Лазеры. Способы получения лазерного излучения, применение и перспективы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новокузнецкий институт (филиал)

государственного образовательного бюджетного учреждения

высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Экономический факультет

Кафедра экономики

Студент группы ЭП-10

А. С. Плотникова

КУРСОВАЯ РАБОТА

 «Лазеры. Способы получения лазерного излучения, применение и перспективы»

Руководитель:

 доцент

К.В.Чмелева

Курсовая работа Курсовая работа

допущена к защите  защищена с оценкой 

Подпись руководителя Подпись руководителя

«___»______________2011г. «___»_______________2011г.

Новокузнецк 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение  3

1. Теоретическая часть 6

1. История создания лазера 6
2. Физические основы работы лазера 11
1. Получение лазерного излучения  11
2. Свойства лазерного излучения 15
3. Типы лазеров 18
1. Твердотельный лазер 18
2. Газовый лазер 20
3. Полупроводниковый 21
4. Жидкостный лазер 24
4. Применение лазерного излучения 25
1. Применение лазеров в промышленности. 25
2. Использование лазеров в информац. технологиях. 27
3. Применение лазеров в медицине ……… 29
5. Перспективы развития лазерной технологии 30

Заключение 34

2. Практическая часть 37

Список использованной литературы 42

ВВЕДЕНИЕ

  Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г ., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании   Это был первый шаг на пути к лазеру.  

 Начиная с 1961 г ., лазеры  разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры  
   Так начинается новый, "лазерный" период оптики.   С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно быстрыми темпами. Появляются новые типы лазеров и одновременно усовершенствуются старые. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров во многие отрасли народного хозяйства

  Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.

  Сейчас лазеры получили широкое применение в науке, технике, быту. Возникла новая область физики - нелинейная оптика, в которой изучается взаимодействие мощного лазерного излучения с различными веществами.

  Лазерное излучение способно управлять движением атомов. Взаимодействие лазерного излучения с атомами вещества вызывает появление в спектре этого вещества новых линий, по которым можно судить о некоторых, ранее неизвестных свойствах вещества (нелинейная лазерная спектроскопия).

  На использовании лазерного излучения основана голография - область науки и техники, занимающаяся получением объемных изображений, а также оптической обработкой информации и её хранением.

Исключительно важно применение лазерного излучения в медицине и биологии. С помощью лазерного луча делаются сложные глазные операции. Излучение мощного лазера используется в хирургии в качестве скальпеля. Здесь важна абсолютная стерильность лазерного луча и его способность прижигать разрезы мелких кровеносных сосудов, чтобы остановить кровотечение. Области применения лазерного излучения непрерывно расширяются.

Лазерная тематика в научных исследованиях с каждым годом получает всё более широкое распространение, лазер как метод научного познания играет всё большую роль в смежных направлениях физики, с его помощью проводятся исследовательские работы в биологии, медицине и т.д., а лазерные технологии могут и должны быть одной из приоритетных ветвей в инновационном развитии промышленности России.

Данная курсовая работа посвящается изучению лазеров и их применения в различных сферах деятельности человека.

Актуальность данной проблематики обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь.

Целью работы является изучение лазерных технологий, что предусматривает решение следующих конкретных задач:

1) познакомиться с принципом  работы различных типов лазеров;

2) узнать способы повышения мощности  лазерного излучения;

3) рассмотреть варианты применения  лазеров.

Объектом исследования является лазеры и лазерное излучение.

Предметом исследования являются методы получения лазерного излучения.

      В данной работе были использованы такие методы исследования, как:

     - Анализ и синтез

     - Индукция и дедукция

1. ИСТОРИЯ СОЗДПНИЯ ЛАЗЕРА

 
  Прошло 50 лет со дня изобретения первого лазера. Без полного понимания того, что свет все же является электромагнитной волной, его изобретение было бы невозможным. В 1918 году за открытие элементарной порции энергии – кванта - Макс Планк (Max Planck) был удостоен Нобелевской премии. Планк работал с абсолютно черным телом, объектом, поглощающим все длины волн падающего на него света. Он пытался объяснить, почему абсолютно черное тело излучает неравномерно на разных длинах волн.

В своей наиболее значимой работе, опубликованной в 1900 году, Планк привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта, постулируя при этом, что энергия может излучаться или поглощаться дискретно, даже если эти порции энергии малы. Его теория совершила перелом в физике, вдохновила на дальнейшие исследования в этой области многих прогрессивных ученых того времени, и в частности таких, как Альберт Эйнштейн (Albert Einstein). В 1905 году тот опубликовал свой знаменитый доклад о фотоэффекте, в котором утверждал, что энергия, которую сообщает электронам в фотоматериале падающий свет, также дискретна, и наименьшую единицу этой дискретности он назвал фотоном.

