نحوه کار لیزر
فیزیک لیزر
 اتم ها دارای یک سری تراز­های انرژی هستند که الکترون ها مجازند تنها در این تراز­های به دور هسته­ی اتم بگردند. این ترازها تعیین کننده انرژی الکترون می­باشند یعنی الکترون در هریک از این ترازها تنها مقدار مشخصی از انرژی را می­تواند داشته باشد. هرگاه یک الکترون از ترازی به تراز دیگر منتقل شود (در اثر مکانیزم های مختلف) بر طبق قانون بقای انرژی، اگر انرژی تراز اول از تراز دوم بیشتر باشد لازم است الکترون اندکی از انرژی خود را که معادل اختلاف انرژی دو تراز است از دست بدهد و اگر انرژی تراز دوم از تراز اول بیشتر باشد لازم است انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز بگیرد. این دادن و یا گرفتن انرژی از راه های بسیار متفاوتی میسر می­شود مانند انتقال انرژی به شبکه­ی ماده و یا انرژی حرارتی در گازها و یا از همه مهمتر انرژی نورانی. به اتمی که الکترون آن در تراز بالا قرار داشته باشد اتم برانگیخته و به اتمی که الکترون آن در پایین­ترین تراز قرار داشته باشد اتم در حالت پایه می­گویند.
   بنابراین هرگاه یک الکترون از تراز بالا به تراز پایین فرو افتد انتظار داریم یک فوتون گسیل کند و برعکس اگر از تراز پایین به تراز بالا برود یک فوتون جذب می­کند. فرو افت اتم از تراز بالا به تراز پایین به دو صورت رخ می­دهد. یکی به صورت خود به خودی و دیگری به صورت القایی. گسیل خود­ به خودی عبارت است از فروافت اتم در ترازها بدون هیچ گونه برهم کنشی با فوتون. برای یک دسته از اتم ها گذار خود به خودی به صورت آماری رخ می­دهد. نوع دیگر گذار، گذار القایی است که در آن با برخورد یک فوتون با اتم برانگیخته، الکترون گذار انجام می­دهد و یک فوتون علاوه بر فوتون اول گسیل می­کند. شرط لازم این است که فوتون اول انرژی کاملا معادل با اختلاف انرژی دو تراز اتم داشته باشد. ویژگی این گذار این است که فوتون دوم از لحاظ انرژی، قطبش و راستای انتشار کاملا مشابه فوتون اول است. شکل ۱ نمایشی از گذار در اتم است.

هنگامی که فرایند نشان داده شده در شکل به دفعات تکرار شود تعداد فوتون­ها به صورت تصاعدی زیاد می­شود. یعنی ۱ فوتون به دو فوتون، دو فوتون به چهار فوتون و چهار فوتون به هشت فوتون و … تبدیل می­شود که این امر به ایجاد یک شار فوتونی می­انجامد. در لیزر با کنترل و تقویت این شار فوتونی باریکه­ی قدرت­مندی پدید می­آید که تمامی فوتون­های آن مشابه یکدیگر هستند.
در فرایند توصیف شده برای اینکه یک فوتون باعث بروز یک گذار القایی و تولید دو فوتون شود لازم است که اتمی با یک الکترون در تراز برانگیخته داشته باشیم. برای برانگیخته نمودن یک اتم لازم است به آن انرژی منتقل کنیم.همانگونه که گفته شد یکی از راه­های برانگیخته ساختن اتم اصابت یک فوتون با انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز است. پس در یک سیستم شامل تعداد زیادی اتم یک فوتون با انرژی E می­تواند هم یک اتم در حالت پایه را به حالت برانگیخته منتقل کند و هم یک اتم بر انگیخته را وادار به گذار القایی و تولید دو فوتون نماید. بنابراین در یک سیستم در حال تعادل هم جذب فوتون و هم تولید فوتون داریم که در تعادل جذب و تولید یکسان می­باشند. بنابراین در یک سیستم دو ترازی هرگز نمی­توان شار فوتون­ها را افزایش داد زیرا به همان میزان که فوتون تولید می­شود به همان میزان نیز فوتون ها نابود می­شوند. لیزرهای عملی تماما شامل بیش از دو تراز هستند( سه ترازی و چهار ترازی).

