Termins laser angļu valodā ir akronīms no light amplification by the stimulated emission of radiation (“gaismas pastiprināšana, izmantojot inducēto starojumu”).

Atšķirībā no daudziem citiem elektromagnētiskā starojuma avotiem lāzera starojums ir monohromatisks, koherents un kolimēts, tādēļ to var izmantot īpaši precīzu mērījumu veikšanai, pārraidīt lielos attālumos vai lielas starojuma jaudas koncentrēšanai nelielā telpas apgabalā.

Termins “lāzers” parasti tiek attiecināts uz inducētā starojuma avotiem, kas izplata ultravioleto starojumu, redzamo gaismu vai infrasarkano starojumu. Vēsturiski pirmā šāda tipa ierīce – māzers (microwave amplification by stimulated emission of radiation, maser) – darbojās mikroviļņu diapazonā. Izmantojot piemērotu aktīvo vidi un optiskos elementus, lāzera principu var realizēt arī rentgenstaru diapazonā (X-ray laser). Brīvo elektronu lāzers (free electron laser, FEL) ir plašā spektra daļā pārskaņojams sinhrotrona starojuma avots, kas rada ārkārtīgi augstas intensitātes elektromagnētiskā starojuma impulsus.

Ir vairāki kritēriji, pēc kuriem var veikt dalījumu dažādu veidu lāzeros. Pēc lāzera aktīvās vides iedala cietvielu, gāzu, pusvadītāju, optisko šķiedru un krāsvielu lāzerus. Atkarībā no darbības režīma izšķir nepārtrauktas darbības un impulsu lāzerus. Lai raksturotu starojuma mijiedarbību ar organisma audiem, atšķirīgu jaudu lāzeru ierīces klasificē drošības klasēs.

Lāzera teorētiskā darbības principa pamatlicējs ir Vācijā dzimušais fiziķis Alberts Einšteins (Albert Einstein), 1917. gadā publicētā rakstā starp dažādiem starojuma procesiem aplūkojot inducēto starojumu. 1928. gadā vācu fiziķis Rūdolfs Valters Lādenburgs (Rudolf Walter Ladenburg) inducētā starojuma parādību konstatēja eksperimentāli.

Pirmā ierīce starojuma pastiprināšanai, izmantojot inducēto starojumu, bija māzers. Par šāda veida ierīces darbības principu ar publisku lekciju 1952. gadā uzstājās amerikāņu fiziķis Džozefs Vēbers (Joseph Weber). 1953. gadā Čārlzs Hārds Taunss (Charles Hard Townes) demonstrēja pirmo ierīci, kas spēja ģenerēt fokusētu un monohromatisku mikroviļņu frekvenci. Tajā pašā laikā māzera izstrādei bija pievērsušies Padomju Sociālistisko Republiku Savienības (PSRS) zinātnieki Nikolajs Basovs (Николай Геннадиевич Басов) un Aleksandrs Prohorovs (Александр Михайлович Прохоров). Par fundamentālo ieguldījumu starojuma oscilatoru un pastiprinātāju tehnoloģijās Č. Taunss, N. Basovs un A. Prohorovs 1964. gadā kopīgi saņēma Nobela prēmiju fizikā. Māzeru praktiskie pielietojumi bija visai ierobežoti, taču zinātniskā interese saglabājās augsta, sevišķi, lai ierīces darbības principu realizētu redzamās gaismas diapazonā.

20. gs. 50.–60. gados vairākas pētniecības grupas Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) un PSRS bija aktīvi iesaistījušās lāzera izstrādē. 1960. gadā amerikāņu zinātniekam Teodoram Meimenam (Theodore Harold Maiman) izdevās uzbūvēt pirmo lāzeru, kas darbojās. Sarkanās gaismas lāzera kūlis tika radīts sintētiskā rubīna kristālā, to ierosinot ar redzamās gaismas impulsiem. Pirmo nepārtrauktā starojuma lāzera prototipu, kurā par aktīvo vidi tika izmantots hēlija un neona gāzu maisījums, 1960. gadā radīja Bella laboratorijas zinātnieki Ali Džavans (علی جوان), Viljams Benets (William Ralph Bennett Jr.) un Donalds Heriots (Donald R. Herriott). Par pusvadītāju lāzera (lāzerdiodes) izgudotājiem 1962. gadā kļuva ASV zinātnieku Roberta Hola (Robert Noel Hall) un Māršala Neitena (Marshall Nathan) vadītās pētniecības grupas.