В 1917 Эйнштейн выдвинул теорию вынужденного излучения, согласно которой, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно. Однако только спустя 40 лет, основываясь на положениях этой теории, был создан первый лазер.

26 апреля 1951 года Чарльзу  Таунсу (Charles Hard Townes) из Колумбийского  университета, что в Нью Йорке (Columbia University, New York), пришла в голову идея о создании мазера (microwave amplification by stimulated emission of radiation ) – прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.

В 1954 этот первый мазер был продемонстрирован Таунсом, Гербертом Цайгером (Herbert J. Zeiger) и выпускником Колумбийского университета Джеймсом Гордоном (James P. Gordon). Мазер излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.

Наши соотечественники Николай Басов и Александр Прохоров, ученые Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве, в 1955 предложили трехуровневый метод накачки мазера. Молекулы с помощью излучения накачки переходят на третий (верхний) уровень, время жизни молекул на котором мало. Затем молекулы релаксируют на метастабильный (промежуточный) уровень, и впоследствии излучают энергию, равную разности между промежуточным и основным уровнями. Годом позже Николас Блумберген (Nicolaas Bloembergen) из Гарвардского университета (Harvard University) представил мазер на твердом теле.

14 сентября 1957 года Таунс  делает первые наброски «мазера»  в лабораторном журнале, мазера, работающего уже в оптическом  диапазоне, а выпускник Колумбийского  университета Гордон Гуд (Gordon Gould) впервые упоминает в своих  заметках слово «лазер» и нотариально  закрепляет свое право на предложенные  принципы его создания. Вскоре  Гуд оставляет университет и  начинает карьеру в частной  фирме TRG (Technical Research Group).

В 1958 Таунс, работавший в то время консультантом Bell Labs, и его шурин Артур Шавлов (Arthur L. Schawlow) в совместной статье в Physical Review Letterпоказали, что «мазер» может работать и в оптическом диапазоне. В ФИАН им. П.Н. Лебедева Басов И Прохоров вели работу по этому же направлению.

Весной 1959 Гуд и TRG подают заявки на патенты, дабы защитить заверенные нотариально еще в 1957 принципы создания лазера. Однако 22 марта 1960 года за номером 2,929,922 был получен патент на имя Таунса и Шавлова, подтверждающий их право на изобретение оптического мазера, который сегодня мы называем просто лазер. Гуд и TRG в течение 30 лет пытались обжаловать это решение. Но безуспешно.

16 мая 1960 года физик из  Калифорнии Теодор Мейнман (Theodore H. Maiman) создает первый лазер на  рубине. Кристалл рубина был 1 см в диаметре и около 2 см в длину. Боковые грани стержня были покрыты серебром для создания резонатора типа Фабри-Перо. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. 7 июня была созвана пресс-конференция, во время которой действие рубинового лазера было представлено общественности. В ноябре 1960-го учеными IBM был продемонстрирован твердотельный лазер, работающий по 4-х уровневой схеме накачки.

Первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в ИК области спектра на длине волны 1.15 мкм, создали Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Херриот (Ali Javan, William Bennett Jr. и Donald Herriott) из Bell Labs в декабре 1960.

На коммерческом рынке лазеры появились с начала 1961 года, реализовывались такими компаниями как Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer and Spectra-Physics.

Далее история лазеров развивалась стремительными темпами. Появились лазеры, использующие в качестве активного элемента самые разнообразные, как жидкие, так твердотельные и газообразные вещества. Лазер на неодиме появляется в октябре 1961 в American Optical Co. Его изобретатель – Элиас Снитцер (Elias Snitzer). В декабре этого же года в США провели первую операцию на сетчатке с использованием рубинового лазера. В 1962 получен импульсный режим работы рубинового лазера, в дальнейшем он использовался для сварки швов на ручных часах.

Полупроводниковый лазер на галлий-арсениде изобрели сотрудники GE, IBM, MIT’s Lincoln Laboratory. Это устройство, превращающее электрический ток непосредственно в ИК излучение. Всем известные GaAsP - светодиоды , излучающие в красном диапаоне, появились в 1962 году благодаря Нику Холоньяку мл. (Nick Holonyak Jr.), работавшему тогда в General Electric Co. lab в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Сегодня это основа для красных LED, используемых CD, DVD-плеерах , сотовых телефонах.

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) появился в июне 1962. К концу этого года общий объем лазерных продаж составил более 1 миллиона американских долларов. В 1963 разрабатываются принципы лазеров с синхронизацией мод. В современном мире без них трудно представить оптическую связь и фемтосекундные лазеры.

