se r ( 2 7 0 0 - 2 9 0 0 n m ) a n d t h e D e u t e r iu m f l u o r i d e l a s e r ( 3 8 0 0 n m ) t h e

r e a c t io n i s th e c o m b i n a t io n o f h y d r o g e n o r d e u t e r i u m g a s w i t h c o m b u s t io n p r o d u c t s o f e t h y l e n e in n i t r o g e nt r i f l u o r i d e .

E x c i m e r la s e r s

E x c i m e r l a se r s a r e a s p e c i a l s o r t o f g a s l a s e r p o w e r e d b y a n e l e c t r i c d i s c h a r g e i n w h i c h t h e l a s i n g m e d i u m i s a n

e x c i m e r , o r m o r e p r e c i s e ly a n e x c i p le x i n e x i s ti n g d e s i g n s . T h e s e a r e m o l e c u l e s w h ic h c a n o n l y e x i s t w i t h o n e

a t o m i n a n e x c i t e d e l e c t r o n i c s t a t e . O n c e t h e m o l e c u l e t r a n s f e r s i t s e x c i t a t io n e n e r g y t o a p h o t o n , t h e r e f o r e , it s

a t o m s a r e n o l o n g e r b o u n d t o e a c h o t h e r a n d t h e m o l e c u l e d i s i n t e g r a t e s . T h i s d r a s t ic a l l y r e d u c e s t h e p o p u l a t io n

o f t h e l o w e r e n e r g y s t a t e t h u s g r e a t l y f a c i l i t a t i n g a p o p u l a t io n i n v e r s io n . E x c i m e r s c u r r e n t l y u s e d a r e a l l n o b l e

g a s c o m p o u n d s ; n o b l e g a s s e s a re c h e m i c a l l y i n e r t a n d c a n o n l y f o r m c o m p o u n d s w h i l e i n a n e x c i t e d s t a t e .

E x c i m e r l a s e rs t y p i c a l l y o p e r a t e a t u l t r a v i o l e t w a v e l e n g t h s w i t h m a j o r a p p l i c a t o n s in c l u d i n g s e m i c o n d u c t o r

p h o t o l i t h o g r a p h y a n d L A S I K e y e s u r g e r y . C o m m o n l y u s e d e x c i m e r m o l e c u l e s in c l u d e A r F ( e m i s s i o n a t

1 9 3 n m ) , K r C l ( 2 2 2 n m ) , K r F ( 2 4 8 n m ) , X e C l ( 3 0 8 n m ) , a n d X e F ( 3 5 1 n m ) . [ 1 7 ] T h e m o l e c u l a r f l u o r i n e l a s e r ,

e m i t ti n g a t 1 5 7 n m i n th e v a c u u m u l t r a v i o l e t is s o m e t i m e s r e f e r r e d to a s a n e x c i m e r l a s e r, h o w e v e r t h i s a p p e a r st o b e a m i s n o m e r in a s m u c h a s F 2 i s a s t a b le c o m p o u n d .

S o l id - s t a t e l a s e r s


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M


12/23

A f r e q u e n c y - d o u b l e d g r e e n l a s e r

p o i n te r , s h o w i n g i n t e r n a l c o n s t r u c t i o n .

T w o A A A c e l l s a n d e l e c t r o n i c s p o w e r

t h e l a se r m o d u l e ( l o w e r d i a g r a m ) T h i s

c o n t a in s a p o w e r fu l 8 0 8 n m I R d i o d e

l a s e r t h a t o p t i c a l l y p u m p s a N d : Y V O 4

c r y s t a l i n s i d e a l a s e r c a v i t y . T h a t l a s e r

p ro d u c e s 1 0 6 4 n m ( in fr a re d ) li g h t

w h i c h i s m a i n l y c o n f i n e d i n s i d e t h e

r e s o n a t o r . A l s o i n s i d e t h e l a s e r c a v i t y ,

h o w e v e r , is a n o n - l i n e a r K T P c r y s t a l

w h i c h c a u s e s f re q u e n c y d o u b l i n g ,

r e s u l t in g i n g r e e n l i g h t a t 5 3 2 n m . T h e

f r o n t m i r r o r is t r a n s p a r e n t t o t h i s

v i s ib l e w a v e l e n g t h w h i c h i s th e n

e x p a n d e d a n d c o l l i m a t e d u s i n g t w o

l e n s e s ( i n t h i s p a r t i c u l a r d e s i g n ) .