Turpmākie centieni lāzeru tehnoloģiju pilnveidošanā un pielietošanā ir sekmējuši jaunus atklājumus fundamentālajā zinātnē, un ievērojamākie no tiem ir apbalvoti ar Nobela prēmijām zinātnē. Nozīmīgu ieguldījumu augstas izšķirtspējas lāzeru spektroskopijas attīstībā ir devuši amerikāņu fiziķi Nikolāss Blūmbergens (Nicolaas Bloembergen) un Artūrs Šavlovs (Arthur Leonard Schawlow), kuri kopīgi Nobela prēmiju fizikā saņēma 1981. gadā. Ēģiptiešu izcelsmes amerikāņu zinātnieks Ahmeds Hasans Zeveils (Ahmed Hassan Zewail, أحمد حسن زويل) ir aizsācējs ķīmisko reakciju spektroskopiskajā izpētē ar īpaši īsiem lāzera impulsiem (Nobela prēmija ķīmijā saņemta 1999. gadā). Amerikāņu zinātnieki Stīvens Ču (Steven Chu), Viljams Deniels Filipss (William Daniel Phillips) un franču zinātnieks Klods Koens-Tannudži (Claude Cohen-Tannoudji) ir izstrādājuši metodiku atomu ieslazdošanai un atdzesēšanai, izmantojot lāzera starojumu (Nobela prēmija fizikā saņemta 1997. gadā). Lāzera dzesēšanas metodika tika izmantota atomu atdzesēšanai līdz ļoti zemām temperatūrām, radot jaunu matērijas agregātstāvokli – Bozes–Einšteina kondensātu (Ēriks Kornels, Eric Allin Cornell, Volfgangs Keterle, Wolfgang Ketterle, Karls Vīmans, Carl Edwin Wieman; Nobela prēmija fizikā saņemta 2001. gadā). Interferometrisks lāzera starojuma detekcijas princips tika izmantots, lai eksperimentāli pierādītu gravitācijas viļņu eksistenci (Rainers Veiss, Rainer Weiss, Berijs Berišs, Barry Barish, Kips Torns, Kip Thorne; Nobela prēmija fizikā saņemta 2017. gadā). Nobela prēmiju fizikā 2018. gadā kopīgi saņēma ASV zinātnieks Arturs Eškins (Arthur Ashkin) par “optisko pinceti” un tās pielietojumu bioloģiskās sistēmās, no vienas puses, un franču zinātnieks Žerārs Murū (Gérard Mourou) un kanādiešu fiziķe Donna Striklenda (Donna Strickland), no otras puses, par lielas intensitātes ultraīsu optisko impulsu ģenerēšanas metodes izstrādi.

Lāzeru teorija ir balstīta kvantu fizikā un ar to saistītu zinātnes nozaru atziņās. Kā atsevišķu nozari mēdz izdalīt lāzerfiziku, kuras problēmjautājumu klāsts ietver lāzeru konstrukciju un darbības principus, kā arī lāzera starojuma īpašības, izplatīšanos un pielietojumus.

Starojuma procesus skaidro, aplūkojot kvantu mehāniskas pārejas vielas elektroniskajā struktūrā. Atomu un molekulu sastāvā esošie elektroni var atrasties noteiktās orbitālēs, kuras raksturo ar diskrētiem kvantu stāvokļiem un atbilstošām enerģijas vērtībām. Elektronu pārejas starp dažādiem kvantu stāvokļiem var notikt trīs starojuma procesu – absorbcijas, spontānā starojuma un inducētā starojuma – veidā. Stāvokli ar zemāko enerģijas vērtību sauc par sistēmas pamatstāvokli. Fotona absorbcijas rezultātā ir iespējama elektrona ierosināšana metastabilā kvantu stāvoklī ar augstāku enerģiju. Sistēmas atgriešanās pamatstāvoklī var notikt spontāni, enerģijas starpību izstarojot fotona veidā. Relaksācija var notikt arī cita fotona stimulācijas rezultātā, inducējot sekundāru fotonu, kas ir vienā frekvencē, fāzē, polarizācijā un virzienā ar sākotnējo. Starojuma pastiprināšana, izmantojot inducēto starojumu, ir lāzeru darbības pamatā. Lai inducētā starojuma process būtu efektīvāks par absorbciju, starp ierosināto un pamatstāvokli ir jānodrošina apdzīvotības inversija. Divlīmeņu sistēmā realizēt apdzīvotības inversiju ir problemātiski, tādēļ reālu lāzeru darbība ir balstīta vairāklīmeņu sistēmās. 

