レーザ

原子は離散的または量子的なエネルギー準位を持つ。原子は、光（光子）または熱（フォノン）からエネルギーを吸収できるのは、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準位間の遷移がある場合に限られる。光の場合、これは、特定の遷移では特定の波長の光のみが吸収されることを意味する。適切な波長の光子は、低いエネルギー準位から高いエネルギー準位へのジャンプを引き起こすことができる。この過程で光子は消費される。^{[ 25 ]： 580}

熱力学的平衡状態にある系では、吸収現象は自然放出によってバランスが取られています。第三のプロセスも作用します。遷移によって吸収されるのに適切な波長の光子は、誘導放出を引き起こす可能性があります。^{[ 25 ]： 580}原子のエネルギー準位は高い準位から低い準位に低下し、波長、位相、偏光方向が元の光子と一致する光子を放出します。誘導放出の概略図は次のとおりです。

レーザーは、エネルギー源を用いて多数の原子を高エネルギー状態に励起し、1つの原子からの自然放出が複数の誘導放出イベントの連鎖を引き起こし、同じ波長、位相、偏光を持つ多数の光子を生成する。^{[ 25 ]： 583}

レーザーの単純な物理モデルは、アルバート・アインシュタインの1917年の放射の量子論から始まります。アインシュタインは、ボーアの原子モデルから、原子が定常状態に存在するという量子論的仮定を1つだけ採用しました。各状態にはエネルギーがあります。アインシュタインは、これらの原子と放射場との相互作用をマックス・プランクの古典的な振動子を用いて扱い、事実上、プランクの法則の非特定振動子をボーアの原子に置き換えました。振動子と電磁場の相対位相によって、相互作用中のエネルギーの流れの方向が決まります。^{[ 30 ]} 相互作用の確率は、電磁場のスペクトル束密度に比例します。${\displaystyle \rho (\nu ,T).}$エネルギー準位が2つだけだと仮定すると、${\displaystyle E_{b}>E_{a}}$吸収は以下に対応する${\displaystyle a\rightarrow b}$比例定数で、${\displaystyle B_{ab}}$、そして放出は${\displaystyle b\rightarrow a}$比例定数で、${\displaystyle B_{ba}}$アインシュタインは3つ目の定数を追加し、${\displaystyle A_{ba}}$これは、フラックス密度とは無関係であり、電場がない場合の放射に対応します。原子が放射場と熱力学的平衡状態にある場合、吸収率は2つの放射率の合計と一致しなければなりません。^{[ 25 ]： 582}$${\displaystyle N_{b}(\rho (\nu ,T)B_{ba}+A_{ba})=N_{a}\rho (\nu ,T)B_{ab}}$$ 強力な補助光源が原子をより高い状態に励起すると、${\displaystyle N_{a}\rightarrow 0}$そして均衡が崩れる。これは個体群逆転と呼ばれる。${\displaystyle N_{b}}$原子は自発的に光を放出し、他の原子は誘導放出によって反応し、同位相の光子の雪崩を引き起こす。^{[ 25 ]： 583}

利得媒質は、外部エネルギー源によって励起状態にされる。ほとんどのレーザーでは、この媒質は、外部光源、または原子がエネルギーを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場を用いて、励起状態にされた原子の集団から構成される。

レーザーの利得媒体は通常、純度、サイズ、濃度、形状が制御された物質であり、上述の誘導放出の過程によってビームを増幅します。この物質は、気体、液体、固体、プラズマなど、どのような状態でも構いません。利得媒体は励起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」）量子状態に励起します。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。ある励起状態にある粒子の数が、より低いエネルギー状態にある粒子の数を超えると、反転分布が実現します。この状況では、吸収よりも誘導放出の方が多いため、励起状態にある原子からの光が増幅されます。2準位エネルギー系では反転分布は発生しません。上準位が占有されるにつれて、誘導放出の確率が増加するためです。これにより、励起状態から緩和状態に遷移する原子の数が同じになるため、反転分布は発生せず、非効率的なプロセスとなります。レーザーは、3準位以上のシステムを使用し、追加のエネルギー準位によって電子が素早く緩和し、一貫した反転分布を生成することができる。^{[ 31 ]}この特性を持つシステムは光増幅器と呼ばれる。光増幅器を共振光キャビティ内に配置すると、レーザーが得られる。^{[ 32 ]}