L a s e r s p o t s (6 5 0 , 5 3 2 , 4 0 5 n m )

S o l i d - s t a te l a s e r s u s e a c r y s t a l li n e o r g l a s s r o d w h i c h i s " d o p e d " w i t h i o n s

t h a t p r o v i d e t h e r e q u i r e d e n e r g y s t a t e s . F o r e x a m p l e , th e f i r s t w o r k i n g

l a s e r w a s a r u b y l a se r , m a d e f r o m r u b y ( c h r o m i u m - d o p e d c o r u n d u m ) .

T h e p o p u l a t i o n i n v e r s i o n i s a c t u a l l y m a i n t a in e d i n t h e " d o p a n t " , s u c h a s

c h r o m i u m o r n e o d y m i u m . T h e s e m a t e r i a ls a r e p u m p e d o p t i c a l l y u s in g a

s h o r t e r w a v e l e n g t h t h a n t h e l a s i n g w a v e l e n g t h , o f t e n f r o m a f l a s h tu b e o r

f r o m a n o t h e r l a s e r .

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t " s o l i d - s t a t e " i n th i s s e n s e r e f e r s t o a c r y s t a l o rg l a s s , b u t t h i s u s a g e i s d i s t in c t f r o m t h e d e s i g n a t i o n o f " s o l i d - s t a te

e l e c t ro n i c s " i n r e f e rr in g t o s e m i c o n d u c t o r s . S e m i c o n d u c t o r l a s e r s ( l a s e r

d i o d e s ) a r e p u m p e d e l e c t r i c a l ly a n d a r e t h u s no t r e f e r r e d t o a s s o l i d - s t a t e

l a s e r s . T h e c l a s s o f s o l i d - st a t e l a s e rs w o u l d , h o w e v e r , p r o p e r l y i n c l u d e

f i b e r l a s e r s i n w h i c h d o p a n t s in t h e g l a s s la s e u n d e r o p t i c a l p u m p i n g . B u t

i n p r a c t i c e t h e s e a r e s i m p l y r e f e r r e d t o a s " f i b e r l a s e r s " w i t h " s o l i d - s ta t e "

r e s e r v e d f o r l a s e r s u s in g a s o l i d r o d o f s u c h a m a t e r ia l .

N e o d y m i u m i s a c o m m o n

" d o p a n t " i n v a r i o u s s o l i d - s t a t e

l a s e r c r y s t a l s , i n c l u d i n g y t t r iu m

o r t h o v a n a d a t e ( N d :Y V O 4 ) ,

y t t ri u m l i th i u m f l u o r id e

(N d :Y L F ) a n d y t t r iu m a l u m i n i u m

g a r n e t ( N d :Y A G ) . A l l t h e s e

l a s e rs c a n p r o d u c e h i g h p o w e r s i n

t h e i n f r a r e d s p e c t r u m a t

1 0 6 4 n m . T h e y a r e u s e d f o r

c u t t in g , w e l d i n g a n d m a r k i n g o f

m e t a l s a n d o t h e r m a t e r i a l s , a n d a l s o i n s p e c t r o s c o p y a n d f o r p u m p i n g

d y e l a s e r s .

T h e s e l a s e r s a r e a ls o c o m m o n l y f re q u e n c y d o u b l e d , t r i p l e d o r q u a d r u p l e d , i n s o - c a l l e d " d i o d e p u m p e d s o l id

s t a t e " o r D P S S l a s e rs . U n d e r s e c o n d , th i r d , o r f o u r th h a r m o n i c g e n e r a t io n t h e s e p r o d u c e 5 3 2 n m ( g r e e n , v i s i b l e ) ,

3 5 5 n m a n d 2 6 6 n m ( U V ) b e a m s . T h i s i s th e t e c h n o l o g y b e h i n d t h e b r i g h t l a s e r p o i n t e r s p a r t ic u l a r l y a t g r e e n

( 5 3 2 n m ) a n d o t h e r s h o r t v i si b l e w a v e l e n g t h s .

