3.1. A lézerfény főbb jellemzői

a) Hullámhossz

Függ a lézerműködésben résztvevő átmenetek energiakülönbségétől és a rezonátor méreteitől. Típusonként változó, egy típuson belül a hullámhosszat – esetleg a hullámhosszakat – az szabja meg, hogy a lézeraktív anyag elektronjainak milyen energianívói között valósítható meg a populációinverzió. A hullámhossztartomány a vákuum-ultraibolya tartománytól (pl. F2 lézer- 152 nm) a távoli infravörösig tart (CO2 - 10,6 μm), azonban a kísérleti célokból megépített lézerek ennél nagyobb tartományt fognak át (H2 lézer 110 nm, metanol lézer ~37-1000 μm.).

A lézerek hullámhossza csökkenthető ún. felharmonikus keltéssel. Az összegfrekvencia keltés egy másodrendű nemlineáris optikai jelenség, melynek során, ha egy megfelelő, a lézerhullámhosszon átlátszó közegbe ω1  és ω2 frekvenciájú fény lép be és ω3= ω1+ ω2 frekvenciájú fény keletkezik. Ennek egy speciális esete, amikor az ω1=ω2 ; ilyenkor másodharmonikus keltésről, vagy frekvenciakétszerezésről beszélünk. A módszer nemcsak másodharmonikus, hanem harmad-, vagy negyedharmonikus generálásra is alkalmas, igaz, hogy a felharmonikusok energiája (teljesítménye) általában jóval kisebb, mint az őket létrehozó alapharmonikusé.

b) Monokromatikusság, egyszínűség

A lézersugárzás spektruma ideális esetben egyetlen vonalból áll, melynek szélessége, a sávszélesség, igen kicsiny, azaz a lézerek nagy többsége egyszínű fényt bocsát ki. Ez annak tulajdonítható, hogy az indukált emisszió azonos hullámhosszú és energiájú fotonokat eredményez és az optikai rezonátor szigorúan olyan hullámhossznak kedvez, melyre nézve teljesül a longitudinális módusokra a rezonancia feltétele.

A nagyfokú monokromatikusság folytonos üzemmódú, nagy rezonátorhosszú lézerek esetében érhető el. Impulzusüzemű lézerek esetén, az impulzushossz rövidülésével a sávszélesség növekedik. Femtoszekundumos lézerek esetén a rövid impulzusok előállításához széles spektrumú (akár nagyobb, mint 100 nm) fényre van szükség. Természetesen ez esetben a spektrum nem folytonos, hanem a teljes sávszélességen belül a lézer egyidőben nagyszámú longitudinális módusban sugároz.

c) Divergencia, széttartóság

A lézerek többsége igen párhuzamos sugárnyalábbal rendelkezik, azaz a nyalábátmérő a lézertől messzebb sem haladja meg jelentősen a kilépési értéket. Ez a rezonátor hatásának fentebb már tárgyalt egyik következménye. A divergenciát a sugárnyaláb nyílásszögének mértékével szokták jellemezni. A nagyobb rezonátorhosszal és a nagy reflexiójú rezonátor tükrökkel rendelkező lézerek jellemzően kisebb divergenciával rendelkeznek. Ennek megfelelően, míg egy 1 m-es He-Ne lézer divergenciája mrad nagyságrendű, addig egy dióda-lézer, melynek rezonátorhossza ~100 μm, a széttartás elérheti a 45°-ot is.

d) Módusszerkezet

A rezonátoron belül a kialakult elektromágneses tér a peremfeltételeknek megfelelően bizonyos megengedett konfigurációk (módusok) felvételére kényszerül. Két típusát különböztethetjük meg, a transzverzális és a longitudinális módusokat.

Az energiaszintek közötti átmenetet jellemző vonalszélességen belül több olyan állóhullám (módus) alakulhat ki egyszerre, amelyekre teljesül az állóhullám kialakulásának feltétele. Ezek az ún. longitudinális (axiális, hosszanti) módusok, amelyeket speciális módszerekkel szét lehet választani. Ha egy adott módusban az erősítés kiegyenlíti a veszteségeket, akkor azon a frekvencián lézersugárzást tapasztalunk. Több longitudinális módus egyidejű oszcillációja a monokromatikusságot s így az időbeli koherenciát csökkenti.

 
  3.1. ábra   TEM00 (Gauss) intenzitásprofil.

A longitudinális módusokra merőlegesen is kialakulhatnak rezgési állapotok, amelyeket keresztirányú vagy transzverzális módusoknak nevezünk. A transzverzális módusok térben is elválnak egymástól ezzel lerontva a kilépő lézernyaláb ernyőn is megfigyelhető nyalábképét. Ha több transzverzális módus működik egyidejűleg, akkor a lézersugár divergenciája jelentősen megnő, romlik a térbeli koherencia és rosszabbul fókuszálható, .

A legkedvezőbb az ún. TEM00 (transzverzális alapmódus) módus (TEM: Transverse Electromagnetic Mode). Ekkor az intenzitásprofil keresztmetszete Gauss-harang alakú: a rezonátortengelyben maximális, a szélek felé a sugár négyzetével exponenciálisan csökken.

e) Koherencia

A koherencia kifejezést az egyes hullámrészek fáziskapcsolatának jellemzésére használják. Ha egy sugárnyaláb koherens, akkor például egy féligáteresztő tükörrel előállított két részének egyesítésekor interferenciajelenség áll elő. A növekvő sávszélesség csökkenti s lézer koherenciáját.

f) Energia és kimenő teljesítmény

A kimenő teljesítmény nagyságát meghatározza a lézerátmenet, a gerjesztés módja és erőssége, a fényerősítő közeg térbeli paraméterei, az erősítési tényező, a rezonátor elemek tulajdonságai, tehát lézerrendszerünk szinte minden fontosabb jellemzője. A lézer kimenete lehet folytonos és impulzusos, ami szintén befolyásolja a számolt teljesítmény értékét.

Folytonos lézerműködés esetén a lézerfény erőssége a teljesítménnyel jellemezhető.

Impulzuslézerek esetén, melyeket az orvosi terminológiában gyakran pulzáló lézereknek hívnak, beszélhetünk impulzus energiáról, maximális teljesítményről, impulzusteljesítményről és átlag teljesítményről.

- az impulzusteljesítményt az impulzus energiájának és az impulzushossznak (általában félérték-szélesség) a hányadosa adja meg.

- a csúcsteljesítmény (maximális teljesítmény) az impulzus ideje alatti legnagyobb pillanatnyi teljesítmény

- az átlagteljesítmény az impulzusok követési idejénél jóval hosszabb időre vonatkoztatott átlagos kisugárzott teljesítmény.

Ennek megfelelően például egy femtoszekundumos lézer, melynek impulzushossza 100 fs, impulzusenergiája 1mJ, ismétlési frekvenciája 1 kHz mindössze 1W-os átlagos teljesítmény mellett 10 GW impulzus-teljesítménnyel rendelkezik.

A folytonos lézereket bizonyos esetekben, mint például a sebészetben gyakran alkalmazott CO2 lézert, kvázi-folytonos üzemmódban működtetik. Ennek lényege, hogy ha a lézer csak két állapottal rendelkezik, azaz kikapcsolt és maximális pillanatnyi teljesítményű állapot, akkor az átlagteljesítmény szabályozását négyszögjel vezérléssel oldják meg: adott (néhány kHz) ismétlési frekvencia mellett a négyszögjel kitöltési tényezőjét változtatják, amely azt szabályozza, hogy az adott periódusban mennyi ideig világítson a lézer.