極めて高い利得を持つレーザー媒質、いわゆる超発光の場合、共振器を必要とせずに、利得媒質を一度通過するだけで光を十分に増幅できます。このようなデバイスはしばしばレーザーと呼ばれますが（例えば窒素レーザーを参照）、^{[ 33 ]}、レーザーで達成できるような空間的および時間的なコヒーレンスがありません。このようなデバイスは発振器としてではなく、自発放出を増幅する高利得光増幅器として記述されます。いわゆる天体物理メーザー/レーザーも同様のメカニズムで説明できます。

光共振器は「光キャビティ」と呼ばれることもありますが、これは誤称です。レーザーは、メーザーでマイクロ波周波数で使用されるような文字通りのキャビティではなく、開放型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ビームが両方向に進み、反射を繰り返します。これにより、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、利得媒体を繰り返し通過します。媒体の利得（増幅）が共振器の損失よりも大きい場合、再循環する光のパワーは指数関数的に増加する可能性があります。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、媒体の利得が減少します。ビームパワーが増加すると、正味の利得（利得マイナス損失）は 1 に減少し、利得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、ポンプパワーと利得飽和およびキャビティ損失のバランスにより、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。この平衡状態がレーザーの動作点を決定します。印加されるポンプパワーが小さすぎると、ゲインが共振器の損失を克服するのに十分ではなく、レーザー光は生成されません。レーザー発振を開始するために必要な最小ポンプパワーは、発振閾値と呼ばれます。利得媒質は、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る空間モードの光子のみが媒質を複数回通過し、実質的な増幅を受けます。

ほとんどのレーザーでは、レーザー発振はレーザーモードへの自然放出から始まります。この初期光は、利得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、放出光の位相は刺激光より90度進んでいます。 ^{[ 34 ]}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、共振器の設計によっては均一な偏光と単色性を与えることもあります。レーザー発振共振器から放出される光の基本レーザー線幅^{[ 35 ]}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なることがあります。一部のレーザーでは、すでに高いコヒーレンスを持つビームでプロセスを開始するために、別の注入シードを使用します。これにより、そうでなければ不可能なほど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、ノーベル物理学賞を受賞しました。^{[ 36 ]} コヒーレントな光ビームは、ポアソン分布に従って分布する単一周波数の量子光子状態によって形成されます。その結果、レーザービーム内の光子の到着率はポアソン統計によって記述されます。^{[ 37 ]}

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を持ちます。一部のレーザー、特に高出力のレーザーは、マルチモードビームを生成し、横モードはエルミート-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ることがよくあります。一部の高出力レーザーは、「トップハットビーム」として知られる平らな頂部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。^{[ 38 ]}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、ビームは非常に平行です。波面は平面で、伝搬方向に垂直であり、その点でビームの発散はありません。しかし、回折のため、これはレイリー範囲内でのみ成り立ちます。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、最終的にはビーム径に反比例する角度で発散します。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た「ペンシルビーム」は、月（地球からの距離）に照射すると、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、小さな結晶から最大50°の大きな発散角で出射されます。しかし、このような発散ビームでさえ、レンズシステムを使用することで同様に平行な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発せられる光を使用するレーザーポインターに必ず含まれているものです。これは、光が単一の空間モードであるために可能なのです。レーザー光のこの独特な特性である空間コヒーレンスは、標準的な光源では（光の大部分を破棄しない限り）再現できません。懐中電灯やスポットライトの光線と、ほとんどすべてのレーザーの光線を比較すれば、そのことがよくわかります。

レーザービームプロファイラは、レーザービームの強度分布、幅、および発散角を測定するために使用されます。

つや消し表面からのレーザー光の拡散反射により、興味深い特性を持つスペックルパターンが生成される。

レーザーで放射を生成するメカニズムは誘導放出に依存しており、原子または分子の遷移からエネルギーが抽出されます。誘導放出はアルバート・アインシュタインによって予測された量子現象であり、彼は自発放出を記述するA係数と、吸収および誘導放出に適用されるB係数の間の関係を導き出しました。^{[ 39 ] [ 25 ] : 580}電場がない場合、自発放出係数 A ₂₁は、励起状態 (レベル 2) から基底状態 (レベル 1) への遷移による単位時間あたりの放出の確率です。電場では、放出と吸収の両方が可能です。B ₂₁は放出の確率、B ₁₂ は吸収の確率です。^{[ 31 ] [ 40 ]}

レーザーの用途によっては、出力が時間的に一定の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。多くの種類のレーザーは、このような用途を満たすために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発振し、わずかに異なる光周波数間のビートによって、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（通常は数ナノ秒以下）で振幅変動が生じます。ほとんどの場合、これらのレーザーは、出力が長期間にわたって平均すると一定であり、非常に高周波のパワー変動が意図した用途にほとんど、あるいは全く影響を与えないため、「連続波」レーザーと呼ばれます。（ただし、この用語は、往復時間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同期レーザーには適用されません。）

連続波動作を行うには、利得媒質の反転分布を一定の励起光源によって継続的に補充する必要があります。しかし、一部のレーザー媒質ではこれが不可能です。また、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励起する必要があり、これは非現実的です。あるいは、過剰な熱を発生させてレーザーを破壊する可能性もあります。このようなレーザーは連続波モードで動作させることはできません。

レーザーのパルス動作とは、連続波に分類されないレーザーを指し、光パワーが一定の繰り返し周波数で一定の持続時間のパルスとして現れることを意味します。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。中には、連続モードで動作させることができないため、パルス動作となるレーザーもあります。

場合によっては、アプリケーションによっては、できるだけ大きなエネルギーを持つパルスを生成する必要がある。パルスエネルギーは平均出力を周波数で割った値に等しいため、パルスの周波数を下げてパルス間​​に蓄積されるエネルギーを増やすことで、この目的を達成できることがある。例えば、レーザーアブレーションでは、ワークピース表面のごく少量の材料を非常に短時間で加熱すれば蒸発させることができるが、エネルギーを徐々に供給すると、熱がワークピース内部に吸収されてしまい、特定の箇所で十分な高温に達することができない。

その他の応用例では、パルスのエネルギーではなく、ピークパルスパワーに依存しており、特に非線形光学効果を得るために用いられます。特定の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用いて可能な限り短いパルス幅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なることはありません。極めて短いパルスの場合、これは連続波レーザーに典型的な非常に狭い帯域幅とは全く異なり、かなりの帯域幅にわたってレーザー発振することを意味します。一部の色素レーザーや振動電子固体レーザーのレーザー媒質は、広い帯域幅にわたって光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。

1917年、アルベルト・アインシュタインは、マックス・プランクの放射法則を再導出することにより、電磁放射の吸収、自発放出、誘導放出の確率係数（アインシュタイン係数）を概念的に基にした論文「放射の量子論について」でレーザーとメーザーの理論的基礎を確立した。[41][30] 1928年、ルドルフ・W・ラーデンブルクは誘導放出と負の吸収^{の現象の存在を確認}した。^{[ 42 ]} 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。^{[ 43 ]} 1947年、ウィリス・E・ラムとR・C・レザフォードは水素スペクトルで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。^{[ 44 ]} 1950年、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た。^{[ 45 ]}  

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真空管研究会議に提出した。^{[ 46 ]}この発表の後、RCAはウェーバーにこのアイデアに関する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。^{[ 47 ]}

1953年、チャールズ・H・タウンズと大学院生のジェームズ・P・ゴードンとハーバート・J・ツァイガーは、レーザーと同様の原理で動作するが、赤外線や可視光ではなくマイクロ波を増幅する最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。^{[ 48 ]}一方、ソビエト連邦では、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に取り組み、2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。これらの利得媒体は、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、反転分布を得る方法として多準位システムの光ポンピングを提案し、後にレーザーポンピングの主要な方法となった。