Y t t e r b i u m , h o l m i u m , t h u l i u m , a n d e r b i u m a r e o t h e r c o m m o n " d o p a n t s " i n s o l id - s t a te l a s e rs . Y t t e r b i u m i s u s e d i n

c r y s t a ls s u c h a s Y b : Y A G , Y b : K G W , Y b : K Y W , Y b : S Y S , Y b : B O Y S , Y b : C a F 2 , ty p i c a l l y o p e r a ti n g a r o u n d

1 0 2 0 - 1 0 5 0 n m . T h e y a r e p o t e n t i a l l y v e r y e f fi c ie n t a n d h i g h p o w e r e d d u e t o a s m a l l q u a n t u m d e f e c t . E x t r e m e l y

h i g h p o w e r s in u l t ra s h o r t p u l s e s c a n b e a c h i e v e d w i t h Y b : Y A G . H o l m i u m - d o p e d Y A G c r y s ta ls e m i t a t 2 0 9 7 n m

a n d f o r m a n e f f i c i e n t la s e r o p e r a t i n g a t i n f r a r e d w a v e l e n g t h s s t r o n g l y a b s o r b e d b y w a t e r - b e a r in g t i s s u e s . T h eH o - Y A G i s u s u a l l y o p e r a t e d i n a p u l s e d m o d e , a n d p a s s e d t h r o u g h o p t i c a l f i b e r s u r g i c a l d e v i c e s t o r e s u r f a c e

j o i n t s , r e m o v e r o t f r o m t e e t h , v a p o r i z e c a n c e r s , a n d p u l v e r i z e k i d n e y a n d g a l l s t o n e s .

T i t a n i u m - d o p e d s a p p h i r e ( T i : s a p p h i r e ) p r o d u c e s a h i g h l y t u n a b l e i n f r a r e d l a s e r, c o m m o n l y u s e d f o rs p e c t r o s c o p y . I t i s a l s o n o ta b l e fo r u s e a s a m o d e -l o c k e d l a s e r p r o d u c in g u l t r a s h o r t p u l s e s o f e x t r e m e l y h i g h

p e a k p o w e r .

T h e r m a l l i m i t a t i o n s in s o l i d -s t a te l a s e rs a r is e f r o m u n c o n v e r t e d p u m p p o w e r t h a t m a n i f e s t s i t s e l f a s h e a t . T h i s

h e a t , w h e n c o u p l e d w i t h a h i g h t h e r m o - o p t i c c o e f f ic i e n t ( d n / d T) c a n g i v e r i s e t o t h e r m a l l e n s i n g a s w e l l a s

r e d u c e d q u a n t u m e f f ic i e n c y . T h e s e t y p e s o f i s s u e s c a n b e o v e r c o m e b y a n o t h e r n o v e l d i o d e - p u m p e d s o l id - s t a te


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M


13/23

l a s e r, t h e d i o d e - p u m p e d t h in d i s k l a s e r . T h e th e r m a l l im i ta t i o n s i n th i s l a s e r ty p e a r e m i ti g a t e d b y u s i n g a l a s e r

m e d i u m g e o m e t ry i n w h i c h t h e t h ic k n e s s i s m u c h s m a l le r t h a n t h e d i a m e t e r o f th e p u m p b e a m . T h i s a l l o w s f o r a

m o r e e v e n t h e r m a l g r a d i e n t i n t h e m a t e r i a l . T h i n d i s k l a s e r s h a v e b e e n s h o w n t o p r o d u c e u p t o k i l o w a t t l ev e l s o f

p o w e r . [ 1 8 ]

F i b e r l a s e r s

M a i n a r t i c l e : F i b e r l a s e r

S o l i d - s t a t e l a s e r s o r la s e r a m p l i f i e r s w h e r e t h e l i g h t is g u i d e d d u e t o t h e t o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n i n a s i n g l e m o d e

o p t i c a l f i b e r a r e i n s t e a d c a l l e d f i b e r l a s e r s . G u i d i n g o f l ig h t a l l o w s e x t r e m e l y l o n g g a i n r e g i o n s p r o v i d i n g g o o d

c o o l i n g c o n d i t io n s ; f i b e r s h a v e h i g h s u r f a c e a r e a t o v o l u m e r a t io w h i c h a l l o w s e f f i c i e n t c o o l i n g . I n a d d i t i o n , t h e

f ib e r ' s w a v e g u i d i n g p r o p e r t i e s t e n d t o r e d u c e t h e r m a l d i s to r t io n o f t h e b e a m . E r b i u m a n d y t t e r b i u m i o n s a r e

c o m m o n a c t i v e s p e c i e s i n s u c h l a s e rs .