لیزرهای سه ترازی: اولین لیزر ساخته شده (لیزر یاقوت) یک لیزر سه ترازی بود. در شکل زیر یک لیزر سه ترازی نمایش داده شده است.

در شکل تراز بالا را تراز پمپاژ، تراز میانی را تراز بالای لیزر و تراز پایین را حالت پایه می­نامند. در این سیستم اتم­ها در اثر پمپاژ از تراز پایه به تراز پمپاژ می­روند. در تراز پمپاژ اتم ناپایدار است و به سرعت با ازدست دادن اندکی انرژی یه تراز بالا لیزر می­روند و در انجا با برهمکنش با فوتون ها به تراز پایه فرو می­افتند. همانگونه که مشاهده می­شود انرژی فوتون هایی که اتم را برانگیخته می­سازند با فرکانس خروجی لیزر که ناشی از گذار القایی است متفاوت است. بنابراین در چنین سیستمی می­توان انتظار تقویت داشت.
نقص این سیستم در این است که تراز پایین لیزر همان حالت پایه است. بنابراین فوتون ها ممکن است جذب اتم های حالت پایه شده و آنها را به تراز بالای لیزر منتقل کنند که برای ما مطلوب نیست. از این رو مایل هستیم این اثر را به گونه این حذف کنیم. در این لیزر میزان فوتون­هایی که به شاز خروجی افزوده می­شود معادل اتم­هایی است که از حالت پایه به به تراز پمپاژ پمپ می­شوند و سپس به تراز بالای لیزر فرو­ می­افتند. در این میان تعدادی از اتم­های منتقل شده به تراز پمپاژ به جای فرو افتادن به تراز بالای لیزر مستقیما به تراز پایه باز می­گردند که نا­مطلوب است و در لیزر به عنوان اتلاف انرژی بروز می­کند و بازده لیزر را کاهش می­دهد.
لیزرهای چهار ترازی: یک لیزر عملیاتی یک لیزر ۴ ترازی است که بازده به مراتب بالاتری نسبت به یک لیزر سه ترازی دارد. اغلب لیزرهای رایج چهار ترازی هستند. در شکل زیر نمایشی از ترازهای لیزر چنین لیزری آورده شده است. همانگونه که مشاهده می¬شود تفاوت این لیزر با لیزر ۳ ترازی در جدا بودن تراز پایه و تراز پایین لیزر است.
به دلیل این جدایی اتم¬هایی که در اثر پمپاژ به تراز پمپاژ می¬روند در اثر پرتوی لیزری تولید شده توسط محیط فعال گذار القایی به حالت پایه انجام نمی¬دهند و همچنین اتم¬های تراز پایه در اثر پرتوی لیزری به تراز های دیگر منتقل نمی¬شوند که به اتلاف بیانجامد. لیزرهای معروفی چون لیزر Nd:YAG و CO2 از این دسته هستند. با دقت بیشتر درمی¬یابیم که فرکانس پمپاژ با فرکانس تولید شده توسط محیط فعال لیزر متفاوت است. این موضوع باعث عدم برهمکنش پرتوی پمپاژ با تراز¬های لیزری محیط فعال در پمپاژ اپتیکی می¬گردد که به پایداری هرچه بیشتر لیزر کمک می کند.

