3.2. Csoportosítás az aktív közeg halmazállapota alapján

A lézerek között egyaránt találhatunk gázfázisú, szilárd és folyadék halmazállapotú aktív közegekre épülő rendszerek. Jellemző fizikai tulajdonságaikból adódóan ezek felépítése, gerjesztési módja nagymértékben különbözik egymástól.

 a) A gázlézerek

 A legtöbb gáz – beleértve az összes nemesgázt – alkalmas lézeranyagnak, így nagyon sok különböző lézert sikerült készíteni, amelyek gázfajtától függően különböző hullámhosszakon sugároznak. Egy adott gáz vagy gázkeverék esetében több hullámhosszon is lehetséges lézerműködés.

A gázlézerek több alcsoportra oszthatók:

 A semleges atom lézerekben a lézerfotonokat szobahőmérsékleten is gázhalmazállapotú atomok bocsátják ki. Legjelentősebb képviselőjük a He-Ne lézer, mely a legelső gázlézer volt.

A gőz lézerekben az aktív gázt a lézercsőben elhelyezett töltetek párologtatásával állítják elő. Legjelentősebb képviselőjük a réz-gőz lézer, de említésre méltóak még a napjainkban gyorsan fejlődő alkáli lézerek, melyeknek különlegessége a gázlézerek között, hogy dióda lézeres optikai pumpálással gerjesztik.

Ion lézerek esetén a lézerátmenet ionizált atomok energiaszintjei között játszódik le. A semleges atomokhoz képest az energiaszintek közötti távolság megnő, ezért ezek hullámhossztartománya a látható és ultraibolya tartomány felé tolódik el, míg a többi gázlézer az infravörös és látható tartományon sugároz. Legelterjedtebb az Ar-ion lézer, említésre méltó még a Hg-Cd lézer is.

Molekuláris lézerekben energiaszintek struktúrája jóval összetettebb, mint különálló atomok esetén. Az egyes elektronállapothoz különböző rezgési energiaszintek-, melyek mindegyikéhez további rotációs energiaszintek tartoznak. Míg az atom lézerekben a lézerműködés minden esetben elektronállapotok közötti átmeneteken alapul, addig a molekuláris lézereknél a működési hullámhossztartomány azon múlik, hogy különböző elektronállapot rotációs/vibrációs szintjei, vagy ugyanazon elektronállapot különböző rotációs és vibrációs energiaszintjei játszanak-e szerepet. Míg az előbbiek jellemzően az UV, addig az utóbbiak, az infravörös és távoli infravörös tartományban dolgoznak.

Legfontosabb molekuláris lézerek a UV fényt kibocsátó N₂ lézer és a távoli infravörösben sugárzó CO₂ lézer. Szintén ebbe a csoportba sorolják az excimer lézereket, melyek működése olyan, nemesgáz és halogén atomból álló molekulákon alapul, melyek csak gerjesztett állapotban léteznek és azonnal disszociálnak amikor egy UV fotont kibocsátva alapállapotba kerülnek.

A szabadelektron lézer egy speciális típus, melyben közel fénysebességű elektronok nyalábja halad át egy időben állandó, de térben periodikusan váltakozó irányú – az elektronsugárra merőleges – mágneses téren. Ez az elektronokat a haladási irányukra merőlegesen ide-oda mozgatja. Az elektronok sebességváltozása sugárzással jár együtt. A kisugárzott fény hullámhosszát a mágneses tér és az elektronok sebessége határozza meg. A szabadelektron-lézer működési hullámhossza az elektronok sebességének változtatásával hangolható a távoli infravörös tartománytól kezdve a vákuum-ultraibolya tartományig. A hangolhatóság mellett még a nagy teljesítmény és a jó hatásfok jelentik ezen lézertípus legfőbb elvi előnyeit.

b) Folyadéklézerek

esetében a lézerközeget valamilyen benzolgyűrűket tartalmazó szerves festék híg oldata (festéklézerek), vagy ritkaföldfémek (szamárium, európium, terbium) ionjait tartalmazó oldat képezi. A festékmolekulák igen erősen abszorbeálnak, ugyanakkor jól is fluoreszkálnak. A festéklézereknek, az alkalmazott festékek sokféleségének köszönhetően, nagyon sok fajtája létezik, az egész látható fénytartományt le lehet fedni velük. Mivel széles abszorpciós sávval rendelkeznek, a gerjesztés a szilárdtest-lézerekhez hasonlóan optikai úton (villanó lámpával vagy másik lézerrel) történik. Léteznek folytonos és impulzus üzemű változatai is.

c) Szilárdtest lézerek

Lézerközegként valamilyen adalékanyaggal szennyezett kristályt, vagy üveget alkalmaznak. Mivel ezek elektromosan szigetelők, optikai gerjesztést kell alkalmazni, mely könnyen megvalósítható a nagy abszorpciós és emissziós sávszélességek miatt. Komoly hűtési igényük miatt a nagy teljesítményű változataik impulzus-, vagy kvázi folytonos (nagyfrekvenciás) üzemmódban működnek. Néhány szilárdtest-lézertípus hullámhossza hangolható (pl. alexandrit-lézer). Legfontosabb képviselőik a ritka földfémekkel szennyezett YAG (ittrium-alumínium-gránát) és üveg lézerek (Nd:YAG, Er:YAG. Er:üveg) és a rubin lézer.

A szilárdtest lézerek egyik speciális csoportját alkotják a fényvezetőszál-lézerek, röviden szál-lézerek (fiber lasers), ahol a fényerősítés egy optikai szálban történik. A lézerműködésért felelős aktív anyag általában a ebben az esetben is a hordozó (esetünkben optikai szál) anyagához adalékolt ritkaföld fém.

d) A félvezető lézereket gyakran külön csoportként tartják nyilván, annak ellenére, hogy szintén szilárd halmazállapotú aktív közeggel rendelkeznek. Ennek oka a hagyományosan vett szilárdtest lézerektől teljesen eltérő felépítés és működési elv. Ez a típus igen különleges kis mérete és elektromos árammal való közvetlen vezérelhetősége miatt. A lézersugárzás a p, ill. n szennyezettségű félvezető-rétegek közötti néhány µm-es p-n átmeneti tartományban alakul ki a nyitóirányban átengedett elektromos áram hatására. A rezonátort leggyakrabban a félvezető polírozott véglapjai alkotják (Fabry-Perot rezonátor). A működési hullámhosszat, amely az ultraibolya tartománytól az infravörösig terjedhet, a félvezető kristály összetétele adja meg. Impulzus és folytonos üzemmódban is használható. Előnye, hogy ez az egyik legolcsóbb, tömegesen előállítható lézertípus. Hátránya viszont a többi lézerhez képest a nagy divergencia. Teljesítményük változó, a maximális érték a 100 W-os nagyságrendbe tartozik. Egymódusú lézerdiódák legnagyobb teljesítménye néhányszor 100 mW, az ennél nagyobb teljesítményűek többmódusúak.