Q u i t e o f t e n , th e f i b e r l a s e r i s d e s i g n e d a s a d o u b l e - c la d f i b e r . T h i s t y p e o f f i b e r c o n s i s t s o f a f ib e r c o r e , a n i n n e r

c l a d d i n g a n d a n o u t e r c l a d d i n g . T h e i n d e x o f th e t h r e e c o n c e n t r ic l a y e r s i s c h o s e n s o t h a t t h e f i b e r c o r e a c t s a s a

s i n g l e - m o d e f i b e r f o r t h e l a s e r e m i s s i o n w h i l e t h e o u t e r c l a d d i n g a c t s a s a h i g h l y m u l t i m o d e c o r e f o r t h e p u m p

l a s e r . T h i s l e ts t h e p u m p p r o p a g a t e a l a rg e a m o u n t o f p o w e r i n to a n d t h r o u g h t h e a c t i v e i n n e r c o r e r e g i o n , w h i l es t il l h a v in g a h i g h n u m e r ic a l a p e r t u re ( N A ) t o h a v e e a s y l a u n c h i n g c o n d i t io n s .

P u m p l i g h t c a n b e u s e d m o r e e f f i c i e n tl y b y c r e a t i n g a f i b e r d i s k l a s e r , o r a s t a c k o f s u c h la s e r s .

F i b e r l a s e r s h a v e a f u n d a m e n t a l l i m i t i n t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e l i g h t i n t h e f i b e r c a n n o t b e s o h i g h t h a t o p t i c a l

n o n l i n e a r it i e s i n d u c e d b y t h e l o c a l e l e c t r i c f i e l d s t r e n g t h c a n b e c o m e d o m i n a n t a n d p r e v e n t la s e r o p e ra t i o n

a n d / o r l e a d t o t h e m a t e r i a l d e s t r u c t i o n o f t h e f i b e r . T h i s e f f e c t i s c a l l e d p h o t o d a r k e n i n g . I n b u l k l a s e r m a t e r i a l s ,

t h e c o o l i n g i s n o t s o e f f i c i e n t , a n d i t i s d i f f ic u l t t o s e p a r a t e t h e e f f e c t s o f p h o t o d a r k e n i n g f ro m t h e t h e r m a l

e f f e c ts , b u t t h e e x p e r im e n t s i n f i b e r s s h o w t h a t t h e p h o t o d a r k e n i n g c a n b e a t t r ib u t e d t o t h e f o r m a t i o n o f

l o n g - l i v i n g c o l o r c e n t e r s . [ c i t a t i o n n e e d e d ]

P h o t o n i c c r y s t a l la s e r s

P h o t o n i c c r y s t a l l a s e r s a r e l a s e rs b a s e d o n n a n o - s t r u c tu r e s t h a t p r o v i d e t h e m o d e c o n f in e m e n t a n d t h e d e n s i t y o f

o p t i c a l s t a t e s ( D O S ) s t r u c tu r e r e q u i r e d f o r t h e f e e d b a c k t o t a k e p l a c e . T h e y a r e t y p i c a l m i c r o m e t r e - s iz e d a n d

t u n a b l e o n t h e b a n d s o f t h e p h o t o n i c c r y s ta l s . [ 1 9 ]

S e m i c o n d u c t o r l a s e r s


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M


14/23

A 5 . 6 m m ' c l o s e d c a n ' c o m m e r c ia l

l a s e r d io d e , p r o b a b l y f r o m a C D o r

D V D p l a y e r

L a s e r b e a m s ( r e d , g r e e n , v i o l e t )

S e m i c o n d u c t o r la s e r s a r e d i o d e s w h i c h a r e e l e c t r ic a l l y p u m p e d .

R e c o m b i n a t io n o f e l e c t r o n s a n d h o l e s c r e a t e d b y t h e a p p l i e d c u r r e n t

i n t ro d u c e s o p t i c a l g a in . R e f l e c t io n f r o m t h e e n d s o f t h e c r y s t a l fo r m a n

o p t i c a l r e s o n a t o r , a lt h o u g h t h e r e s o n a t o r c a n b e e x t e r n a l t o t h e

s e m i c o n d u c t o r i n s o m e d e s i g n s .

C o m m e r c i a l l a s e r d i o d e s e m i t a t w a v e l e n g th s f r o m 3 7 5 n m t o 3 5 0 0 n m .

L o w t o m e d i u m p o w e r la s e r d i o d e s a re u s e d i n l a s e r p r i n t e r s a n d

C D / D V D p l a y e r s . L a s e r d i o d e s a r e a l so f r e q u e n t l y u s e d t o o p t i c a ll yp u m p o t h e r l a s e r s w i t h h i g h e f f ic i e n c y . T h e h i g h e s t p o w e r i n d u s t r i a l l a s e r

d i o d e s , w i t h p o w e r u p t o 1 0 k W ( 7 0 d B m ) [ c i t a t io n n e e d e d ] , a r e u s e d i n

i n d u s t r y f o r c u t t in g a n d w e l d i n g . E x t e r n a l - c a v i t y s e m i c o n d u c t o r l a s e r s

h a v e a s e m i c o n d u c t o r a c t i v e m e d i u m i n a la r g e r c a v i t y . T h e s e d e v i c e s

c a n g e n e r a t e h i g h p o w e r o u t p u t s w i t h g o o d b e a m q u a l i t y , w a v e l e n g th -

t u n a b l e n a r r o w - l i n e w i d t h r a d i a t i o n , o r u l t r a s h o r t la s e r p u l s e s .

V e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e - e m i t t i n g l a s e r s ( V C S E L s ) a re s e m i c o n d u c t o r

l a s e r s w h o s e e m i s s io n d i r e c ti o n i s p e r p e n d i c u l a r to t h e s u r f a c e o f t h e

w a f e r . V C S E L d e v i c e s ty p i c a l ly h a v e a m o r e c i rc u l a r o u tp u t b e a m t h a n

c o n v e n t io n a l l a s e r d i o d e s , a n d p o t e n t ia l l y c o u l d b e m u c h c h e a p e r t o

m a n u f a c tu r e . A s o f 2 0 0 5 , o n l y 8 5 0 n m V C S E L s a r e w i d e l y a v a i l a b l e ,

w i t h 1 3 0 0 n m V C S E L s b e g i nn i n g t o b e c o m m e r c ia l iz e d , [ 2 0 ] a n d 1 5 5 0 n m

d e v i c e s a n a r e a o f r e s e a r c h . V E C S E L s a r e e x t e r n a l - c a v i ty V C S E L s .

Q u a n t u m c a s c a d e l a s e rs a r e s e m i c o n d u c t o r l a se r s t h a t h a v e a n a c t i v e

t r a n s it i o n b e t w e e n e n e r g y s u b - b a n d s o f a n e l e c t r o n i n a s t r u c t u r e

c o n t a i n i n g s e v e r a l q u a n t u m w e l l s .

T h e d e v e l o p m e n t o f a s i l i c o n l a s e r i s i m p o r t a n t i n t h e f i e l d o f o p t i c a l c o m p u t in g . S i l ic o n i s t h e m a t e r ia l o f c h o i c e

f o r i n t e g r a t e d c i r c u i t s , a n d s o e l e c t r o n i c a n d s i l i c o n p h o t o n i c c o m p o n e n t s (s u c h a s o p t i c a l i n t e r c o n n e c t s ) c o u l d

b e f a b r i c a t e d o n t h e s a m e c h i p . U n f o r t u n a t e l y , s il i c o n i s a d i f f i c u l t l a s in g m a t e r i a l t o d e a l w i t h , s i n c e i t h a sc e r t a in p r o p e r t ie s w h i c h b l o c k l a s in g . H o w e v e r , re c e n t l y t e a m s h a v e p r o d u c e d s i l ic o n l a s e rs t h r o u g h m e t h o d s

s u c h a s f a b r i c a ti n g t h e l a s in g m a t e r ia l f ro m s i l i c o n a n d o t h e r s e m i c o n d u c t o r m a t e r ia l s , s u c h a s i n d i u m ( I I I )

p h o s p h i d e o r g a l l i u m ( I I I ) a r s e n i d e , m a t e r i a l s w h i c h a l l o w c o h e r e n t l i g h t t o b e p r o d u c e d f r o m s i l i c o n . T h e s e a r e

c a l l e d h y b r i d s i l i c o n l a s e r . A n o t h e r t y p e i s a R a m a n l a s er , w h i c h t a k e s a d v a n t a g e o f R a m a n s c a t t e ri n g to

p r o d u c e a la s e r f r o m m a t e r i a l s s u c h a s s i li c o n .

D y e l a s e r s

D y e l a s e r s u s e a n o r g a n i c d y e a s t h e g a i n m e d i u m . T h e w i d e g a i n s p e c t r u m o f a v a i la b l e d y e s , o r m i x t u r e s o f

d y e s , a l l o w s t h e s e l a s e r s t o b e h i g h l y t u n a b l e , o r t o p r o d u c e v e r y s h o r t - d u r a t io n p u l s e s ( o n t h e o r d e r o f a f e w

f e m t o s e c o n d s ) . A l t h o u g h t h e s e t u n a b l e l a s e rs a r e m a i n l y k n o w n i n t h e i r li q u i d f o r m , r e s e a r c h e r s h a v e a l s o

d e m o n s t ra t e d n a r r o w - l in e w i d t h t u n a b l e e m i s si o n i n d i s p e r si v e o s c i ll a to r c o n f i g u r a t io n s i n c o r p o r a t i n g s o l i d - s t a te

d y e g a i n m e d i a . [ 2 1 ] I n t h e i r m o s t p r e v a l e n t f o r m t h e s e s o l id s t a te d y e l a s e rs u s e d y e - d o p e d p o l y m e r s a s l a s e r

m e d i a .