پمپاژ
پمپاژ یعنی بردن یک الکترون محیط فعال لیزر از تراز پایه به تراز پمپاژ توسط یک عامل تامین انرژی خارجی. در این میان بخشی از انرژی توسط گذارهای ارتعاشی از تراز پمپاژ به تراز بالای لیزر و همچنین از تراز پایین لیزر به تراز پایه تلف می­شود. بنابراین به صورت تئوری نیز امکان بازده ۱۰۰% در لیزر نا ممکن است. این انرژی که به صورت گذار ارتعاشی از آن یاد شد به شکل گرما به محیط فعال منتقل می­شود و باعث بالا رفتن دمای محیط فعال می­گردد. ­بنابراین تمامی لیزرهای با توان بالا که درآنها خنک­سازی توسط هوا کافی نیست  نیاز به سیستم خنک سازی دارند.
هنگامی که شروع به پمپاژ محیط فعال یک لیزر می­کنیم اتم­ها از حالت پایه به حالت برانگیخته می­روند. در مقابل مکانیزم پمپاژ که اتم­ها را به حالت برانگیخته می­برد مکانیزم هایی مانند گذار خود به خودی، گذار ارتعاشی و … هستند که اتم ها را از تراز بالای لیزر به تراز پایین یا دیگر ترازها منتقل می­کنند. بسته به اینکه کدام یک از این دو فرایند غالب باشد منجر به افزایش اتم­ها در تراز بالا و یا کاهش اتم­ها در تراز بالای لیزر می­انجامد. برای اینکه تولید شار فوتونی در لیزر اتفاق بیفتد لازم است جمعیت اتم­هایی که الکترونی در تراز بالا دارند بیشتر از اتم­های در تراز پایین باشد. به این اتفاق وارونگی جمعیت می­گویند. تا زمانی که وارونگی جمعیت نداشته باشیم عبور پرتوی لیزر از محیط با جذب همراه خواهد بود و پرتو تضعیف می­شود اما هنگامی که وارونگی جمعیت داشته باشیم پرتو در عبور از محیط تقویت می­شود و انرژی محیط که توسط فرایند پمپاژ به آن منتقل شده کسب می­کند. علاوه بر این درون کاواک لیزر عوامل جذب ناخواسته مانند وجود نقص و ناخالصی در محیط فعال و یا نقص در آینه­ها وجود دارد که به اتلاف هرچه بیشتر پرتوی لیزر منجر می­شود. در نتیجه برای تقویت لیزر در عبور از کاواک میزان تقویت باید به حدی باشد که تمامی اتلاف ها را جبران سازد. نقطه­ی از تقویت که با اتلافات کاواک برابر می­شود حد آستانه گفته می­شود.
بنابراین پمپاژ پارامتر بسیار تعیین کننده­ای در تولید یک پرتوی لیزر است از طریق رسانیدن لیزر به وارونگی جمعیت و گذشتن از حدآستانه امکان تولید پرتوی خروجی را فراهم می­آورد.

پمپاژ اپتیکی
در این روش پمپاژ با استفاده از پرتوی­های نوری تولید شده توسط یک منبع نوری خارجی اتم­های محیط فعال برانگیخته می­شوند. پرتوی تولید شده توسط محیط فعال جذب شده و منجر به گذار الکترون به تراز بالا می­شود. انتخاب منبع نوری مناسب اهمیت بسیار زیادی در پایداری لیزر و همچنین بازده بیشتر دارد. اولین فاکتور تعیین کننده در انتخاب منبع نوری مناسب ناحیه طول موجی تولیدی توسط منبع  و انطباق آن با ناحیه جذب مطلوب محیط فعال است. ناحیه طول موجی باید به گونه­ای انتخاب گردد که در آن طول موج محیط فعال بیشترین جذب مطلوب (جذبی که منجر به برانگیخته شدن اتم­های ماده شود) را داشته باشد و همچنین تا حد امکان در دیگر طول موج­ها شدت پایینی داشته باشد. زیرا شدت در طول موج­های دیگر باعث بروز جذب نامطلوب می­شود که به تولید گرما در محیط فعال می­انجامد که پایداری لیزر را کاهش می­دهد و مناسب نیست. بنابراین منبع نوری با طول موج معین و تا حد امکان شارپ( شدت بالا در یک طول موج خاص و شدت صفر در دیگر طول موج­ها) برای پمپاژ بسیار مطلوب است. ویژگی دیگر شدت مناسب است. برای ایجاد وارونگی معکوس و آستانه لیزر لازم است شدت پمپاژ از حد معینی بیشتر باشد. نحوه تابش پرتوی پمپاژ به محیط نیز دیگر عامل تاثیرگذار روی پایداری و خروجی لیزر است. در زیر تعدادی از چیدمان های مرسوم نشان داده شده اند.

همانطور که مشاهده می­شود از چیدمان هایی استفاده می­گردد که اولا تمام پرتو­های تولید شده توسط منبع پمپاژ وارد محیط فعال شود و از طرف دیگر  پرتوها به صورت متقارن وارد محیط شوند و محیط به صورت متقارن پمپ شود.