タウンズは、ニールス・ボーア、ジョン・フォン・ノイマン、ルウェリン・トーマスなど数名の著名な物理学者が、メーザーはハイゼンベルクの不確定性原理に違反するため機能しないと主張したと報告している。イシドール・ラビやポリカルプ・クッシュなどの他の人々は、それは非実用的で努力に見合わないだろうと予想していた。^{[ 49 ]} 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、「メーザー・レーザー原理に基づく発振器と増幅器の構築につながった量子エレクトロニクスの分野における基礎的な研究」に対してノーベル物理学賞を共同受賞した。

1957年4月、日本のエンジニアである西沢淳一は、特許出願の中で「半導体光メーザー」の概念を提案した。 ^{[ 50 ]}同年、当時ベル研究所に所属していたチャールズ・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て、彼らは赤外線放射を放棄し、代わりに可視光に集中するようになった。

同時に、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準位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は会って、放射線放出という一般的な話題について話し合ったが、彼らが取り組んでいる具体的な研究については話さなかった。その後、1957年11月に、グールドは、開放共振器（レーザー装置の重要な構成要素）の使用を含む、「レーザー」を作る方法に関する自身のアイデアを書き留めた。彼のノートには、光ポンピングレーザーの図が含まれていた。また、そこには、「誘導放出による光増幅」の頭文字をとった「レーザー」という用語が記録上初めて使用された例と、記述されたコヒーレント光ビームの潜在的な応用に関する提案も含まれていた。^{[ 3 ]}

1958年、ベル研究所はシャウローとタウンズが提案した光メーザーの特許を出願し、シャウローとタウンズは理論計算をまとめた論文をPhysical Reviewに発表した。^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ][54] [ 55 ]同年、プロホロフ}は独立して開放型共振器の使用を提案し、これがこのアイデアの最初の発表となった。

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。^{[ 56 ] [ 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」頭字語を使用することでした。X線には「XASER」、紫外線には「UVASER」、電波には「RASER」などです。しかし、結果として「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ことになりました。

グールドのメモには、光通信、分光法、干渉法、レーダー、核融合など、レーザーの応用例が挙げられていた。彼はこのアイデアの開発を続け、1959年4月に特許出願を行った。米国特許商標庁（USPTO）は彼の出願を却下し、1960年にベル研究所に特許を付与した。これがきっかけとなり、さまざまなレーザー技術と応用に関する権利をめぐる28年にわたる法廷闘争が始まった。グールドは1977年に光ポンピングレーザー増幅器で最初の特許を取得したが、最初の重要な特許侵害訴訟で勝訴したのは1987年になってからだった。^{[ 57 ]}動作するレーザーの多くの側面は、さまざまな人物によって特許化されており、レーザーの発明者としての功績をどのように割り当てるかという問題は、歴史家の間で未解決のままである。^{[ 58 ]}

1960 年 5 月 16 日、セオドア H. マイマンは、カリフォルニア州マリブのヒューズ研究所で、最初の実用的なレーザーを稼働させた^{[ 59 ] [ 60 ]} 。これは、コロンビア大学のタウンズ、ベル研究所のアーサー L. シャウロー[ ^{61 ] 、} TRG (テクニカル リサーチ グループ) 社のグールドなど、いくつかの研究チームに先駆けてのことだった。マイマンの実用的なレーザーは、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生成した。この装置は、3 レベルの励起設計スキームのため、パルス動作しかできなかった。その年の後半、イランの物理学者アリ ジャバン、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、赤外線で連続動作が可能なヘリウムとネオンを使用した最初のガス レーザーを構築した(米国特許 3,149,290)。その後、ジャバンは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ました。1962年、ロバート・N・ホールは、ガリウムヒ素で作られ、スペクトルの近赤外帯域の850 nmで発光する最初の半導体レーザーを実証しました。同年後半、ニック・ホロニャック・ジュニアは、可視光を発する最初の半導体レーザーを実証しました。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（77 K）まで冷却する必要がありました。1964年、ベル電話研究所のC・クマール・N・パテルは、最初の高出力連続波ガスレーザーである二酸化炭素（CO2）レーザーを発明しました^{[ 62 ]。}これは、最も広く使用されている産業用および医療用レーザーの1つになりました。 1970年、ソ連のジョレス・アルフェロフと、ベル研究所の林出雄とモートン・パニッシュは、それぞれ独自にヘテロ接合構造を用いた室温連続動作ダイオードレーザーを開発した。  

