Durch Energiezufuhr kann ein Elektron eines Atoms, Moleküls oder Kristalls in einen angeregten Zustand wechseln. Licht entsteht dadurch, dass ein Elektron von solch einem energiereicheren zu einem energieärmeren Zustand wechselt, wobei die Energiedifferenz in Form eines Lichtteilchens (Photon) abgegeben wird. Der entgegengesetzte Ablauf ist die Absorption, bei der durch die Energie eines Photons ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird.

Bei herkömmlichen Lichtquellen erfolgt dieser Übergang durch spontane Emission. D. h. sowohl der Zeitpunkt als auch die Richtung, in die das Photon ausgesendet wird, sind zufällig. Beim Laser hingegen erfolgt dieser Übergang durch stimulierte Emission. D. h. ein Lichtteilchen stimuliert diesen Übergang, und dadurch entsteht ein zweites Lichtteilchen, dessen Merkmalen (Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung) mit dem des ersten identisch sind: Lichtverstärkung.

Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durch Absorption ein Elektron auf ein höheres Niveau anhebt, ist genauso hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es eine stimulierte Emission auslöst. Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen daher mehr Elektronen in dem höheren Niveau liegen als in dem niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption. Diesen Zustand bezeichnet man Besetzungsinversion.

In einem technischen Laser wird das Licht durch eine Anordnung zweier Spiegel stets wieder durch das Gebiet, im Besetzungsinversion (im aktiven Medium z. B. "Nd:YAG-Kristall" oder "CO₂-Gas") herrscht, geleitet. Eine solche Anordnung bezeichnet man optischen Resonator (lat. resonare= zurücksingen, hallen). In dem Resonator wird das Licht beim Hin- und Herlaufen zwischen den beiden Spiegeln stets weiter verstärkt, bis der Leistungszuwachs innerhalb des Systems durch die Abnahme der Besetzungsinversion und die stets stärker ansteigenden Verluste ausgeglichen wird. Einer der beiden Spiegel ist teilweise (im Prozentbereich) durchlässig, um Licht aus dem Laser auszukoppeln, so dass das Laserlicht austritt. Die Leistung innerhalb des Resonators ist dadurch viel höher als die ausgekoppelte Leistung. Ausgangsleistungen von typischen Lasersystemen reichen von wenigen Mikrowatt (µW) bei Diodenlasern bis zu einigen Terawatt (TW) bei gepulsten Femto- oder Attosekunden Lasern mit externer Verstärkung. Die Diodenlaser gibt es mittlerweile auch schon in kW-Bereich.

Bei Freie-Elektronen-Lasern fungiert ein hochenergetischer Elektronenstrahl als aktives Medium. Dieser Elektronenstrahl wird durch einen Undulator, der aus Magneten besteht, die längs der Strahlrichtung so angeordnet sind, dass das Magnetfeld seine Richtung längs des Weges periodisch ändert (zeitlich ist es hingegen konstant), gelenkt. Dadurch schwingen die Elektronen mit einer bestimmten Frequenz, während sie den Undulator passieren, und geben elektromagnetische Strahlung ab. In Vorwärtsrichtung ist diese elektromagnetische Strahlung durch die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls stark blauverschoben. Durch Spiegel, die wie bei anderen Lasern angeordnet sind, können bestimmte Frequenzen konstruktiv interferieren; dadurch kommt es zu größeren Intensitäten bei diesen Frequenzen, was wiederum zur stimulierten Lichtemission der Elektronen führt. Für Laser mit größeren Wellenlängen gibt es elektronentransparente Spiegel, die aus einem Drahtgitter bestehen, wobei der Drahtabstand wesentlich kleiner ist als die Laserwellenlänge; elektronentransparenten Spiegel erleichtern die Führung des Elektronenstrahls, der ja in dem Undulator parallel zu den Lichtwellen ist. Der Elektronenstrahl, der nachdem Undulator nicht viel Energie verloren hat, wird häufig auf eine Anode gelenkt und die Energie geht als Wärme verloren. Die Energie des Elektronenstrahls kann auch zurückgewonnen werden, was die Effizienz des Systems erhöht. Die Lichtwellenlänge kann bei freien Elektronenlasern kontinuierlich verändert werden, indem Spiegelabstand und Elektronenenergie verändert werden. Die Effizienz dieses Lasertyps kann relativ hoch sein. Man hofft, in Zukunft freie Elektronenlaser bauen zu können, die elektromagnetische Strahlung in dem Röntgen- oder sogar Gammabereich emittieren.

Laserlicht kann extrem stark gebündelt werden, da es sich um räumlich kohärentes Licht handelt.

Die Polarisation von Laserstrahlen ist meist geordnet und üblicherweise linear.

