レーザ

レーザーは、電磁波の誘導放出に基づく光増幅プロセスを通じて光を放射する装置である。レーザーという言葉は、誘導放出による光増幅の頭字語として生まれた。^{[1] [2]}最初のレーザーは、チャールズ・H・タウンズとアーサー・レナード・ショーローの理論的研究に基づいて、ヒューズ研究所のセオドア・メイマンによって1960年に構築された。^[3]

レーザーは、コヒーレントな光を発するという点で他の光源と異なります。空間コヒーレンスにより、レーザーを狭いスポットに集中させることができ、光通信、^{[4] 、} レーザー切断、リソグラフィーなどの用途が可能になります。また、レーザービームを長距離にわたって狭い範囲に保つこともできます (コリメーション)。この機能は、レーザーポインター、ライダー、自由空間光通信などの用途で使用されます。レーザーは高い時間コヒーレンスを持つこともできるため、非常に狭い周波数スペクトルの光を発することができます。時間コヒーレンスは、スペクトルは広いが持続時間はアト秒ほどの超短光パルスを生成するためにも使用できます。^[5]

レーザーは、光ディスクドライブ、レーザープリンター、バーコードスキャナー、DNA配列決定装置、光ファイバーおよび自由空間光通信、半導体チップ製造（フォトリソグラフィー、エッチング）、レーザー手術および皮膚治療、材料の切断および溶接、標的のマーキングおよび距離と速度の測定のための軍事および法執行機関の装置、および娯楽用のレーザー照明ディスプレイに使用されています。青色から近紫外線までの半導体レーザーは、白色光源として蛍光を励起するために発光ダイオード（LED）の代わりにも使用されています。これにより、レーザーの放射輝度がはるかに大きいため、発光領域をはるかに小さくすることができ、LEDで発生するドループを回避できます。このようなデバイスはすでに一部の自動車のヘッドライトに使用されています。^{[6] [7] [8] [9]}

誘導放出による増幅を用いた最初の装置はマイクロ波周波数で動作し、「誘導放出によるマイクロ波増幅」を意味するメーザー^{と呼ばれた。 [10]同様の}光学装置が開発されたとき、最初は光メーザーと呼ばれていたが、頭字語の「マイクロ波」が「光」に置き換えられてレーザーとなった。^{[11] [12] [13]}

現在、マイクロ波より高い周波数（約300GHz以上）で動作するすべての装置はレーザー（例：赤外線レーザー、紫外線レーザー、X線レーザー、ガンマ線レーザー）と呼ばれ、マイクロ波またはより低い無線周波数で動作する装置はメーザーと呼ばれています。^{[14] [15]}

逆形の動詞「to lase」は、特にレーザーの増幅媒体について「コヒーレントな光を発する」という意味で、この分野では頻繁に使用されます。 ^[16]レーザーが動作しているときは、「lasing」していると言われます。^[17]レーザーとメーザーという用語は、天体物理学のメーザーや原子レーザーのように、自然に発生するコヒーレントな放射にも使用されます。^{[18] [19]}

自ら光を生成するレーザーは、技術的には光発振器であり、頭字語が示唆する光増幅器ではない。 ^{[20]頭字語 LOSER（「誘導放出による光発振」）の方が正確だっただろうとユーモラスに指摘されている。 [19]元の頭字語が一般名詞として広く使用されるようになったため、光増幅器は}レーザー増幅器と呼ばれるようになった。^[21]

現代物理学では、光やその他の電磁放射を、光子と呼ばれる基本粒子の集団行動として説明しています。光子は、電荷を帯びた他の基本粒子との電磁相互作用によって放出および吸収されます。光子を放出する一般的な方法は、物体を加熱することです。物体に適用される熱エネルギーの一部により、物体内の分子と電子がエネルギーを獲得し、その後、熱放射によって失われ、それが光として見えます。これが、ろうそくの炎が光を発するプロセスです。

熱放射はランダムなプロセスであるため、放出される光子はさまざまな波長を持ち、さまざまな方向に進み、さまざまな時間に放出されます。ただし、物体内のエネルギーはランダムではありません。エネルギーは「励起状態」の原子や分子に蓄えられ、異なる波長の光子を放出します。これにより分光法という科学が生まれ、物質が放出する特定の波長を通じて物質を判別できるようになります。

レーザーで光子を生成する基本的な物理プロセスは熱放射の場合と同じですが、実際の放出はランダムな熱プロセスの結果ではありません。代わりに、光子の放出は、近くを通過する別の光子によって引き起こされます。これは誘導放出と呼ばれます。このプロセスが機能するには、通過する光子のエネルギー、つまり波長が、原子または分子から放出される光子のエネルギー、つまり波長と同等である必要があり、原子または分子は適切な励起状態にある必要があります。

誘導放出によって放出される光子は、その放出を引き起こした光子と同一であり、両方の光子が他の原子の誘導放出を引き起こし、連鎖反応の可能性が生じる可能性があります。これが起こるには、光子がそれらを引き起こすことができるように、多くの原子または分子が適切な励起状態になければなりません。ほとんどの材料では、原子または分子は励起状態からかなり急速に脱落するため、連鎖反応を起こすことは困難または不可能です。レーザー用に選択される材料は、比較的長い時間励起状態を維持する準安定状態を持つものです。レーザー物理学では、そのような材料は活性レーザー媒体と呼ばれます。材料にエネルギーを「注入」し続けるエネルギー源と組み合わせると、連鎖反応を発達させるのに十分な数の原子または分子を励起状態に置くことができます。

レーザーはコヒーレンスによって他の光源と区別されます。空間的 (または横方向) コヒーレンスは、通常、出力が狭いビーム(回折限界)になることで表されます。レーザービームは非常に小さなスポットに焦点を絞って非常に高い放射照度を達成したり、非常に低い発散度にして遠くまでパワーを集中させたりすることができます。時間的 (または縦方向) コヒーレンスは、単一周波数の偏光波を意味し、その位相はビームに沿った比較的長い距離 (コヒーレンス長) にわたって相関しています。 ^{[22] [ページ必要]}熱光源またはその他のインコヒーレント光源によって生成されたビームは、時間と位置に対してランダムに変化する 瞬間的な振幅と位相を持ち、そのためコヒーレンス長が短くなります。

レーザーは真空中の波長によって特徴付けられます。ほとんどの「単一波長」レーザーは、わずかに異なる波長を持つ複数のモードで放射を生成します。時間的コヒーレンスはある程度の単色性を意味しますが、一部のレーザーは広範囲のスペクトルの光を放射したり、異なる波長の光を同時に放射します。特定のレーザーは単一空間モードではなく、回折限界で必要とされる以上に発散する光線を持ちます。このようなデバイスはすべて、誘導放出による光の生成方法に基づいて「レーザー」として分類されます。レーザーは、より単純な技術では必要な空間的または時間的コヒーレンスの光が生成できない場合に使用されます。

レーザーは、増幅媒体、増幅媒体にエネルギーを与える機構、および光フィードバックを提供するものから構成されます。^{[23]増幅媒体は、誘導放出によって光を}増幅できる特性を持つ材料です。増幅媒体を通過する特定の波長の光は増幅されます（出力が増加）。フィードバックにより、誘導放出は主にゲイン周波数曲線のピークにある光周波数を増幅することができます。誘導放出が大きくなると、最終的に1つの周波数が他のすべての周波数よりも優位になり、コヒーレントビームが形成されます。^[24]

誘導放出のプロセスは、例えば拡声システムのスピーカーがマイクの近くに設置されたときに発生する正帰還を伴うオーディオ発振器のプロセスに似ています。聞こえる甲高い音は、アンプのゲイン周波数曲線のピークにおけるオーディオ発振です。^{[25] [ページが必要]}

増幅媒体が光を増幅するには、ポンピングと呼ばれるプロセスでエネルギーを供給する必要があります。エネルギーは通常、電流または異なる波長の光として供給されます。ポンプ光はフラッシュランプまたは別のレーザーによって供給されます。

最も一般的なタイプのレーザーは、光キャビティ（ゲイン媒体の両端にある一対のミラー）からのフィードバックを使用します。光はミラー間を往復し、ゲイン媒体を通過してそのたびに増幅されます。通常、2 つのミラーのうちの 1 つである出力カプラは部分的に透明です。光の一部はこのミラーを通過します。キャビティの設計（ミラーが平面か曲面か）に応じて、レーザーから出てくる光は広がるか、または狭いビームを形成します。電子発振器に似せて、このデバイスはレーザー発振器と呼ばれることもあります。

実用的なレーザーのほとんどには、偏光、波長、ビームの形状など、放射される光の特性に影響を与える追加要素が含まれています。^[要出典]

電子とそれが電磁場とどのように相互作用するかは、化学と物理学を理解する上で重要です。

古典的な見方では、原子核を周回する電子のエネルギーは、原子核から遠い軌道ほど大きくなります。しかし、量子力学的効果により、電子は軌道内で離散的な位置を取ることになります。そのため、電子は原子の特定のエネルギーレベルに存在し、そのうちの 2 つを以下に示します。

原子内の電子は、光子またはフォノンが運ぶエネルギーと一致するエネルギー レベル間の遷移がある場合にのみ、光 (光子) または熱 (フォノン) からエネルギーを吸収できます。光の場合、これは、特定の遷移が光の特定の波長のみを吸収することを意味します。正しい波長の光子は、電子を低いエネルギー レベルから高いエネルギー レベルにジャンプさせることができます。このプロセスで光子が消費されます。

電子が、ある状態からエネルギー差 ΔE を持つより高いエネルギー レベルに励起されると、その状態は永久に維持されません。最終的に、真空からエネルギー ΔE を持つ光子が自発的に生成されます。エネルギーを保存すると、電子は占有されていないより低いエネルギー レベルに遷移しますが、異なるレベルへの遷移には異なる時定数があります。このプロセスは自然放出と呼ばれます。自然放出は量子力学的な効果であり、ハイゼンベルクの不確定性原理の直接的な物理的現れです。放出された光子はランダムな方向を持ちますが、その波長は遷移の吸収波長と一致します。これが蛍光および熱放出のメカニズムです。

遷移によって吸収される正しい波長の光子は、電子を高いレベルから低いレベルに降下させ、新しい光子を放出することもあります。放出された光子は、波長、位相、方向が元の光子と完全に一致します。このプロセスは誘導放出と呼ばれます。

ゲイン媒体は、外部エネルギー源によって励起状態になります。ほとんどのレーザーでは、この媒体は、外部光源、または原子が吸収して励起状態に変換するためのエネルギーを供給する電界を使用してそのような状態に励起された原子の集団で構成されています。

レーザーの利得媒体は通常、純度、サイズ、濃度、形状が制御された材料であり、上記の誘導放出プロセスによってビームを増幅します。この材料は、ガス、液体、固体、プラズマのいずれの状態でもかまいません。利得媒体はポンプエネルギーを吸収し、一部の電子をより高いエネルギー（「励起」）量子状態に上げます。粒子は、光子を吸収または放出することによって光と相互作用します。放出は自発的または誘導的です。後者の場合、光子は通過する光と同じ方向に放出されます。1つの励起状態の粒子の数が、より低いエネルギー状態の粒子の数を超えると、反転分布が達成されます。この状態では、誘導放出の速度が媒体内の光の吸収速度よりも大きいため、光が増幅されます。この特性を持つシステムは、光増幅器と呼ばれます。光増幅器を共鳴光キャビティ内に配置すると、レーザーが得られます。^[26]

極めて高い利得を持つレーザー媒体、いわゆるスーパールミネセンスの場合、共振器を必要とせずに、利得媒体を一度通過するだけで光を十分に増幅することができます。このようなデバイスはレーザーと呼ばれることが多いですが（たとえば、窒素レーザーを参照）、^[27]このようなデバイスから出力される光は、レーザーで達成できる空間的および時間的なコヒーレンスを欠いています。このようなデバイスは発振器ではなく、むしろ自発放出を増幅する高利得光増幅器として説明できます。同じメカニズムは、いわゆる天体物理学的メーザー/レーザーにも当てはまります。

光共振器は「光キャビティ」と呼ばれることもありますが、これは誤った呼び方です。レーザーは、メーザーのマイクロ波周波数で使用される文字通りのキャビティではなく、オープン共振器を使用します。共振器は通常、2 つのミラーで構成され、その間をコヒーレントな光線が両方向に移動し、反射するため、平均的な光子は、出力開口部から放出されるか、回折または吸収によって失われる前に、ゲイン媒体を繰り返し通過します。媒体のゲイン (増幅) が共振器の損失よりも大きい場合、循環する光のパワーは指数関数的に増加します。しかし、各誘導放出イベントは、原子を励起状態から基底状態に戻すため、媒体のゲインが減少します。ビーム パワーが増加すると、純ゲイン (ゲイン - 損失) は 1 に減少し、ゲイン媒体は飽和していると言われます。連続波 (CW) レーザーでは、ポンプ パワーとゲイン飽和およびキャビティ損失のバランスによって、キャビティ内のレーザー パワーの平衡値が生成されます。この平衡がレーザーの動作点を決定します。適用されるポンプ パワーが小さすぎると、ゲインがキャビティ損失を克服するのに十分でなくなり、レーザー光は生成されません。レーザー動作を開始するために必要な最小ポンプ パワーは、レーザーしきい値と呼ばれます。ゲイン媒体は、方向に関係なく、通過するすべての光子を増幅しますが、共振器によってサポートされている空間モードの光子のみが媒体を複数回通過し、大幅な増幅を受けます。

ほとんどのレーザーでは、レーザー発振はレーザー発振モードへの自然放出から始まります。この最初の光は、次に増幅媒体での誘導放出によって増幅されます。誘導放出は、方向、波長、偏光において入力信号と一致する光を生成しますが、放出された光の位相は、誘導光に対して 90 度進んでいます。^[28]これは、光共振器のフィルタリング効果と相まって、レーザー光に特徴的なコヒーレンスを与え、共振器の設計に応じて、均一な偏光と単色性を与えることができます。レーザー共振器から放出される光の基本レーザー線幅^{[29]は、受動共振器から放出される光の線幅よりも桁違いに狭くすることができます。一部のレーザーでは、すでに非常にコヒーレントなビームでプロセスを開始するために、別の}注入シーダーを使用します。これにより、他の方法よりも狭いスペクトルのビームを生成できます。