В этом же году Герберт Кромер из университета Калифорнии (Herbert Kroemer of the University of California) и команда ученых под руководством Жореса Алферова из Института им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге предложили использовать гетероструктуры в работе полупроводниковых лазеров. В 2000 году оба ученых получили за это Нобелевскую премию.

В марте 1964 благодаря Вильяму Бриджесу (William B. Bridges) из США появляется аргоновый лазер, КПД его был низок, зато излучал он на нескольких длинах волн, в том числе и в УФ диапазоне.

В 1964 Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии за фундаментальный труд в области квантовой электроники, в результате которого были созданы колебательные системы и усилители, работающие на мазер-лазерном принципе.

В том же 64-м создали СО2 лазер, который и по сей день успешно используется в промышленности и медицине.

В 1965 была на практике наблюдали синхронизацию мод – важный шаг на пути к телекоммуникациям.  
В 1966 создан лазер на красителях, накачка которого осуществлялась рубиновым лазером.

За изобретение «накачки» лазеров и мазеров Нобелевской премии в 1966 был удостоен французский физик Альфред Кастлер (Alfred Kastler). 

В 1970 в ФИАН СССР им. Лебедева Басов, Данилевич и Попов изобрели эксимерный лазер.  
Весной этого года Ж.Алферов продемонстрировал непрерывное излучение полупроводниковых лазеров при комнатной температуре, делая все для того, чтобы перевести связь на оптическое волокно с использованием полупроводниковых излучателей. В Corning Glass Works же показали передачу оптического сигнала по оптоволокну с затуханием менее 20 дБ/км. Артур Ашкин (Arthur Ashkin) из Bell Labs изобретает оптическую ловушку, когда атомы вещества оказываются в «подвешенном» состоянии в скрещенных лучах лазеров.

В 1972 изобретают лазер на квантовой яме. Его работа была продемонстрирована в 1977 в университете штата Иллинойс (Illinois). Фактически массово он появился в начале 90-х. В 1972 впервые использовался лазер для создания рисунка на керамической подложке компьютерной микросхемы. 

В 1976 создали лазер на свободных электронах. Вместо активной среды такой лазер использует пучок электронов, разгоняемый до больших скоростей и пропускаемый через поперечное магнитное поле для получения когерентного излучения.

В 1978 появляются лазерные диски. Самые первые плееры для считывания информации использовали гелий-неоновый лазер, которые впоследствии заменили на ИК лазерные диоды. В этом же году Philips выпускает миниатюрные CD, какими мы привыкли их видеть сегодня.

В 1987 году Дэвид Пейн (David Payne) из Великобритании представил оптоволокно, легированное эрбием. Новые оптические усилители сразу же усиливали сигнал без его конвертации в электрическую форму, а затем снова в оптическую.

В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры (ККЛ) Bell Labs, способные излучать сразу на нескольких длинах волн, разделенных промежутками. ККЛ производились методом молекулярной эпитаксии. Изменение толщины определенного слоя ККЛ меняло длины волн излучения. В этом же году в Институте им. А.Ф.Иоффе показали работу лазера на квантовой точке.

В июне 2009 NASA запустило лунный исследовательский комплекс LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), который будет использовать лазер для детального изучения поверхности Луны, что в будущем поможет нам производить безопасную лунную посадку космических кораблей, а также определить, где находится лед на поверхности нашей космической спутницы.

В январе 2010 года в США в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций получен рекордный уровень мощности генерации лазера – беспрецедентный 1МДж в течение одной наносекунды. В будущем планируется использование лазеров для осуществления инерциального термоядерного синтеза.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА

2.1 Получение лазерного излучения.

Согласно классическим представлениям, испускание и поглощение электромагнитного излучения количественно связывается с замедлением и ускорением электрических зарядов. Например, процесс спонтанного испускания сопровождается постепенным расходом начальной энергии осциллятора на излучение в течение некоторого промежутка времени, количественной характеристикой которого служит так называемое время жизни t . В результате излучаемая мощность уменьшается со временем по экспоненте и рассеивается в пространстве в форме сферических волн.

В квантовой теории имеют дело со стационарными состояниями, а элементарные акты поглощения и испускания предполагаются происходящими мгновенно. Эйнштейн предложил процесс излучения или поглощения характеризовать вероятностью, или численным коэффициентом, который определяет, сколько переходов происходит в среднем в единицу времени с каждым из атомов данного ансамбля. Вероятности, получаемые из опыта, являются эмпирическими постоянными атомных процессов, знание которых и позволяет численно описать поведение данной совокупности атомов. Квантовая механика дает возможность, исходя из строения атома, вычислить значения этих коэффициентов.