F r e e e l e c t r o n l a s e r s

F r e e e l e c t r o n la s e r s , o r F E L s , g e n e r a t e c o h e r e n t, h i g h p o w e r ra d ia t i o n , t h a t i s w i d e ly t u n a b l e , c u rr e n tl y r a n g i n g

i n w a v e l e n g t h f r o m m i c r o w a v e s , t h r o u g h t e r a h e r t z r a d i a t i o n a n d i n f r a r e d , t o t h e v i s ib l e s p e c t r u m , t o s o f t X - r a y s .


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T h e y h a v e t h e w i d e s t f r e q u e n c y r a n g e o f a n y l a s e r t y p e . W h i l e F E L b e a m s s h a r e t h e s a m e o p t i c a l t r a i t s a s o t h e r

l a s e r s , s u c h a s c o h e r e n t r a d i a t io n , F E L o p e r a t i o n i s q u i t e d i f f e r e n t . U n l i k e g a s , l i q u i d , o r s o l i d - s ta t e l a s e r s , w h i c h

r e l y o n b o u n d a t o m i c o r m o l e c u l a r s t a t e s , F E L s u s e a r e l a t i v i s t i c e l e c t r o n b e a m a s t h e l a s i n g m e d i u m , h e n c e t h e

t e r m f r e e e l e c t r o n .

B i o la s e r

L i v i n g c e l l s c a n b e g e n e t i c a l ly e n g i n e e r e d t o p r o d u c e G r e e n f l u o r e s c e n t p r o t e in ( G F P ) . T h e G F P i s u s e d a s th e

l a s e r 's " g a i n m e d i u m " , w h e r e l i g h t a m p l i f ic a t i o n t a k e s p l a c e . T h e c e l l s a r e t h e n p l a c e d b e t w e e n t w o t i n y m i r r o r s ,

j u s t 2 0 m i l l i o n t h s o f a m e t r e a c r o s s , w h i c h a c t e d a s t h e " l a s e r c a v i t y " i n w h i c h l i g h t c o u l d b o u n c e m a n y t im e s

t h r o u g h t h e c e l l . U p o n b a t h i n g t h e c e l l w i t h b l u e l i g h t , i t c o u l d b e s e e n t o e m i t d i r e c t e d a n d i n t e n s e g r e e n l a s e r

l i g h t . [ 2 2 ] [ 2 3 ]

E x o t i c l a s e r m e d i a

I n S e p t e m b e r 2 0 0 7 , th e B B C N e w s r e p o r t e d t h a t t h e r e w a s s p e c u l a t io n a b o u t t h e p o s s i b i l i t y o f u s i n g

p o s i t r o n i u m a n n i h i l a t i o n t o d r iv e a v e r y p o w e r fu l g a m m a ra y l a s e r . [ 2 4 ] D r . D a v i d C a s s i d y o f t h e U n i v e r s i t y o f C a l i f o rn ia , R i v e r s i d e p r o p o s e d t h a t a s i n g l e s u c h l a s e r c o u ld b e u s e d t o i g n i t e a n u c l e a r f u s i o n r e a c t i o n , r e p l a c i n g

t h e b a n k s o f h u n d r e d s o f l a s e rs c u r r e n t ly e m p l o y e d i n i n e r t ia l c o n f i n e m e n t f u s i o n e x p e r i m e n t s . [ 2 4 ]

S p a c e - b a s e d X - r a y l a s e rs p u m p e d b y a n u c l e a r e x p l o s i o n h a v e a l s o b e e n p r o p o s e d a s a n t i m i s s il e w e a p o n s .[ 2 5 ] [ 2 6 ] S u c h d e v i c e s w o u l d b e o n e - s h o t w e a p o n s .

U s e s


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L a s e r s r a n g e i n s i z e f ro m m i c ro s c o p i c

d i o d e l a s e r s ( t o p ) w i th n u m e r o u s

a p p l i c a t i o n s , t o f o o t b a l l f i e l d s i z e d

n e o d y m i u m g l a s s l a s e r s (b o t t o m ) u s e dfo r i n e r t ia l c o n f i n e m e n t f u s i o n ,

n u c l e a r w e a p o n s r e s e a rc h a n d o t h e r

h i g h e n e r g y d e n s i ty p h y s i c s

e x p e r i m e n t s .

M a i n a r t i c l e : L is t o f a p p l i c a t i o n s f o r l a s e r s

W h e n l a s e r s w e r e i n v e n t e d i n 1 9 6 0 , t h e y w e r e c a l l e d " a s o l u t io n l o o k i n g

f o r a p r o b l e m " . [ 2 7 ] S i n c e t h e n , th e y h a v e b e c o m e u b i q u i t o u s , f i n d i n g

u t i l it y i n th o u s a n d s o f h i g h l y v a r i e d a p p l i c a t i o n s i n e v e r y s e c t i o n o f

m o d e r n s o c i e ty , i n c l u d i n g c o n s u m e r e l e c t r o n i c s , i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ,

s c i e n c e , m e d i c i n e , i n d u s t r y , l a w e n f o r c e m e n t , e n t e r t a i n m e n t , a n d t h e

m i l i t a r y .

T h e f i r s t u s e o f l a s e r s in t h e d a i l y l i v e s o f t h e g e n e r a l p o p u l a t i o n w a s t h e

s u p e r m a r k e t b a r c o d e s c a n n e r , in t r o d u c e d i n 1 9 7 4 . T h e l a s e r d i s c p l a y e r ,

i n t ro d u c e d i n 1 9 7 8 , w a s t h e f i rs t s u c c e s s fu l c o n s u m e r p r o d u c t t o i n c l u d e

a l a s e r b u t t h e c o m p a c t d i s c p l a y e r w a s t h e f i r s t l a s e r- e q u i p p e d d e v i c e t o

b e c o m e c o m m o n , b e g i n n i n g i n 1 9 8 2 f o ll o w e d s h o r t ly b y l a s e r p r i n t e r s .

S o m e o t h e r u s e s a r e :

M e d i c i n e : B l o o d l e s s s u r g e r y , l a s e r h e a l i n g , s u r g i c a l tr e a t m e n t ,

k i d n e y s t o n e t r e a t m e n t , e y e t r e a tm e n t , d e n t i s t r y

I n d u s t r y : C u t t i n g , w e l d i n g , m a t e r ia l h e a t t r e a t m e n t , m a r k i n g p a r t s ,n o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t o f p a r t sM i l it a r y : M a r k i n g t a r g e t s, g u i d i n g m u n i t i o n s , m i s s i l e d e f e n c e ,e l e c tr o - o p t i c a l c o u n t e r m e a s u r e s ( E O C M ) , a l t e r n a t i v e t o r a d a r ,

b l i n d i n g t r o o p s .

L a w e n f o r c e m e n t : u s e d f o r l a t e n t f i n g e r p r i n t d e t e c t i o n i n t h e

f o r e n s i c i d e n t i f i c a t i o n f i e l d [ 2 8 ] [ 2 9 ]

R e s e a r c h : S p e c t r o s c o p y , l a s e r a b l a t i o n , l a s e r a n n e a l i n g , l a s e r s c a t t e r i n g , l a s e r i n t e r f e r o m e t r y , L I D A R ,l a s e r c a p t u r e m i c r o d i s s e c t i o n , f l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p y

P r o d u c t d e v e l o p m e n t / c o m m e r c ia l : l a s e r p r i n t e r s , o p t i c a l d i s c s ( e .g . C D s a n d t h e l i k e ) , b a r c o d e s c a n n e r s ,t h e r m o m e t e r s , l a s e r p o i n t e r s , h o l o g r a m s , b u b b l e g r a m s .L a s e r l i g h t i n g d i s p l a y s : L a s e r l ig h t s h o w s

C o s m e t i c s k i n t r e a t m e n t s : a c n e t r e a t m e n t , c e l l u l i t e a n d s t r i a e r e d u c t io n , a n d h a i r r e m o v a l .I n 2 0 0 4 , e x c l u d i n g d i o d e l a s e r s , a p p r o x i m a t e l y 1 3 1 , 0 0 0 l a s e r s w e r e s o l d w i t h a v a l u e o f U S $ 2 . 1 9 b i l li o n . [ 3 0 ] I n

t h e s a m e y e a r , a p p r o x i m a t e l y 7 3 3 m i l l i o n d i o d e l a s e r s , v a l u e d a t $ 3 . 2 0 b i l l i o n , w e r e s o l d . [ 3 1 ]