Laserlicht von Dauerstrich-Lasern (englisch: continuous-wave lasers, cw-lasers) ist meist monochrom (einfarbig), was einer einheitlichen Wellenlänge entspricht. Außerdem ist Dauerstrich-Laserlicht zeitlich beziehungsweise longitudinal kohärent, was bedeutet, dass die beteiligten Wellen nicht ca. mit der gleichen Frequenz schwingen, sondern auch alle in dem gleichen Takt. Dieses Merkmal ermöglicht erst die Holographie. Ebenso ist eine Stabilisierung der absoluten Phase (Phase hat einen bestimmten Wert und ist relativ stabil) möglich.

Im Gegensatz zu dem Dauerstrich-Laser erzeugt ein modengekoppelter Laser Licht mit verschiedenen Frequenzen. Wenn diese Frequenzen eine feste Phasenbeziehung zueinander besitzen, so kommt es zur Ausbildung einer pulsierenden Ausgangsleistung. Die somit erzielbaren Impulsdauern liegen heutzutage in der Größenordnung von Femtosekunden (siehe auch: Femtosekunden-Laser). Die Wiederholfrequenz, mit der die Pulse den Laser verlassen, hängt von der Resonatorlänge ab. Bei einem Resonator mit der Umlauflänge vom einem Meter beträgt diese etwa 300 MHz.

Neben der Modenkopplung sind die Gütemodulation (Q-switching) und das cavity-dumping weitere wichtige Techniken zu Erzeugung kurzer und energiereicher Laserpulse.

Mit Lasern ist es gelungen, Licht vollständig zu kontrollieren (Intensität, Richtung, Frequenz, Polarisation, Phase).

• Gaslaser
  • Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser): Wichtigste Emissionswellenlänge bei 632,8 nm (rot).
  • Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser): etwa 10,6 Î¼m Wellenlänge (mittleres Infrarot)
  • Stickstofflaser (N₂-Laser): in dem UV
  • Argon-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 457,9 nm (8%), 476,5 nm (12%), 488,0 nm (20%), 496,5 nm (12%), 501,7 nm (5%), 514,5 nm (43%)
  • Excimerlaser, z. B. KrF (248 nm), XeF (351-353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F₂ (157 nm)
  • Kupferdampflaser, bei 510,6 und 578,2 nm. Aufgrund der hohen Verstärkung kann ein Kupferdampflaser auch ohne Resonatorspiegel betrieben werden.

• Farbstofflaser
  • CW-Farbstofflaser mit umgepumpten Farbstoff, Farbstoffe z. B. Stilben , Cumarin, Rhodamin
  • Blitzlampengepumpte Laser
• Farbzentrenlaser
  • z. B. in NaCl
• Festkörperlaser
  • erster Laser, entwickelt vom Maiman in dem Jahre 1960: Rubinlaser, 694,3 nm
  • hierbei ist der Nd:YAG-Laser, bei 1064 nm (beziehungsweise bei 532 nm frequenzverdoppelt) der wichtigste kommerzielle Festkörperlaser. Weitere Nd:Glas, Ti:Saphir
• Halbleiterlaser
  • Laserdioden (elektrisch gepumpt)
  • Optisch gepumpte Halbleiterlaser, auch Halbleiter-Scheibenlaser
  • Quantenkaskadenlaser
  • Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) (sowohl optisch als auch elektrisch gepumpt)
  • Abstimmbarer Laser (Tunable Laser Source, TLS) mit veränderbarer Wellenlänge
• Chemische Laser
  • HCl-Laser
  • Iod-Laser
• Freie-Elektronen-Laser (FEL)
• Zufallslaser

• Werkstoffbearbeitung:
  • Durch die starke Bündelung können extrem starke Laserstrahlen erzeugt werden, mit denen Werkstoffe geschnitten oder geschweißt werden können. Außerdem gibt es die Möglichkeit Stahl mit Laser zu härten. Dabei schreckt sich das Metall durch Wärmeleitung selbst ab.
• Medizin:
  • In der Augenheilkunde wird Laserlicht niedriger Leistung zur Diagnose eingesetzt, z. B. in der optischen Kohärenztomographie OCT. In der Therapie kann mit höherer Leistung eine sich ablösende Netzhaut am Augenhintergrund verschweißt werden. Außerdem kann Fehlsichtigkeit durch Abtragung von Hornhaut beziehungsweise Material der Augenlinse korrigiert werden (z. B. LASIK-Operation).

Mithilfe von Laser kann man auch Nerven Absichtgerichtet wachsen lassen diese Technik ist allerdings noch in der Forschung.