Испускание может быть спонтанным (происходящим при отсутствии воздействия внешнего излучения) и вынужденным (происходящим в результате воздействия внешнего излучения). Поглощение всегда является вынужденным процессом.

Пусть имеется два уровня (рис. 3.1), содержащих одинаковые частицы, которые могут испускать фотоны частоты n ik.

                                                                                      (1),

Согласно постулатам Эйнштейна, число спонтанных переходов   в единицу времени в единице объема с верхнего уровня на нижний пропорционально количеству частиц на исходном уровне.

                                                                                                (2),

Соотношение строго выполняется, если элементарные процессы независимы, что в большинстве случаев и наблюдается.

                                                                                             (3),

 определяет число спонтанно испускаемых в единицу времени фотонов частоты n ik в расчете на одну возбужденную частицу с энергией Ei. Поэтому этот коэффициент называется вероятностью спонтанного испускания, или коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания.

Число фотонов, поглощенных в единице объема за единицу времени , также пропорционально населенности исходного (нижнего) уровня и еще зависит от плотности падающего излучения rна данной частоте (энергии фотонов в единице объема).

                                                                                            (4),

                                                                                           (5),

 - это Эйнштейновский коэффициент  поглощения. Вероятность поглощения  равна  .

Аналогично определяется число фотонов в случае вынужденного излучения, испускаемых за единицу времени при переходе с верхнего уровня на нижний под воздействием внешнего излучения.

                                                                                          (6),

                                                                                          (7),

Этот коэффициент носит название Эйнштейновского коэффициента для вынужденного излучения. Вероятность перехода равна  .

Если нет вырождения энергетических уровней, то вероятности вынужденных переходов с излучением и поглощение кванта равны. Это означает, что фотон с одинаковой вероятностью может индуцировать излучение или быть поглощен.

В состоянии теплового равновесия высокие энергетические уровни имеют меньшую населенность, чем низкие, поэтому акты поглощения происходят гораздо чаще, чем акты индуцированного испускания. Общий энергетический баланс поддерживается за счет спонтанного излучения.

В случае спонтанных процессов испускание фотонов происходит в любом направлении, а вынужденное испускание - в направлении распространения падающего на частицу излучения.

В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном.

Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам — его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Излученный при этом — вынужденном — переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается — по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по эспоненциальному закону:

I = I0exp(z),                                                                                                (8),

где — коэффициент квантового усиления среды, z — пройденный световой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все атомы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (одноцветным) и когерентным (от лат. kohere — сцепленный).

Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.

Активная среда — смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.

Накачка — внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных — импульсная лампа, в жидкостных — свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых — электрический ток или поток электронов.

Оптический резонатор — пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч. Резонатор выполняет две задачи.

1. За счет отражения фотонов  в зеркалах он заставляет световую  волну многократно проходить  по активной среде, повышая эффективность  ее использования.

2. В момент начала генерации  лазера в нем одновременно  и независимо появляется множество  волн. После отражения от зеркал  резонатора усиливаются по преимуществу  те, для которых выполняется условие  образования стоячих волн: на  длине резонатора укладывается  целое число полуволн. Все остальные  частоты будут подавлены, излучение  станет когерентным.

2.2 Свойства лазерного излучения.