1963年、ロイ・J・グラウバーは、コヒーレント状態が光子数状態の組み合わせから形成されることを示して、ノーベル物理学賞を受賞した。^[30] コヒーレント光線は、ポアソン分布に従って分布する単一周波数量子光子状態によって形成される。その結果、レーザー光線内の光子の到着率はポアソン統計によって記述される。^[31]

多くのレーザーは、ガウスビームとして近似できるビームを生成します。このようなビームは、与えられたビーム径に対して可能な限り最小の発散角を持ちます。一部のレーザー、特に高出力レーザーは、マルチモードビームを生成します。横モードは、多くの場合、エルミートガウス関数またはラゲールガウス関数を使用して近似されます。一部の高出力レーザーは、「トップハットビーム」と呼ばれる平らな上部のプロファイルを使用します。不安定なレーザー共振器（ほとんどのレーザーでは使用されていません）は、フラクタル形状のビームを生成します。^{[32]特殊な光学システムは、}ベッセルビームや光渦などのより複雑なビーム形状を生成できます。

レーザー ビームの「ウエスト」(または焦点領域) 付近では、ビームは高度に平行化されています。つまり、波面は平面で、伝播方向に対して垂直であり、その点ではビームの発散はありません。ただし、回折のため、この状態はレイリー範囲内でのみ当てはまります。単一横モード (ガウス ビーム) レーザーのビームは、回折理論で要求されるように、ビームの直径に反比例する角度で最終的に発散します。したがって、一般的なヘリウム ネオン レーザーによって直接生成される「ペンシル ビーム」は、月 (地球からの距離) に照射されると、おそらく 500 キロメートルの大きさに広がります。一方、半導体レーザーからの光は、通常、最大 50° の大きな発散で小さな結晶から出ます。ただし、このような発散ビームでも、レンズシステムを使用して同様に平行化されたビームに変換できます。これは、たとえばレーザー ダイオードからの光を使用するレーザー ポインターに常に組み込まれています。これは、光が単一の空間モードであるため可能です。レーザー光のこのユニークな特性である空間コヒーレンスは、懐中電灯（トーチ）やスポットライトのビームとほぼすべてのレーザーのビームを比較するとわかるように、標準的な光源を使用して再現することはできません（ほとんどの光を破棄する場合を除きます）。

レーザー ビーム プロファイラーは、レーザービームの強度プロファイル、幅、および発散を測定するために使用されます。

マットな表面からのレーザー光線の拡散反射により、興味深い特性を持つスペックルパターンが生成されます。

レーザーで放射を生成するメカニズムは、原子または分子の遷移からエネルギーが抽出される誘導放出に依存しています。これは、自然放出を表すA係数と、吸収と誘導放出に適用されるB係数の関係を導き出したアルバート アインシュタインによって予測された量子現象です。自由電子レーザーの場合、原子のエネルギー レベルは関係ありません。このかなり風変わりなデバイスの動作は、量子力学を参照せずに説明できるようです。

レーザーは、出力が時間経過に伴って本質的に連続的であるか、またはその出力が何らかの時間スケールで光のパルスの形をとるかによって、連続モードまたはパルス モードのいずれかで動作していると分類できます。もちろん、通常は連続的な出力を持つレーザーでも、意図的に一定の速度でオン/オフにして光のパルスを作成することができます。変調速度がキャビティの寿命やレーザー媒体またはポンピング メカニズムにエネルギーを蓄積できる期間よりもずっと遅い時間スケールである場合、それは依然として「変調」または「パルス」連続波レーザーとして分類されます。通信システムで使用されるほとんどのレーザー ダイオードは、このカテゴリに分類されます。

レーザーの用途によっては、出力が時間とともに一定であるビームを必要とするものがあります。このようなレーザーは、連続波( CW ) レーザーと呼ばれます。このような用途を満たすために、多くの種類のレーザーを連続波モードで動作させることができます。これらのレーザーの多くは、複数の縦モードで同時にレーザーを発し、それらの振動のわずかに異なる光周波数間のビートにより、往復時間 (モード間の周波数間隔の逆数) よりも短い時間スケールで振幅の変化が生じます。通常、この時間スケールは数ナノ秒以下です。ほとんどの場合、これらのレーザーは、長期間にわたって平均すると出力が一定であり、非常に高い周波数の電力変動が目的の用途にほとんどまたはまったく影響を与えないため、依然として「連続波」と呼ばれます (ただし、この用語は、往復時間の速度で非常に短いパルスを生成することを 目的とするモードロックレーザーには適用されません)。

連続波動作の場合、ゲイン媒体の反転分布は、安定したポンプ ソースによって継続的に補充される必要があります。一部のレーザー媒体では、これは不可能です。他のレーザーでは、非常に高い連続出力レベルでレーザーをポンピングする必要がありますが、これは非現実的であり、過度の熱を生成してレーザーを破壊する可能性があります。このようなレーザーは、CW モードで動作できません。

レーザーのパルス動作とは、連続波として分類されないレーザーのことを指し、光出力は一定の繰り返し率で一定の持続時間のパルスとして現れます。これには、さまざまな目的に対応する幅広い技術が含まれます。一部のレーザーは、連続モードで動作できないという理由だけでパルス化されます。

その他のケースでは、アプリケーションは可能な限り大きなエネルギーを持つパルスを生成することを必要とします。パルスエネルギーは平均電力を繰り返し率で割った値に等しいため、この目標は、パルス率を下げてパルス間​​により多くのエネルギーを蓄積することで達成できる場合があります。たとえば、レーザーアブレーションでは、ワークピースの表面にある少量の材料を非常に短時間で加熱すると蒸発させることができますが、エネルギーを徐々に供給すると、熱がワークピースの大部分に吸収され、特定のポイントで十分な高温に達することはありません。

その他のアプリケーションでは、特に非線形光学効果を得るために、パルスのエネルギーではなくピークパルス電力に依存します。与えられたパルスエネルギーに対して、 Q スイッチングなどの技術を使用して、可能な限り短い持続時間のパルスを生成する必要があります。

パルスの光帯域幅は、パルス幅の逆数よりも狭くすることはできません。非常に短いパルスの場合、これは CW レーザーに典型的な非常に狭い帯域幅とはまったく逆に、かなりの帯域幅にわたってレーザーを発振することを意味します。一部の色素レーザーや振動固体レーザーのレーザー媒体は、広い帯域幅にわたって光学利得を生成するため、数フェムト秒(10 ⁻¹⁵秒)という短い光パルスを生成できるレーザーが可能になります。

Q スイッチ レーザーでは、共振器内に媒体のゲインを超える損失を導入することで反転分布が構築されます。これは、キャビティの品質係数または「Q」の低下とも呼ばれます。次に、レーザー媒体に蓄積されたポンプ エネルギーが最大可能レベルに近づいた後、導入された損失メカニズム (多くの場合、電気光学要素または音響光学要素) が急速に除去され (または受動デバイスで自動的に発生)、レーザー発振が開始され、ゲイン媒体に蓄積されたエネルギーが急速に得られます。その結果、そのエネルギーを組み込んだ短いパルスが生成され、ピーク パワーが高くなります。

モード同期レーザーは、数十ピコ秒から 10フェムト秒未満の オーダーの極めて短いパルスを放射することができます。これらのパルスは往復時間、つまり光が共振器を構成するミラー間を 1 往復するのにかかる時間で繰り返されます。フーリエ限界(エネルギー-時間不確定性とも呼ばれる) により、このように時間的に短いパルスのスペクトルはかなりの帯域幅に広がります。したがって、このようなゲイン媒体は、それらの周波数を増幅するのに十分な広いゲイン帯域幅を持っている必要があります。適切な材料の例としては、チタンをドー​​プした人工サファイア( Ti:サファイア) があります。これはゲイン帯域幅が非常に広く、わずか数フェムト秒の持続時間のパルスしか生成できません。

このようなモード同期レーザーは、極めて短い時間スケールで発生するプロセス（フェムト秒物理学、フェムト秒化学、超高速科学として知られている）を研究したり、光学材料における非線形性の効果を最大化したり（例えば、第二高調波発生、パラメトリックダウンコンバージョン、光パラメトリック発振器など）するための最も用途の広いツールです。Qスイッチレーザーの巨大パルスとは異なり、モード同期レーザーからの連続パルスは位相コヒーレントです。つまり、パルス（エンベロープだけでなく）は同一であり、完全に周期的です。この理由と、このような短いパルスによって達成される極めて大きなピークパワーのために、このようなレーザーは特定の研究分野では非常に貴重です。

パルスレーザー動作を実現する別の方法は、フラッシュランプの場合は電子充電、またはすでにパルス化されている別のレーザーのいずれかによって、それ自体がパルス化されているソースでレーザー材料をポンピングすることです。パルスポンピングは歴史的に、色素分子の反転分布寿命が非常に短いため、高エネルギーで高速なポンピングが必要な色素レーザーで使用されていました。この問題を克服する方法は、大きなコンデンサを充電し、次にフラッシュランプを介して放電するように切り替えて、強力なフラッシュを生成することでした。パルスポンピングは、低エネルギーレベルの人口が急速に高くなり、それらの原子が基底状態に緩和するまでそれ以上のレーザー発振を防ぐ3レベルレーザーにも必要です。エキシマレーザーや銅蒸気レーザーなどのこれらのレーザーは、CWモードで動作することはできません。

1917年、アルバート・アインシュタインは、マックス・プランクの放射の法則を再導出する論文「放射線の量子論について」で、電磁放射の吸収、自然放出、誘導放出の確率係数（アインシュタイン係数）を概念的に基づき、レーザーとメーザーの理論的基礎を確立した。[ 33 ] ¹⁹²⁸年、ルドルフ・W・ラデンバーグは、誘導放出と負の吸収という現象の存在を確認した。^{[34] [ページが必要]} 1939年、ヴァレンティン・A・ファブリカントは、誘導放出を使用して「短」波を増幅することを予測した。^[35] 1947年、ウィリス・E・ラムとR・C・レザーフォードは、水素スペクトルに明らかな誘導放出を発見し、誘導放出の最初の実証を行った。^{[34] [ページが必要]} 1950年にアルフレッド・カストラー（1966年ノーベル物理学賞受賞）は光ポンピングの方法を提案し、2年後にブロッセル、カストラー、ウィンターによって実験的に実証されました。^[36]  

1951年、ジョセフ・ウェーバーは、誘導放出を利用してマイクロ波増幅器を作るという論文を、1952年6月にカナダのオンタリオ州オタワで開催された無線技術者協会の真空管研究会議に提出した。^[37]この発表の後、RCAはウェーバーにこのアイデアについてのセミナーを行うよう依頼し、チャールズ・H・タウンズは彼に論文のコピーを求めた。^[38]

1953年、チャールズ・H・タウンズと大学院生のジェームズ・P・ゴードン、ハーバート・J・ツァイガーは、レーザーと同様の原理で動作するが、赤外線や可視光線ではなくマイクロ波を増幅する装置である初のマイクロ波増幅器を製作した。タウンズのメーザーは連続出力ができなかった。^[39]一方、ソ連では、ニコライ・バソフとアレクサンドル・プロホロフが独立して量子発振器の研究を行い、3つ以上のエネルギー準位を使用することで連続出力システムの問題を解決した。これらの増幅媒体は、基底状態ではなく励起状態とより低い励起状態の間で誘導放出を放出することができ、反転分布の維持を容易にした。1955年、プロホロフとバソフは、反転分布を得るための方法として多準位システムの光ポンピングを提案し、これは後にレーザーポンピングの主な方法となった。

タウンズによれば、ニールス・ボーア、ジョン・フォン・ノイマン、ルウェリン・トーマスなど著名な物理学者数名が、メーザーはハイゼンベルクの不確定性原理に反するため機能しないと主張した。イジドール・ラビやポリカルプ・クッシュなど他の物理学者は、メーザーは非実用的で努力に見合わないと予想した。^[40] 1964年、チャールズ・H・タウンズ、ニコライ・バソフ、アレクサンドル・プロホロフは、「量子エレクトロニクスの分野における基礎研究により、メーザー・レーザー原理に基づく発振器や増幅器の構築につながった」としてノーベル物理学賞を共同受賞した。

1957年4月、日本の技術者西澤潤一は特許出願において「半導体光メーザー」の概念を提案した。 ^[41]

外部オーディオ
「男、神話、レーザー」、蒸留ポッドキャスト、科学史研究所

同年、当時ベル研究所にいたチャールズ・H・タウンズとアーサー・レナード・ショーローは、赤外線「光メーザー」の本格的な研究を開始した。アイデアが発展するにつれ、彼らは赤外線放射を放棄し、代わりに可視光に集中した。1958年、ベル研究所は提案した光メーザーの特許を申請し、ショーローとタウンズは理論計算の原稿をフィジカル・レビューに提出し、1958年に出版された。^[42]

同じ頃、コロンビア大学の大学院生ゴードン・グールドは、励起タリウムのエネルギーレベルに関する博士論文に取り組んでいた。グールドとタウンズが会ったとき、彼らは一般的な主題として放射線放出について話し合った。その後、1957年11月に、グールドは「レーザー」を作る方法についてのアイデアを書き留めたが、その中には開放型共振器（レーザー装置の必須コンポーネント）の使用も含まれていた。1958年、プロホロフは開放型共振器の使用を独自に提案し、このアイデアが初めて公表された。同年、ベル研究所は提案した光メーザーの特許を申請し、ショーローとタウンズは理論計算の原稿をフィジカル・レビューに提出し、1958年に出版された。^{[43] [44] [45] [46]}

1959年の会議で、ゴードン・グールドは論文「レーザー、誘導放出による光増幅」の中で初めて「LASER」という頭字語を発表しました。^{[47] [19]}グールドの意図は、スペクトルの異なる部分に異なる「-ASER」の頭字語を使用することでした。「XASER」はX線、「UVASER」は紫外線、「RASER」は電波などです。代わりに、「LASER」という用語は、マイクロ波よりも短い波長で動作するすべてのデバイスに使用されるようになりました。

グールドのメモには、光通信、分光測定、干渉測定、レーダー、核融合など、レーザーの応用の可能性が記されていた。彼はアイデアの開発を続け、1959年4月に特許を申請した。米国特許商標庁（USPTO）は彼の申請を却下し、1960年にベル研究所に特許を与えた。これが、科学的な名声と金銭を賭けた28年間の訴訟を引き起こした。グールドは1977年に最初の小規模な特許を獲得したが、1987年に連邦判事がUSPTOに光ポンピングおよびガス放電レーザー装置の特許をグールドに付与するよう命じて、初めて重要な特許訴訟で勝利した。レーザーの発明の功績をどのように割り当てるかという問題は、歴史家によって未解決のままである。^[48]

1960年5月16日、セオドア・H・メイマンは、コロンビア大学のタウンズ、ベル研究所のアーサー・L・ショーロー、 [ 51 ^{] [ページ必要]}、TRG（テクニカル・リサーチ・グループ）社のグールドを含むいくつかの研究チームに先駆けて、カリフォルニア州マリブのヒューズ研究所で最初の機能するレーザー[49] ^{[ 50 ]を操作した。メイマンの機能的なレーザーは、}フラッシュランプで励起された合成ルビー結晶を使用して、波長694ナノメートルの赤色レーザー光を発生させた。この装置は、3レベル励起設計スキームのため、パルス動作のみが可能であった。その年の後半、イランの物理学者アリ・ジャヴァン、ウィリアム・R・ベネット・ジュニア、ドナルド・R・ヘリオットは、ヘリウムとネオンを使用して、赤外線で連続動作が可能な最初のガスレーザーを構築した（米国特許3,149,290）。その後、ジャヴァンは1993年にアルバート・アインシュタイン世界科学賞を受賞した。1962年、ロバート・N・ホールは、ガリウムヒ素で作られ、850nmのスペクトルの近赤外帯域で放射される最初の半導体レーザーを実証した。その年の後半、ニック・ホロニャック・ジュニアは、可視光を放射する最初の半導体レーザーを実証した。この最初の半導体レーザーは、パルスビーム動作でのみ使用でき、液体窒素温度（77K）に冷却した場合にのみ使用できた。1970年には、ソ連のジョレス・アルフェロフとベル研究所の林一夫とモートン・パニッシュも、ヘテロ接合構造を使用して、室温の連続動作ダイオードレーザーを独立して開発した。

レーザーの歴史の初期から、レーザー研究により、さまざまなパフォーマンス目標に合わせて最適化された、さまざまな改良型および特殊型のレーザーが開発されてきました。

• 新しい波長帯
• 最大平均出力
• 最大ピークパルスエネルギー
• 最大ピークパルス電力
• 最小出力パルス持続時間
• 最小線幅
• 最大の電力効率
• 最小コスト

そしてこの研究は今日まで続いています。

2015年に研究者らは白色レーザーを開発した。その光は亜鉛、カドミウム、硫黄、セレンから作られた合成ナノシートによって変調され、赤、緑、青の光をさまざまな割合で放射することができ、それぞれの波長は191nmに及ぶ。^{[52] [53] [54]}

2017年、デルフト工科大学の研究者らはACジョセフソン接合マイクロ波レーザーを実証した。 ^{[55]このレーザーは超伝導状態で動作するため、他の半導体ベースのレーザーよりも安定している。このデバイスは}量子コンピューティングへの応用が期待されている。^[56] 2017年、ミュンヘン工科大学の研究者らは、繰り返し周波数が最大200GHzの位相同期ピコ秒レーザーパルスのペアを放射できる最小のモード同期レーザーを実証した。^[57]

2017年、ドイツ物理工科大学（PTB）の研究者らは、米国国立標準技術研究所（NIST）とコロラド大学ボルダー校の合同研究所であるJILAの米国研究者らと共同で、線幅がわずか10ミリヘルツのエルビウム添加ファイバーレーザーを開発し、新たな世界記録を樹立した。^{[58] [59]} 

HeNe ガスレーザーの発明に続いて、光をコヒーレントに増幅するガス放電が数多く発見された。さまざまなガスを使用するガスレーザーが開発され、さまざまな目的で使用されている。ヘリウムネオンレーザー(HeNe) はさまざまな波長で動作できるが、その大部分は 633 nm でレーザーを発振するように設計されています。これらの比較的低コストでありながらコヒーレント性が高いレーザーは、光学研究や教育の実験室で非常に一般的です。市販の二酸化炭素 (CO ₂ ) レーザーは、小さなスポットに集中できる単一の空間モードで数百ワットを放射できます。この放射は 10.6 μm の熱赤外線であり、このようなレーザーは切断や溶接の産業界で定期的に使用されています。CO ₂レーザーの効率は異常に高く、30% を超えています。^[60] アルゴンイオンレーザーは、351 ～ 528.7 nm の間の複数のレーザー遷移で動作できます。光学設計に応じて、これらの遷移の 1 つ以上を同時にレーザー発振できます。最も一般的に使用される線は458 nm、488 nm、および514.5 nmです。大気圧ガス中の窒素横方向放電（TEA）レーザーは、愛好家が自家製であることが多い安価なガスレーザーであり、337.1 nmでかなり非干渉性の紫外線光を生成します。^[61]金属イオンレーザーは、深紫外線波長を生成するガスレーザーです。ヘリウム銀（HeAg）224 nmとネオン銅（NeCu）248 nmがその2つの例です。すべての低圧ガスレーザーと同様に、これらのレーザーの利得媒体は、3 GHz（0.5ピコメートル）未満の非常に狭い発振線幅を持ち、 ^[62]蛍光抑制ラマン分光法での使用の候補となります。

媒体を反転分布に励起したままにせずにレーザーを発振することは、1992年にナトリウムガスで、そして1995年にはルビジウムガスで、様々な国際チームによって実証された。^{[63] [64] [ページが必要]}これは、外部メーザーを使用して、2つの経路間の基底電子遷移を導入して破壊的に干渉させることで媒体に「光学的透明性」を誘発し、基底電子がエネルギーを吸収する可能性をキャンセルすることで実現した。

化学レーザーは化学反応によって発電され、大量のエネルギーを素早く放出します。このような非常に高出力のレーザーは特に軍事目的で利用されていますが、ガス流によって供給される非常に高出力の連続波化学レーザーも開発されており、産業用途にも使用されています。例として、フッ化水素レーザー(2700～2900 nm) とフッ化重水素レーザー(3800 nm) では、反応は水素または重水素ガスと三フッ化窒素中のエチレンの燃焼生成物の組み合わせです。

エキシマレーザーは、放電によって駆動される特殊な種類のガスレーザーであり、レーザー媒体はエキシマ、またはより正確には既存の設計ではエキシプレックスです。これらは、励起電子状態にある原子が 1 つだけ存在する分子です。分子が励起エネルギーを光子に伝達すると、その原子は互いに結合しなくなり、分子は崩壊します。これにより、低エネルギー状態の人口が大幅に減少し、人口反転が大幅に促進されます。現在使用されているエキシマはすべて希ガス化合物です。希ガスは化学的に不活性であり、励起状態にあるときにのみ化合物を形成できます。エキシマレーザーは通常、紫外線波長で動作し、主な用途には半導体フォトリソグラフィーやLASIK眼科手術があります。一般的に使用されるエキシマ分子には、ArF (193 nm で発光)、KrCl (222 nm)、KrF (248 nm)、XeCl (308 nm)、および XeF (351 nm) があります。^{[65] [ページが必要]}真空紫外線の157nmで放射する 分子フッ素レーザーは、エキシマレーザーと呼ばれることもありますが、 _F2は安定した化合物であるため、これは誤った名称であると思われます。

固体レーザーは、必要なエネルギー状態を提供するイオンで「ドープ」された結晶またはガラス棒を使用します。たとえば、最初に動作したレーザーは、ルビー(クロムをドープしたコランダム)から作られたルビー レーザーでした。反転分布はドーパントで維持されます。これらの材料は、多くの場合、フラッシュ チューブまたは別のレーザーから、レーザー波長よりも短い波長を使用して光学的にポンピングされます。レーザー物理学における「固体」という用語の使用は、一般的な使用よりも狭い範囲です。半導体レーザー (レーザー ダイオード) は、通常、固体レーザーとは呼ばれ ません。

ネオジムは、イットリウムオルトバナデート（Nd:YVO ₄）、イットリウムリチウムフッ化物（Nd:YLF）、イットリウムアルミニウムガーネット（Nd:YAG ）など、さまざまな固体レーザー結晶の一般的なドーパントです。これらのレーザーはすべて、1064 nm の赤外線スペクトルで高出力を生成できます。金属やその他の材料の切断、溶接、マーキングのほか、分光法や色素レーザーのポンピングにも使用されます。これらのレーザーは、周波数が2 倍、3 倍、4 倍にされて、それぞれ 532 nm（緑色、可視）、355 nm、266 nm（紫外線）のビームを生成することもよくあります。周波数倍増ダイオード励起固体（DPSS）レーザーは、明るい緑色のレーザー ポインターの製造に使用されます。

イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、エルビウムは、固体レーザーのその他の一般的な「ドーパント」です。^{[66] [ページが必要]イッテルビウムは、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:KYW、Yb:SYS、Yb:BOYS、Yb:CaF} ₂などの結晶に使用され、通常は約 1020～1050 nm で動作します。これらは、小さな量子欠陥により、潜在的に非常に効率的で高出力です。超短パルスで非常に高い出力は、Yb:YAG で達成できます。ホルミウムをドープした YAG 結晶は 2097 nm で放射し、含水組織によって強く吸収される赤外線波長で動作する効率的なレーザーを形成します。Ho-YAG は通常、パルスモードで動作し、光ファイバー手術装置に通されて、関節の表面を再加工したり、歯の腐敗を取り除いたり、癌を蒸発させたり、腎臓結石や胆石を粉砕したりします。

チタンドープサファイア（Ti:サファイア）は、分光法によく使用される、高度に調整可能な 赤外線レーザーを生成します。また、非常に高いピークパワーの 超短パルスを生成するモードロックレーザーとしても注目されています。

固体レーザーの熱的限界は、媒体を加熱する変換されないポンプ電力から生じる。この熱は、高い熱光学係数（d n /d T）と組み合わされると、熱レンズ効果を引き起こし、量子効率を低下させる可能性がある。ダイオード励起薄型ディスクレーザーは、ポンプビームの直径よりもはるかに薄いゲイン媒体を使用することで、これらの問題を克服している。これにより、材料内の温度がより均一になる。薄型ディスクレーザーは、最大1キロワットのビームを生成できることが示されている。^[67]

光がシングルモード光ファイバーの全内部反射によって誘導される固体レーザーまたはレーザー増幅器は、ファイバーレーザーと呼ばれます。光の誘導により、非常に長いゲイン領域が可能になり、良好な冷却条件が提供されます。ファイバーは表面積と体積の比率が高いため、効率的な冷却が可能です。さらに、ファイバーの導波特性により、ビームの熱歪みが軽減される傾向があります。エルビウムイオンとイッテルビウムイオンは、このようなレーザーでよく使用される活性種です。

多くの場合、ファイバー レーザーは二重クラッド ファイバーとして設計されます。このタイプのファイバーは、ファイバー コア、内部クラッド、および外部クラッドで構成されます。3 つの同心層の屈折率は、ファイバー コアがレーザー放射用のシングル モード ファイバーとして機能し、外部クラッドがポンプ レーザー用の高度なマルチモード コアとして機能するように選択されます。これにより、ポンプは、高い開口数 (NA) を維持しながら、アクティブな内部コア領域に大量の電力を伝播し、容易に起動できる状態を維持できます。

ファイバー ディスク レーザー、またはそのようなレーザーのスタックを 作成することにより、ポンプ光をより効率的に使用できます。

ファイバーレーザーは、他の光学媒体と同様に、特定の波長の放射線にさらされると光黒化の影響を受ける可能性があります。特に、これは時間の経過とともに材料の劣化やレーザー機能の喪失につながる可能性があります。この現象の正確な原因と影響は材料によって異なりますが、多くの場合、色中心の形成が関係しています。^[68]

フォトニック結晶レーザーは、フィードバックに必要なモード閉じ込めと光状態密度（DOS）構造を提供するナノ構造に基づくレーザーです。 ^{[説明が必要]}それらは通常マイクロメートルサイズで^{[疑わしい–議論が必要]}、フォトニック結晶のバンドで調整可能です。^{[69] [説明が必要]}

半導体レーザーは電気的にポンピングされるダイオードです。印加電流によって生成される電子と正孔の再結合により、光学的利得が生じます。結晶の端からの反射により光共振器が形成されますが、設計によっては共振器が半導体の外部にある場合もあります。

市販のレーザーダイオードは、375 nmから3500 nmの波長で発光する。^[70]低から中出力のレーザーダイオードは、レーザーポインター、レーザープリンター、CD/DVDプレーヤーに使用されている。レーザーダイオードは、他のレーザーを高効率で光ポンピングするためにもよく使用される。最大20kWの出力を持つ最高出力の産業用レーザーダイオードは、切断や溶接に産業界で使用されている。^{[71]外部共振器型半導体レーザーは、より大きな共振器内に半導体活性媒体を有する。これらのデバイスは、良好なビーム品質、波長調整可能な狭}線幅放射、または超短レーザーパルス で高出力を生成できる。

2012年に日亜化学工業とオスラムは、従来のダイオード励起固体レーザーと競合する商用の高出力緑色レーザーダイオード（515/520 nm）を開発・製造した。^{[72] [73]}

垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、ウェーハの表面に対して垂直に放射方向を持つ半導体レーザーです。VCSELデバイスは通常、従来のレーザーダイオードよりも円形に近い出力ビームを持ちます。2005年現在、広く利用できるのは850 nmのVCSELのみで、1300 nmのVCSELは商品化され始めており^[74]、1550 nmのデバイスは研究分野となっています。VECSELは外部共振器型VCSELです。量子カスケードレーザーは、複数の量子井戸を含む構造内の電子のエネルギーサブバンド間で能動遷移を行う半導体レーザーです。

シリコンレーザーの開発は、光コンピューティングの分野で重要です。シリコンは集積回路に最適な材料であるため、電子部品とシリコンフォトニック部品（光インターコネクトなど）を同じチップ上に製造することができます。残念ながら、シリコンはレーザー発振を妨げる特定の特性があるため、扱いが難しいレーザー材料です。しかし、最近、チームはシリコンと、インジウム(III)リンやガリウム(III)ヒ素などのシリコンからコヒーレント光を生成できる材料である他の半導体材料からレーザー材料を製造するなどの方法で、シリコンレーザーを製造しました。これらはハイブリッドシリコンレーザーと呼ばれています。最近の開発では、光インターコネクト用にシリコン上に直接モノリシックに統合されたナノワイヤレーザーを使用することも示されており、チップレベルのアプリケーションへの道が開かれています。^[75]シリコン内で光相互接続が可能なこれらのヘテロ構造ナノワイヤレーザーは、繰り返し周波数が最大200GHzの位相同期ピコ秒パルスのペアを放射することもでき、オンチップ光信号処理が可能になります。^[57]もう一つのタイプはラマンレーザーで、ラマン散乱を利用してシリコンなどの材料からレーザーを生成します。