• • In der Dermatologie und Venerologie lassen sich mit Laserstrahlen Schnitte und Verödungen durchführen.
  • In der Zahnmedizin kann der Laser den Bohrer ersetzen.
  • Neuere Entwicklungen in der Augenheilkunde beziehungsweise Zahnmedizin sind teilweise durch die Femtosekunden-Laser- oder FS-Laser-Technik möglich geworden.
• Messtechnik
  • Durch Interferenzen oder das Kohärenzradar sind Präzisionsmessungen möglich.
  • Beim Tunnelbau kann durch Laserstrahlen ein gerader Tunnelvortrieb erreicht werden.
  • Im Bauwesen wird er zu dem Nivellieren genutzt.
  • In der Verkehrsüberwachung werden Laserpistolen von der Polizei (Exekutive) zur Geschwindigkeitsmessung von Kraftfahrzeugen benutzt.
  • in Barcodelesegeräten werden die Laser zu dem Abtasten von Barcodes benutzt. Dabei wird der Strahl über ein Spiegelrad gleichmäßig über den Barcode Linienförmig geführt. Der reflektierte Strahl wird über einen Fototransistor als hell-dunkel Sequenz ausgewertet.
  • in Brandmeldern ("Lasermelder")
  • Schwingungsanalyse und Formerfassung durch elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI)
• Wissenschaft
  • Vermessungen der Erde durch Satelliten, Messung von tektonischen Verschiebungen
  • Vermessung atomarer Energieniveaus (Atomspektroskopie)
  • In der Chemie ist durch Infrarot- und Ramanspektroskopie die Identifizierung und Analyse von Molekülen möglich.
  • Zeitaufgelöste Spektroskope mit ultrakurzen Laser-Impulen in dem Pikosekunden-Bereich, z. B. zeitlicher Ablauf von chem. Reaktionen
  • Nichtlineare Optik
  • Mit einem Konfokalmikroskop kann man die Probleme der Schärfentiefe des Lichtmikroskopes umgehen.
  • In der Zellbiologie als Optische Pinzette
• Holographie
  • Als Kunstobjekte
  • Zur Datenspeicherung
• Datentechnik
  • Datenspeicherung, z. B. CD-ROM, DVD
  • Datenübertragung, z. B. mit Glasfasern
  • Datenfernübertragung, Laser-WAN, siehe auch Optischer Richtfunk
• Militär
  • Markierung von Absichten für selbststeuernde Waffen
  • Entfernungsmessung für z. B. Panzer
  • erste Versuche von Lasergewehren die den Gegner z. B. erblinden lassen
  • Hochenergielaser auf Flugzeugen und Schiffen zur Raketenabwehr
  • projektierte Lasersatelliten zur Raketenabwehr mittels Hochenergielasern
• Sonstiges / Unterhaltung
  • Laserpointer
  • Disco, Bühnenshows, in dem Planetarium als moderner "Diaprojektor" mit Ausleuchtung der vollen Halbkugel, ...

Entsprechend der Gefährlichkeit für den Menschen sind die Laser in Geräteklassen eingeteilt. Die Klassifizierung nach DIN EN 60825-1 erfolgt vom Hersteller. (Die alte Klassifizierung nach DIN VDI 0837 (siehe unten) darf für neue Laser nicht mehr benutzt werden)

• Klasse 1

Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich.

• Klasse 1M

Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser benutzt werden.

• Klasse 2

Die zugängliche Laserstrahlung liegt ca. in dem sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s) ungefährlich auch für das Auge. Eine längere Bestrahlung wird durch den natürlichen Lidschlussreflex verhindert.

• Klasse 2M

Wie Klasse 2 solange keine optischen Instrumente, wie Lupen oder Ferngläser benutzt werden.

• Klasse 3R

Eine Gefährdung des Auges ist möglich aber unwahrscheinlich. Maximal 5-fache Leistung der Klasse 2 in dem sichtbaren oder der Klasse 1 in dem unsichtbaren Spektralbereich.

• Klasse 3B

Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge und in besonderen Fällen auch für die Haut.

• Klasse 4

Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- oder Explosionsgefahr verursachen.

Bis März 1997 galten in Deutschland die Laserklassen nach DIN VDI 0837. Diese Einteilung ist heute noch in den Vereinigte Staaten Amerika gebräuchlich.

• Klasse 1

entspricht der neuen Klasse 1

• Klasse 2

entspricht der neuen Klasse 2

Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 1M eingestuft.

• Klasse 3a

Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlungsquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Ist dies nicht der Fall, ist die ausgesandte Laserstrahlung in dem sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm) bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 0,25 s), in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung, ungefährlich.

Je nach Wellenlänge werden diese Laser heute meist in Klasse 2M oder 3R eingestuft.

• Klasse 3b

entspricht der neuen Klasse 3B

Laser dieser Klasse werden unter Umständen heute in 2M oder 3R eingestuft.

• Klasse 4

entspricht der neuen Klasse 4

• Sam's Laser FAQ (englisch) (http://www.repairfaq.org/sam/lasersam.htm)
• Faszination Licht (deutsch) (http://www.faszinationlicht.de)

Laser (Bootsklasse)