レーザーの歴史の初期から、レーザー研究は、さまざまな性能目標に合わせて最適化された、改良型および特殊型のレーザーを数多く生み出してきた。例えば、以下のようなものがある。

• 新しい波長帯
• 最大平均出力電力
• 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
• 最大電力効率
• 最低価格

レーザーのこれらの特性を改善するための研究は、今日まで続けられている。

2015年、研究者たちは、亜鉛、カドミウム、硫黄、セレンからなる合成ナノシートによって光が変調される白色レーザーを開発した。このナノシートは、赤、緑、青の光をさまざまな割合で放出することができ、各波長は191  nmに及ぶ。^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

2017年、デルフト工科大学の研究者らは交流ジョセフソン接合マイクロ波レーザーを実証した。^{[ 66 ]}このレーザーは超伝導領域で動作するため、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。^{[ 67 ]} 2017年、ミュンヘン工科大学の研究者らは、最大200GHzの繰り返し周波数で位相がロックされたピコ秒レーザーパルスのペアを放出できる最小のモードロック レーザーを実証した。^{[ 68 ]}

2017年、ドイツ連邦物理工学研究所（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共同研究所であるJILAの米国人研究者らと共同で、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。 ^{[ 69 ] [ 70 ]} 

HeNeガスレーザーの発明後、他の多くのガス放電がコヒーレントに光を増幅することが発見されました。さまざまなガスを使用したガスレーザーが構築され、さまざまな目的で使用されています。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ますが、大多数は633  nmでレーザー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コヒーレント性の高いレーザーは、光学研究室や教育ラボ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の熱赤外線です。このようなレーザーは、切断、溶接、医療用途で産業界で日常的に使用されています。CO ₂ レーザーの効率は30%以上と非常に高いです。^{[ 71 ]}アルゴンイオンレーザーは、351～528.7 nmの間のいくつかのレーザー遷移で動作できます。光学設計によっては、これらの遷移の 1 つ以上が同時にレーザー発振する可能性があります。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放電(TEA) レーザーは、安価なガスレーザーであり、趣味家によって自作されることが多く、337.1 nm でかなり非干渉性の UV 光を生成します。^{[ 72 ]}金属イオンレーザーは、深紫外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 はその 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)未満という非常に狭い発振線幅を持ち、 ^{[ 73 ]}蛍光抑制ラマン分光法での使用候補となっています。       

媒質を反転状態に励起したままにせずにレーザー発振を行うことは、 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。^{[ 74 ] [ 75 ]}これは、外部メーザーを使用して媒質に「光学的透明性」を誘起し、基底電子がエネルギーを吸収する可能性をなくすために、2つの経路間で基底電子遷移を導入して破壊的に干渉させることによって達成された。

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を「ドープ」した結晶またはガラス棒を使用します。たとえば、最初に実用化されたレーザーは、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、レーザー発振波長よりも短い波長の光（多くの場合、フラッシュチューブまたは別のレーザー）を使用して光励起されます。レーザー物理学における「固体」という用語は、一般的な用法よりも狭義です。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、オルトバナジン酸イットリウム（Nd:YVO ₄）、フッ化リチウムイットリウム（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 。これらは、金属やその他の材料の切断、溶接、マーキング、分光法、色素レーザーの励起に使用されます。これらのレーザーは、周波数を 2 倍、3 倍、または 4 倍にして、それぞれ 532  nm（緑色、可視）、355  nm、および 266  nm（紫外線）のビームを生成することも一般的です。^{[ 78 ]}周波数倍増ダイオード励起固体（DPSS）レーザーは、低出力（<10 mW）の明るい緑色レーザーポインターや、高出力（>3W）の医療用レーザーを作るために使用されます 。^{[ 79 ]}

イッテルビウム、ホルミウム、ツリウム、エルビウムは、固体レーザーでよく使われる他の「ドーパント」です。^{[ 80 ]}_{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 1020～1050 nm 付近で動作します。量子欠陥が小さいため、非常に効率的で高出力になる可能性があります。Yb:YAG では、超短パルスで非常に高い出力を得ることができます。ホルミウムをドープした YAG 結晶は 2097 nm で発光し、水分を含む組織に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、光ファイバー外科デバイスを通して関節の表面を再生したり、歯の腐敗を取り除いたり、癌を蒸発させたり、腎臓や胆石を粉砕したりします。  

チタン添加サファイア（Ti:サファイア）は、波長可変性に優れた赤外線レーザーを生成し、分光分析に広く用いられている。また、極めて高いピークパワーを持つ超短パルスを生成するモード同期レーザーとしても注目されている。

光パラメトリック発振器は、固体レーザーの波長を紫外線から赤外線までのスペクトル全体にシフトさせます。^{[ 81 ]}非臨界位相整合OPOは、最大70%の効率でレーザー波長を変換でき、いわゆる「目に安全な」波長で非常に効率的なレーザーを生成し、レーザーを目に損傷を与えることなく公共の場で安全に使用できるようになりました。^{[ 82 ]}

固体レーザーの熱的制限は、変換されなかったポンプパワーが媒質を加熱することによって生じます。この熱は、高い熱光学係数 (d n /d T ) と組み合わさると、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ります。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利得媒質を持つことで、これらの問題を克服します。これにより、材料内の温度がより均一になります。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することが実証されています。^{[ 83 ]}

単一モード光ファイバー内での全反射によって光が導波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。光の導波により、非常に長い利得領域が実現し、良好な冷却条件が得られます。ファイバーは表面積対体積比が高いため、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ます。このようなレーザーでは、エルビウムイオンとイッテルビウムイオンが一般的な活性種です。

ファイバーレーザーは、多くの場合、ダブル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、内側クラッド、外側クラッドの3つの層から構成されています。3つの同心円状の層の屈折率は、ファイバーコアがレーザー発振用のシングルモードファイバーとして機能し、外側クラッドが励起レーザー用の高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、励起光は活性な内側コア領域に大量のパワーを伝送できると同時に、高い開口数（NA）を維持できるため、容易な入射条件を実現できます。

励起光は、ファイバーディスクレーザー、あるいはそのようなレーザーを積み重ねた構造を作ることで、より効率的に利用できる。

ファイバーレーザーは、他の光媒体と同様に、特定の波長の放射線にさらされると光劣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とレーザー機能の低下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、カラーセンターの形成が関係しています。^{[ 84 ]}

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。これらは通常マイクロメートルサイズで、フォトニック結晶のバンドで調整可能です。^{[ 85 ]}

半導体レーザーは、電気的に励起されるダイオードです。印加された電流によって生成された電子と正孔の再結合により、光利得が生じます。結晶の端面からの反射によって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配置される場合もあります。

市販のレーザーダイオードは 、375 nm から 3500 nmの波長で発光します 。^{[ 86 ]}低出力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ます。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ます。最大 20 kW の出力を持つ最高出力の産業用レーザーダイオードは、 切断や溶接などの産業用途に使用されます。^{[ 87 ]}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備えています。これらのデバイスは、良好なビーム品質、波長可変の狭線幅放射、または超短レーザーパルスで高出力を生成できます。

2012年、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高出力緑色レーザーダイオード（515/520 nm）を開発・製造した。 ^{[ 88 ] [ 89 ]}

垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、発光方向がウェーハの表面に垂直な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、 広く入手可能なのは850 nm VCSELのみで、1300  nm VCSELは商用化され始めており^{[ 90 ]}、1550  nmデバイスは研究分野となっています。VECSELは外部共振器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アクティブな遷移を持つ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において重要です。シリコンは集積回路の材料として最適であり、その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）を同一チップ上に製造することが可能です。しかしながら、シリコンはレーザー発振を阻害する特定の特性を持つため、レーザー材料として扱いが難しいという問題があります。ところが近年、シリコンと、リン化インジウム(III)やヒ化ガリウム(III)といった、シリコンからコヒーレント光を生成できる他の半導体材料を組み合わせてレーザー材料を製造するなどの手法によって、シリコンレーザーが開発されています。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。また、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集積されたナノワイヤレーザーの使用も実証されており、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。^{[ 91 ]}シリコン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、最大 200  GHz の繰り返し周波数で位相ロックされたピコ秒パルスのペアを放出することもでき、オンチップ光信号処理を可能にします。^{[ 68 ]}もう 1 つのタイプはラマンレーザーで、シリコンなどの材料からレーザーを生成するためにラマン散乱を利用します。

半導体量子ドットレーザーは、量子ドットを活性レーザー媒体として使用します。これらのレーザーは、ガスレーザーに近いデバイス性能を示し、従来の半導体レーザー媒体のいくつかの欠点を回避します。変調帯域幅、レーザー発振閾値、相対強度ノイズ、線幅増強係数、温度非感受性の改善がすべて観察されています。量子ドット活性領域は、ドットのサイズと組成を変化させることで、異なる波長で動作するように設計することもできます。これにより、量子ドットレーザーは、これまで半導体レーザー技術では不可能だった波長で動作するように製造できます。^{[ 92 ]}

色素レーザーは、有機色素を利得媒体として使用します。利用可能な色素、または色素混合物の広い利得スペクトルにより、これらのレーザーは高い波長可変性を持ち、数フェムト秒程度の非常に短いパルスを生成できます。これらの波長可変レーザーは主に液体の形態で知られていますが、研究者らは固体色素利得媒体を組み込んだ分散発振器構成において、狭線幅の波長可変発光も実証しています。最も一般的な形態では、これらの固体色素レーザーは、色素をドープしたポリマーをレーザー媒体として使用します。

バブルレーザーは、光共振器として気泡を使用する色素レーザーです。気泡内のウィスパリングギャラリーモードは、数百個の等間隔のピークからなる出力スペクトル、すなわち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気泡の円周に直接関係するため、バブルレーザーは高感度圧力センサーとして使用できます。^{[ 93 ]}

自由電子レーザー（FEL）は、コヒーレントで高出力の放射を生成し、波長範囲はマイクロ波からテラヘルツ波、赤外線、可視光、軟X線までと広範囲にわたります。あらゆる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共有していますが、FELの動作は大きく異なります。束縛された原子または分子状態に依存する気体、液体、または固体レーザーとは異なり、FELは相対論的電子ビームをレーザー媒体として使用するため、「自由電子」という用語が付けられています。

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つのレビュー論文にまとめられている。^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]}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。多くの科学者は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していない。^{[ 97 ]}

初期の研究のいくつかは、固体中の上位異性体状態を励起する中性子の短パルスに焦点を当てており、ガンマ線遷移がメスバウアー効果の線幅狭窄の恩恵を受けることができるようにした。^{[ 98 ] [ 99 ]}また、3準位系の2段階ポンピングからいくつかの利点が期待された。^{[ 100 ]}レーザー駆動のコヒーレントに振動する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。^{[ 101 ] [ 102 ]}さらに、振動する雲の非線形性は空間的および時間的高調波の両方を生成するため、より高い多重極性の核遷移もレーザー周波数の整数倍で駆動できる。^{[ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]}

2007年9月、BBCニュースは、ポジトロニウム消滅を利用して非常に強力なガンマ線レーザーを駆動する可能性についての憶測があると報じた。^{[ 110 ]}カリフォルニア大学リバーサイド校のデビッド・キャシディは、慣性閉じ込め核融合実験で現在使用されている数百個のレーザー群を、そのようなレーザー1個で核融合反応を開始させることができると提案した。^{[ 110 ]}

核爆発で励起される宇宙ベースのX線レーザーも対ミサイル兵器として提案されている。^{[ 111 ] [ 112 ]}このような装置は一発限りの兵器となるだろう。

生細胞はレーザー光を生成するために使用されてきた。^{[ 113 ] [ 114 ]}細胞は遺伝子操作によって緑色蛍光タンパク質を生成するように作られ、これがレーザーの利得媒体として機能した。次に、細胞は20マイクロメートル幅の2枚の鏡の間に配置され、これがレーザー共振器として機能した。細胞に青色の光を照射すると、強く指向性のある緑色のレーザー光が放出された。

天体物理学的メーザーと同様に、照射された惑星または恒星のガスは光を増幅し、自然レーザーを生成する可能性がある。^{[ 115 ]}火星、^{[ 116 ]}金星、およびMWC 349はこの現象を示している。

レーザーは、レーザー手術（特に眼科手術）、失明の治療^{[ 133 ]}、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、セルライトや妊娠線の軽減、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、腫瘍や前癌病変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ます。最も一般的には、体の表面または内臓の内壁に発生する表在性癌の治療に使用されます。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非常に初期の段階の治療に使用されます。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併用されることがよくあります。レーザー誘導間質温熱療法（LITT）、または間質レーザー光凝固は、熱を利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させる温熱療法を使用して、レーザーで一部の癌を治療します。レーザーは従来の手術方法よりも精密で、損傷、痛み、出血、腫れ、瘢痕が少なくなります。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高くなる可能性が高いことです。^{[ 134 ] [ 135 ]}

低レベルレーザー療法（LLLT）は、レーザーまたは発光ダイオード（LED）からの低出力光を体表面に照射する治療法です。^{[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}これは、治癒を促進し、痛みを和らげ、細胞機能を高めるとされています。効果は特定の波長の光に限定されるようです。この治療法の有効性はまだ研究中です。低レベルの赤色光療法を繰り返すと、小児の近視のコントロールに効果がある可能性があります。 ^{[ 141 ] [ 142 ]}こうした機器のいくつかは米国食品医薬品局（FDA）の承認を受けており、低レベルの赤色光療法は、関節リウマチ^{[ 143 ]}や口腔粘膜炎^{[ 144 ]}を含むさまざまな疾患の治療に試験されています。

レーザー兵器は、レーザーを使用して損傷を与える指向性エネルギー兵器の一種です。 ^{[ 145 ]}実用的で高性能な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。^{[ 146 ] [ 147 ]}レーザー兵器の主な問題の一つは、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、塵、雨、雪、スモッグ、泡、または意図的に散布された遮蔽化学物質が存在する場合に悪化します。米国海軍は、小型UAV、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、非常に短い射程（1マイル）、30kWのレーザー兵器システム（LaWS）をテストしました。^{[ 148 ] [ 149 ]}これは「6つの溶接レーザーを束ねたもの」と表現されています。 2020年現在、駆逐艦級向けに60kWのシステム「HELIOS 」が開発されている。 [ ^{150 ] [ 151 ]​}

レーザーは、無力化を目的とした非致死性兵器として使用できる。^{[ 152 ]}レーザーは、目に照射されると、一時的または永続的な視力喪失を引き起こす可能性がある。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座に永続的な視力喪失を引き起こす可能性があり、潜在的に非致死性だが無力化兵器となる。レーザーによる失明がもたらす極度の障害のため、このようなレーザーの使用は道徳的に議論の的となっている。失明レーザー兵器に関する議定書は、永続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る。一時的な失明を引き起こすように設計された兵器は、ダズラーとして知られており、軍隊や時には法執行機関によって使用されている。

近年、レーザーに興味を持つ愛好家が現れている。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だが、クラスIVタイプを自作する者もいる。^{[ 153 ]}しかし、コストと潜在的な危険性から、これはあまり一般的ではない趣味である。一部の愛好家は、壊れたDVDプレーヤー（赤）、Blu-rayプレーヤー（紫）、あるいはCDやDVDライターからより高出力のレーザーダイオードを再利用している。^{[ 154 ]}

趣味で使う人の中には、退役した軍事用途から取り出した余剰レーザーを改造してホログラフィーに利用する者もいる。パルス式ルビーレーザーやYAGレーザーは、この用途に適している。

用途によって、必要なレーザーの出力は異なります。連続ビームを生成するレーザーと、短いパルス列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、平均出力よりも何桁も大きくなります。平均出力は常に消費電力よりも小さくなります。

ピーク電力の高いパルスシステムの例：

• 700 TW (700×10 ¹² W) —国立点火施設、直径 10 メートルのターゲット 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^{[ 157 ]}
• 10 PW (10×10 ¹⁵ W) — 2019年時点で世界で最も強力なレーザーであり、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。^{[ 158 ]}