E x a m p l e s b y p o w e r


4 / 9 / 2 0 1 2 2 : 2 5 P M


17/23

L a s e r a p p l i c a t io n i n

a s t r o n o m i c a l a d a p t i v e o p t i c s

i m a g i n g

D i f f e r e n t a p p l i c a t io n s n e e d l a s e r s w i th d i f f e r e n t o u t p u t p o w e r s . L a s e r s th a t

p r o d u c e a c o n t in u o u s b e a m o r a s e r ie s o f s h o r t p u l s e s c a n b e c o m p a r e d o n t h e

b a s i s o f th e i r a v e r a g e p o w e r . L a s e r s th a t p r o d u c e p u l s e s c a n a l s o b e

c h a r a c t e r i z e d b a s e d o n t h e p e a k p o w e r o f e a c h p u l s e . T h e p e a k p o w e r o f a

p u l s e d l a s e r is m a n y o r d e r s o f m a g n i tu d e g r e a t e r th a n i t s a v e r a g e p o w e r . T h e

a v e r a g e o u t p u t p o w e r i s a l w a y s l e s s th a n t h e p o w e r c o n s u m e d .

T h e c o n t in u o u s o r a v e r a g e p o w e r r e q u i r e d f o r s o m e u s e s :P o w e r U s e

1 - 5 m W L a s e r p o i n t e rs

5 m W C D - R O M d r i v e

5 1 0 m W D V D p l a y e r o r D V D - R O M d r i v e

1 0 0 m W H i g h - s p e e d C D - R W b u r n e r

2 5 0 m W C o n s u m e r 1 6 x D V D - R b u r n e r

4 0 0 m WB u r n i n g th r o u g h a j e w e l c a s e i n c l u d i n g d i s k w i t h i n 4 s e c o n d s [ 3 2 ]

D V D 2 4 x d u a l - la y e r re c o r d i n g . [ 3 3 ]

1 WG r e e n l a s e r i n c u r r e n t H o l o g r a p h i c V e r s a ti l e D i s c p r o t o t y p e

d e v e l o p m e n t

1 2 0 WO u t p u t o f t h e m a j o r it y o f c o m m e r c i a ll y a v a i l a b l e s o li d - s ta t e

l a s e r s u s e d f o r m i c r o m a c h i n in g

3 0 1 0 0 W T y p i c a l s e a l e d C O 2 s u r g i c a l l a s e r s[3 4 ]

1 0 0 3 0 0 0 W T y p i c a l s e a l e d C O 2 l a s e r s u s e d i n i n d u s t r ia l l a s e r c u t t i n g

5 k W O u t p u t p o w e r a c h ie v e d b y a 1 c m d i o d e l a s e r b a r [ 3 5 ]

1 0 0 k W C l a i m e d o u t p u t o f a C O 2 l a s e r b e in g d e v e l o p e d b y N o r t h r o pG r u m m a n f o r m i l i t a r y ( w e a p o n ) a p p l i c a t i o n s

E x a m p l e s o f p u l s e d s y s te m s w i t h h i g h p e a k p o w e r :

7 0 0 T W ( 7 0 0 1 0 1 2 W ) N a t i o n a l I g n i t i o n F a c i l i t y , a 1 9 2 - b e a m , 1 . 8 - m e g a j o u l e l a s e r s y s t e m a d j o i n i n g a

1 0 - m e t e r - d i a m e t e r t a r g e t c h a m b e r . [ 3 6 ]

1 . 3 P W ( 1 . 3 1 0 1 5 W ) w o r l d 's m o s t p o w e r f u l la s e r a s o f 1 9 9 8 , l o c a t e d a t t h e L a w r e n c e L i v e r m o r e

L a b o r a t o r y [ 3 7 ]

H o b b y u s e s

I n r e c e n t y e a r s , s o m e h o b b y i s t s h a v e t a k e n i n t e r e s t s i n l a s e r s . L a s e r s u s e d b y h o b b y i s t s a r e g e n e r a l l y o f c l a s s

I I Ia o r I I I b , a l t h o u g h s o m e h a v e m a d e t h e i r o w n c l a s s I V t y p e s . [ 3 8 ] H o w e v e r , c o m p a r e d t o o t h e r h o b b y i s t s , l a s e r

h o b b y i s t s a r e f a r l e s s c o m m o n , d u e t o t h e c o s t a n d p o t e n t i a l d a n g e r s i n v o l v e d . D u e t o t h e c o s t o f l a s e r s , s o m e

h o b b y i s t s u s e i n e x p e n s i v e m e a n s t o o b t a i n l a s e r s , s u c h a s s a l v a g i n g l a s e r d i o d e s f r o m b r o k e n D V D p l a y e r s (r e

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