色素レーザーは、ゲイン媒体として有機色素を使用します。利用可能な色素または色素混合物のゲイン スペクトルが広いため、これらのレーザーは高度に調整可能であり、非常に短い持続時間のパルス (数フェムト秒程度) を生成することができます。これらの調整可能なレーザーは主に液体の形で知られていますが、研究者は固体色素ゲイン媒体を組み込んだ分散発振器構成で狭線幅の調整可能な放射も実証しています。最も一般的な形式では、これらの固体色素レーザーはレーザー媒体として色素ドープ ポリマーを使用します。

バブルレーザーは、バブルを光共振器として使用する色素レーザーです。バブル内のウィスパリングギャラリーモードは、均等に間隔を空けた数百のピークで構成される出力スペクトル、つまり周波数コムを生成します。ウィスパリングギャラリーモードの間隔はバブルの円周に直接関係しており、バブルレーザーを高感度の圧力センサーとして使用できるようにします。^[76]

自由電子レーザー(FEL) は、広範囲に調整可能なコヒーレントな高出力放射を生成します。現在の波長範囲は、マイクロ波からテラヘルツ放射、赤外線から可視スペクトル、軟 X 線までです。FEL は、あらゆるタイプのレーザーの中で最も広い周波数範囲を持っています。FEL ビームは、コヒーレント放射など他のレーザーと同じ光学特性を備えていますが、FEL の動作はまったく異なります。結合した原子または分子の状態に依存するガス、液体、または固体レーザーとは異なり、FEL は相対論的な電子ビームをレーザー媒体として使用します。これが自由電子という用語の由来です。

原子核の異性体状態間の遷移を利用した高量子エネルギーレーザーの追求は、1970年代初頭から幅広い学術研究の対象となってきた。その多くは3つのレビュー記事にまとめられている。^{[77] [78] [79]}この研究は国際的な範囲で行われているが、主に旧ソ連と米国を拠点としている。多くの科学者がブレークスルーが近いと楽観視しているが、実用的なガンマ線レーザーはまだ実現されていない。^[80]

初期の研究のいくつかは、中性子の短いパルスが固体内の上位異性体状態を励起し、ガンマ線遷移がメスバウアー効果の線幅狭まりの恩恵を受けることができるようにすることを目指していた。^{[81] [ページが必要] [82]}併せて、3 レベル システムの 2 段階ポンピングからいくつかの利点が期待された。^[83]レーザー駆動のコヒーレント振動電子雲の近接場に埋め込まれた原子核は、駆動レーザーの双極子場よりも大きな双極子場を経験すると推測された。^{[84] [85]}さらに、振動雲の非線形性により空間的および時間的な高調波が生成されるため、より高い多極性の核遷移もレーザー周波数の倍数で駆動できる可能性がある。^{[86] [87] [88] [89] [90] [91] [92]}

2007年9月、BBCニュースは、陽電子 消滅を利用して非常に強力なガンマ線レーザーを駆動できる可能性について憶測があると報じた。^[93]カリフォルニア大学リバーサイド校のデイビッド・キャシディは、現在慣性閉じ込め核融合実験で使用されている数百のレーザー群を置き換えて、そのようなレーザー1個で核融合反応を点火できると提案した。^[93]

核爆発によって励起される宇宙ベースのX線レーザーもミサイル防衛兵器として提案されている。^{[94] [95]}このような装置は単発兵器となるだろう。

生きた細胞はレーザー光を生成するために使われてきました。^{[96] [97]細胞は}緑色蛍光タンパク質を生成するように遺伝子操作され、これがレーザーの増幅媒体として働きました。細胞は次に、レーザーキャビティとして機能する2つの20マイクロメートル幅の鏡の間に置かれました。細胞が青色光で照らされると、細胞は強く指向された緑色レーザー光を放射しました。

天体メーザーと同様に、照射された惑星や恒星のガスは光を増幅し、天然のレーザーを生成する可能性があります。^[98] 火星、^[99] 金星、MWC 349はこの現象を示しています。

レーザーが最初に発明されたとき、それは「問題を探す解決策」と呼ばれていましたが^[100]、グールドは彼のノートと特許申請書に多数の可能性のある用途を書き留めていました。^{[101] [102]}それ以来、レーザーは遍在し、家電、情報技術、科学、医療、産業、法執行機関、娯楽、軍事など、現代社会のあらゆる分野で何千もの非常に多様な用途で有用性が見出されています。光ファイバー通信は、高密度波長分割多重（WDM）システムで多重化されたレーザーに依存して、長距離にわたって大量のデータを送信します。^{[103] [104] [105]}

レーザーが広く注目された最初の使用例は、1974年に導入されたスーパーマーケットのバーコード スキャナーでした。1978年に導入されたレーザーディスクプレーヤーは、レーザーを搭載した最初の成功した消費者向け製品でしたが、コンパクト ディスク プレーヤーは、1982年に商品化された最初のレーザー搭載デバイスであり、その後すぐにレーザー プリンターが続きました。

その他の用途は次のとおりです。

• 通信:光ファイバー通信のほかに、レーザーは宇宙でのレーザー通信を含む自由空間光通信にも使用されます。
• 医薬品：下記参照
• 業界:薄い材料の加工を含む切断、溶接、材料の熱処理、部品のマーキング(彫刻および接着)、選択的レーザー焼結および選択的レーザー溶融などの積層造形または3D 印刷プロセス、レーザー金属堆積、部品の非接触測定および3D スキャン、レーザー洗浄。
• 軍事：標的のマーキング、弾薬の誘導、ミサイル防衛、電気光学妨害装置（EOCM）、LIDAR、兵士の盲目化、銃器の照準。下記参照
• 法執行：LIDAR交通取り締まり。レーザーは法医学的識別分野で潜在指紋検出に使用されている^{[106] [107]}
• 研究分野:分光法、レーザーアブレーション、レーザーアニーリング、レーザー散乱、レーザー干渉法、ライダー、レーザーキャプチャーマイクロダイセクション、蛍光顕微鏡法、計測学、レーザー冷却
• 商用製品:レーザープリンター、バーコードスキャナー、温度計、レーザーポインター、ホログラム、バブルグラム
• エンターテイメント:光ディスク、レーザー照明ディスプレイ、レーザーターンテーブル。
• 情報マーキング：レーザー照明ディスプレイ技術は、運動場、道路、滑走路、倉庫の床などの表面に情報マーキングを投影するために使用できます。^{[108] [109] [110]}

2004年には、ダイオードレーザーを除いて約131,000個のレーザーが販売され、その価値は21億9,000万米ドルでした 。^[111]同年、ダイオードレーザーは約7億3,300万個、その価値は32億米ドルでし た。^[112]

レーザーは、レーザー手術（特に眼科手術）、レーザー治療（光バイオモジュレーション療法）、腎臓結石治療、眼底検査、ニキビ治療、セルライトや線条の軽減、脱毛などの美容皮膚治療など、医療において多くの用途があります。

レーザーは、腫瘍や前癌性増殖物を縮小または破壊することで癌を治療するために使用される。レーザーは、体の表面または内臓の内層にある表在性癌の治療に最も一般的に使用される。基底細胞皮膚癌や、子宮頸癌、陰茎癌、膣癌、外陰癌、非小細胞肺癌などの他の癌のごく初期の段階の治療に使用される。レーザー療法は、手術、化学療法、放射線療法などの他の治療法と組み合わせられることが多い。レーザー誘起組織内温熱療法（LITT）または組織内レーザー光凝固療法では、レーザーを使用して一部の癌を温熱療法で治療する。温熱療法では、熱を使用して癌細胞を損傷または死滅させることで腫瘍を縮小する。レーザーは従来の手術方法よりも正確で、損傷、痛み、出血、腫れ、瘢痕化が少ない。欠点は、外科医が専門的な訓練を受ける必要があるため、他の治療法よりも費用がかかる可能性が高いことである。^{[113] [114]}

レーザー兵器は、レーザーを使用してダメージを与える指向性エネルギー兵器の一種です。 ^[115]レーザー兵器が実用的な高性能軍事兵器として配備されるかどうかはまだわかりません。^{[116] [117]}レーザー兵器の大きな問題の一つは、大気熱ブルーミングであり、これはまだほとんど解決されていません。この問題は、霧、煙、ほこり、雨、雪、スモッグ、泡、または意図的に散布された不明瞭な化学物質が存在する場合に悪化します。^[118]

レーザーは、無力化のための非殺傷性兵器として使用されることがあります。目に向けられると、一時的または永久的な視力喪失を引き起こす可能性があります。出力が 1 ワット未満のレーザーでも、特定の条件下では即時かつ永久的な視力喪失を引き起こす可能性があるため、潜在的には非殺傷性ではあるものの無力化兵器となります。このようなレーザーの使用は、レーザー誘発性の失明がもたらす極度のハンディキャップのため、道徳的に議論の的となっています。失明レーザー兵器に関する議定書は、永久的な失明を引き起こすように設計された兵器の使用を禁止しています。一時的な失明を引き起こすように設計されたダズラーと呼ばれる兵器は、軍隊や、時には法執行機関によって使用されています。

戦闘で標的を直接損傷または破壊できるレーザー兵器はまだ実験段階にある。アメリカ海軍は、小型無人機 、ロケット推進手榴弾、目に見えるモーターボートやヘリコプターのエンジンなどの標的に対して使用する、非常に短距離（1マイル）の30kWレーザー兵器システム（LaWS）をテストした。^{[119] [120]これは「6つの}溶接レーザーを束ねたもの」と説明されている。60kWシステムHELIOSは、2020年現在、駆逐艦クラスの艦艇向けに開発されている。^{[121][アップデート]}

近年、レーザーに興味を持つ愛好家が増えている。愛好家が使用するレーザーは一般的にクラスIIIaまたはIIIb （安全性の項を参照）であるが、中には独自のクラスIVタイプを作る者もいる。^[122]しかし、コストと潜在的な危険性のため、これは珍しい趣味である。愛好家の中には、壊れたDVDプレーヤー（赤）やブルーレイプレーヤー（紫）からレーザーダイオードを回収したり、CDやDVDバーナーからさらに高出力のレーザーダイオードを回収したりする者もいる。^[123]

趣味人は、退役した軍事用途から取り出した余剰レーザーをホログラフィー用に改造して使用してきました。パルス ルビー レーザーと YAG レーザーは、この用途に適しています。

異なるアプリケーションには、異なる出力のレーザーが必要です。連続ビームまたは一連の短いパルスを生成するレーザーは、平均出力に基づいて比較できます。パルスを生成するレーザーは、各パルスのピーク出力に基づいて特性評価することもできます。パルス レーザーのピーク出力は、平均出力よりも桁違いに大きくなります。平均出力は常に消費電力よりも小さくなります。

高いピーク電力を持つパルスシステムの例:

• 700 TW（700×10 ¹² W）—国立点火施設、10メートル直径のターゲットチャンバーに隣接する192ビーム、1.8メガジュールのレーザーシステム^[126]
• 10 PW（10×10 ¹⁵ W）—2019年現在、世界で最も強力なレーザー。ルーマニアのマグレレにあるELI-NP施設に設置されている。^[127]

最初のレーザーでさえ、潜在的に危険であると認識されていました。セオドア・メイマンは、最初のレーザーは「ジレット」1枚分のパワーがあると表現しました。これは、ジレットの 剃刀の刃1枚を焼き切るほどのパワーがあったからです。 ^{[128] [129]}今日では、わずか数ミリワットの出力しかない低出力レーザーであっても、光線が直接目に当たったり、光沢のある表面で反射したりした場合、人間の視力に危険を及ぼす可能性があると認められています。角膜と水晶体が焦点を合わせることができる波長では、レーザー光のコヒーレンスと低発散性により、目によって網膜上の非常に小さな点に焦点を合わせることができ、数秒またはそれよりも短い時間で局所的な火傷や永久的な損傷を引き起こす可能性があります。

レーザーには通常、レーザーの危険性を示す安全クラス番号が付けられています。

• クラス1は本質的に安全であり、通常はCDプレーヤーなどの筐体内にライトが収められているためである。
• クラス 2 は通常の使用では安全です。目の瞬き反射により損傷を防ぎます。通常、レーザー ポインターなどの電力は最大 1 mW です。
• クラス 3R (旧称 IIIa) レーザーは通常 5 mW までで、瞬き反射の時間内に眼を損傷するリスクがわずかにあります。このような光線を数秒間見つめると、網膜の一点に損傷が生じる可能性があります。
• クラス 3B レーザー (5～499 mW) は、照射されると直ちに目の損傷を引き起こす可能性があります。
• クラス 4 レーザー (≥ 500 mW) は皮膚を焼く可能性があり、場合によってはこれらのレーザーからの散乱光でさえ目や皮膚に損傷を与える可能性があります。多くの産業用および科学用のレーザーがこのクラスに属します。

示されている出力は、可視光、連続波レーザー用です。パルス レーザーおよび不可視波長の場合、他の出力制限が適用されます。クラス 3B およびクラス 4 レーザーを扱う人は、特定の波長の光を吸収するように設計された安全ゴーグルを使用して目を保護できます。

波長が約 1.4 マイクロメートルより長い赤外線レーザーは、 角膜がこれらの波長の光を吸収し、網膜を損傷から保護する傾向があるため、「目に安全」と呼ばれることがよくあります。ただし、「目に安全」というラベルは、比較的低出力の連続波ビームにのみ適用されるため、誤解を招く可能性があります。これらの波長の高出力またはQ スイッチレーザーは、角膜を焼いて深刻な目の損傷を引き起こす可能性があり、中程度の出力のレーザーでも目を損傷する可能性があります。

レーザーは、パイロットの注意を一時的にそらしたり、視力を失わせたりする可能性があるため、民間航空と軍用航空の両方にとって危険となる可能性があります。このトピックの詳細については、 「レーザーと航空の安全性」を参照してください。

電荷結合素子をベースにしたカメラは、生物の目よりもレーザーによる損傷に対して敏感である可能性がある。^[130]

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