Lāzera darbības nodrošināšanai nepieciešamie pamatelementi ir aktīvā vide, enerģijas “pumpēšanas” mehānisms un optisks rezonators. Inducētais starojums tiek ģenerēts lāzera aktīvajā vidē, kas var būt piemērota viela cietā, šķidrā vai gāzveida agregātstāvoklī. Aktīvās vides atomu vai molekulu ierosināšanai, ko dēvē arī par lāzera pumpēšanu, tiek izmantots ārējs enerģijas avots (parasti optisks vai elektrisks). Aktīvajā vidē nemitīgi norisinās relaksācijas procesi, tādēļ, lai uzkrātu pietiekoši daudz enerģijas apdzīvotības inversijas radīšanai, ir nepieciešams optisks rezonators. Vienkāršākajā gadījumā rezonatoru veido divi spoguļi, no kuriem notiek fotonu atstarošanās, lielāko daļu noturot aktīvajā vidē, bet nelielu daļu viens no spoguļiem izlaiž cauri. Fotoni mijiedarbojas ar ierosinātajiem aktīvās vides atomiem vai molekulām, kas stimulē turpmākus relaksācijas procesus un inducē sekundāros fotonus ar tādu pašu frekvenci. Rezultātā lāzera kūlis sastāv no monohromatiskiem elektromagnētiskā starojuma viļņiem ar vienādu polarizāciju un laikā nemainīgu fāžu starpību (koherences nosacījums). Rezonatora konstrukcija vai papildus optiskie elementi nodrošina augstu starojuma virzību, kas ļauj to efektīvi pārraidīt lielos attālumos vai visu enerģiju sakoncentrēt nelielā telpas apgabalā. Lāzers var darboties nepārtrauktā režīmā ar laikā konstantu starojuma jaudu vai arī impulsu režīmā, enerģiju koncentrējot regulāros un īsos starojuma impulsos.

Pirmajā lāzerā par aktīvo vidi tika izmantots cilindrisks sintētiska rubīna monokristāla stienis. Rubīns ir alumīnija oksīda (Al₂O₃) kristāls, kurā nelielu daļu no alumīnija joniem aizvieto hroma piemaisījumi. Apdzīvotības inversija tiek nodrošināta Cr³⁺ jonos, ar gāizlādes lampas starojumu pumpējot aktīvo vidi. Cr³⁺ jonu elektroniskās struktūras dēļ inducētā starojuma viļņa garums ir 694,3 nanometri, kas atbilst sarkanajai krāsai. Izvēloties citas aktīvas vides un aktivatoru jonu kombinācijas, ir iespējams izveidot lāzerus, kas darbojas dažādos spektra apgabalos. Par aktivatoriem parasti tiek izmantoti retzemju elementu (neodīms – Nd, iterbijs – Yb, holmijs – Ho, erbijs – Er) joni, savukārt nozīmīgi cietvielu lāzeru aktīvās vides materiāli ir itrija ortovanadāts (YVO₄), itrija alumīnija granāts (Y₃Al₅O₁₂) un citi kristāli.

Atkarībā no aktīvās vides izdala arī citus lāzeru veidus. Pusvadītāju lāzeri, kuros inducētais starojums tiek ģenerēts p-n pārejas apgabalā starp diviem atšķirīgiem pusvadītāju materiāliem, ir visplašāk izmantotā lāzeru klase. Krāsvielu lāzeros aktīvo vidi veido organisku krāsvielu molekulu šķīdums. Viena no galvenajām krāsvielu lāzeru priekšrocībām ir iespēja darbības viļņa garumu pārskaņot. Par aktīvo vidi var kalpot arī viela gāzveida stāvoklī, to ierosinot ar elektrisko izlādi. Starp populārākajiem gāzu lāzeriem ir minami hēlija neona (He-Ne) maisījuma, oglekļa dioksīda (CO₂) un argona (Ar) jonu lāzeri. Ķīmiskos lāzeros gāze aktīvajā vidē tiek ierosināta ķīmisku reakciju rezultātā.

Lāzera starojuma augstā koherence laikā un telpā paver iespējas augstas precizitātes mērījumu veikšanai, kas ir centrālā zinātnes pētījumu sastāvdaļa. Lāzers ir neatņemams instruments optiskajā spektroskopijā, lai veiktu detalizētu pētāmā objekta struktūras un starojuma ierosināto procesu analīzi vielā. Augsta starojuma koherence ir nepieciešama interferometrijā un hologrāfijā, lai, izmantojot starojuma interferences parādību, veiktu ļoti precīzus mērījumus vai ierakstītu trīsdimensionālus attēlus. Lāzeri tiek integrēti modernos optiskajos mikroskopos, kuros nepieciešams ierosināt pētāmā parauga fluorescenci. Pikosekunžu un femtosekunžu lāzeru impulsus (10^-12-10^-15 s) izmantoto fotoķīmijā, lai analizētu ķīmisku reakciju norisi laikā. Attāluma lāzermērīšanas tehnoloģiju (Light Detection and Ranging, LiDAR) pielieto ģeoloģijā, seismoloģijā, atmosfēras izpētē un citās nozarēs. Ekstremāli augstas jaudas lāzeru impulsi tiek izskatīti kā viens no perspektīviem variantiem kodolsintēzes reakciju iniciēšanā.

Lāzera izgudrošana iezīmēja pavērsiena punktu zinātnē un inženierijā, jo principiāli atšķirīgo īpašību dēļ salīdzinājumā ar citiem starojuma avotiem kļuva iespējama jaunu tehnoloģiju un specializētu ierīču izveide. Lielu daļu lāzera pielietojumu var iedalīt šādās kategorijās: 1) informācijas nolasīšana, apstrāde un pārraide; 2) precīzā enerģijas novadīšana; 3) mērījumu tehnoloģijas.

Lāzeru tehnoloģijas nodrošina daudzu nepieciešamu procesu norisi cilvēku ikdienā. Lāzerdiodes izmanto elektronikas ierīcēs, piemēram, svītrkodu lasītājos, lāzerprinteros, optisko disku nolasīšanas un ierakstīšanas ierīcēs, lāzerpelēs, lāzerpointeros un citās. Optisko šķiedru kabeļi, kuros informācijas pārraidei izmanto lāzera starojuma impulsus, ir neatņemama sakaru tīklu komponente. Lāzermērīšanas sistēmas izmanto celtniecībā, transporta nozarē, meteoroloģijā, kartogrāfijā, ūdenstilpņu dziļuma mērīšanā, izrakteņu ieguvē un citās praktiski nozīmīgās nozarēs.

Lāzera starojuma koncentrēšana nelielos apgabalos un īsos laika intervālos ļauj iegūt pietiekoši lielu jaudas blīvumu, lai daudzus materiālus uzkarsētu, izdedzinātu vai iztvaicētu. Tas padara lāzerus piemērotus tādiem industriāliem pielietojumiem kā, piemēram, materiālu attīrīšanai, griešanai, urbšanai un metināšanai. Salīdzinājumā ar mehāniskajiem instrumentiem lāzeram ir priekšrocības īpaši cietu un mīkstu materiālu apstrādē. Tādējādi lāzers ir piemērots instruments, lai veiktu precīzas manipulācijas ar audiem, ko izmanto daudzās medicīniskās procedūrās ķirurģijā, zobārstniecībā un kosmetoloģijā.

Aktuāls problēmjautājums ir lāzeru izmantošana militāriem nolūkiem. Augstas veiktspējas ieroči, kuros lāzera starojums tiktu izmantots mērķa iznīcināšanai tiešā veidā, vēl joprojām ir izstrādes stadijā. Galvenie izaicinājumi ir saistīti ar ierīces darbību reālos apstākļos, kur precīzai lāzera kūļa izplatībai lielos attālumos var traucēt atmosfēriski efekti. Citi militārie pielietojumi ir saistīti ar mērķu iezīmēšanu un mērķēšanas sistēmām, raķešu un munīcijas vadību un neletāliem ieročiem pretinieka apžilbināšanai.

Nozīmīgākie uzņēmumi lāzeru tehnoloģiju tirgū ir Coherent, TRUMPF, IPG Photonics, Han’s Laser Technology Industry Group, Lumentum Holdings, Jenoptik AG, Novanta, LUMIBIRD Group, Corning un MKS Instruments.

Pēc vairāk nekā 60 gadiem kopš lāzeru tehnoloģiju izgudrošanas tās vēl joprojām ir aktīvā izpētes un izstrādes stadijā. No vienas puses, pētījumi ir vērsti, lai uzlabotu lāzeru veiktspējas parametrus – izejas jaudu, impulsu ilgumu un atkārtošanās frekvenci, starojuma kūļa parametrus utt. –, tajā pašā laikā nodrošinot efektīvu ierīces darbību un minimālas izmaksas. No otras puses, svarīgi ir attīstīt inovatīvas tehnoloģijas un veikt jaunus atklājumus, izmantojot lāzera starojumu.