   В настоящее время лазеры перекрывают диапазон от ультрафиолета до субмиллиметровых волн, достигнуты первые успехи в создании рентгеновских лазеров, созданы перестраиваемые по частоте лазеры. 
Мощность лазерного излучения в непрерывном режиме может быть порядка 105-106 Вт, в импульсном - до 1012-1013 Вт, при этом удается достичь интенсивностей порядка 1012-1016 Вт/cм2. Существенно, что эти мощности могут быть сконцентрированы в чрезвычайно узких спектральных и временных интервалах. 
   Длительность импульса излучения в лазерах, работающих в режиме синхронизации мод, может составлять 10-12-10-13 с и специальными методами доводиться до 10-15 с (за это время свет проходит всего 3*10-5 см), то есть лазеры обладают удивительно высокой степенью концентрации энергии во времени. 
   Монохроматичность лазерного излучения, определяемая как ( - ширина линии генерации, - ее центральная частота), при работе лазера на одной частоте и в непрерывном режиме в принципе ограничена шумами [Советская энциклопедия, 1969, Тарасов Л.В., 1981]. Используя специальные методы стабилизации, удается получить относительную стабильность частоты [Брюннер В., Юнге К., 1991]. 
   В случае лазера, работающего в многомодовом режиме, монохроматичность связана с числом генерируемых мод и может составлять несколько гигагерц. В импульсном режиме работы минимальная ширина линии ограничена величиной, обратной длительности импульса. 
   Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной. 
   Когерентность. Лазеры обладают чрезвычайно высокой по сравнению с другими источниками света степенью когерентности излучения, временной и пространственной. 
   Напомним, что временная когерентность определяется временем tk, в течение которого излучение, испущенное из одной точки источника (или приходящие в данную точку пространства), остается когерентным (скажем, дает интерференционную картину в интерферометре Майкельсона). Пространственная когерентность определяется как когерентность излучения, испущенного из разных, находящихся на некотором расстоянии друг от друга точек источника, и может быть определена по контрасту интерференционных полос в известном опыте Юнга с двумя щелями. 
   При работе лазера в одномодовом режиме достигается полная пространственная когерентность, что определяет высокую направленность лазерного излучения и делает возможным его фокусировку в пятно чрезвычайно малых размеров (порядка длины волны). 
Временная когерентность, связанная с монохроматичностью (время когерентности ), оказывается тоже очень высокой. Так, для непрерывно работающего лазера на He-Ne в одночастотном режиме при и длина когерентности lk = tkc (с - скорость света) составляет 3*107 см (300 км), в то время как для нелазерных источников света (например, натриевая лампа) tk = 10 c (lk = 3 см). Таким образом, с использованием лазеров можно наблюдать интерференционную картину даже при разности хода лучей в несколько километров. 
   Направленность лазерного излучения во многом определяется тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. При высокой степени пространственной когерентности угол расходимости лазерного луча может быть сделан близким к пределу, определяемому дифракцией. Типичные значения составляют: для газовых лазеров (0,5-5)*10-3 радиан, у твердотельных (2-20)*10-3 радиан, у полупроводниковых (5-50)*10-2 радиан [Брюннер В., Юнге К., 1991]. 
   Яркость. Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света. Так, гелий-неоновый лазер с мощностью всего 10 мВт и расходимостью излучения 3*10-4 радиан при площади пучка 0,1 см2 имеет яркость 106 Вт/(см2*стерадиан), что во много раз превышает яркость Солнца (130 Вт/(см2 стерадиан)). (Отсюда выражение, что лазер ярче тысячи солнц.) 
   Перечисленные выше свойства делают лазеры уникальными источниками света и определяют возможность их многочисленных применений.

3. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ

3.1. Твердотельный лазер

Твердотельный лазер — это лазер, в котором активной средой являются активированные диэлектрические кристаллы и стёкла или диэлектрические кристаллы с собственными точечными дефектами. В качестве активаторов кристаллов и стёкол обычно служат ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа. Собственные точечные дефекты в кристаллах возникают под воздействием ионизирующего излучения или путём аддитивного окрашивания. Энергетические уровни активаторов или собственных дефектов используются для создания инверсной населённости. Широко используются лазеры на кристалле рубина — оксида алюминия (Al2O3), в котором около 0,05% атомов алюминия замещены ионами хрома Cr3+, на алюмо-иттриевом гранате (Y3Al5O12), на стеклах с примесью ионов неодима (Nd3+), тербия (Tb3+), иттербия (Yb3+) и др. Вынужденное излучение различных частот дают более 250 кристаллов и около 20 стекол.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.

Генерация твердотельных лазеров осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. Активный элемент этих лазеров обычно имеют форму кругового цилиндра или стержня прямоугольного сечения. Иногда применяют и активный элемент более сложных конфигураций. Наибольшее распространение получила конструкция твердотельных лазеров, в которой цилиндрический активный элемент вместе с газоразрядной лампой накачки помещаются в камеру-осветитель, концентрирующую излучение лампы накачки в активный элемент. Из-за многократности отражения излучения накачки от внутренней поверхности камеры-осветителя достигается более полное его поглощение в активный элемент. Применяют осветители, в которых одна лампа накачки работает на нескольких активных элементах или, напротив, один активный элемент накачивается несколькими или большим числом ламп.

Диапазон длин волн генерации твердотельных лазеров простирается от УФ- до средней ИК-области. Твердотельные лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах. У существующих твердотельных лазеров мощность генерации в непрерывном режиме может достигать 1-3 кВт при удельном энергосъёме ~ 10 Вт с 1 см3 активной среды при КПД ~3%. Средняя мощность 103 Вт при частоте повторения импульсов до 100 Гц реализуется в твердотельных лазерах импульсно-периодического действия в режиме свободной генерации при длительности импульса 10-3 10-4с.

Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров.  Это простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности.