A laser olyan különleges fényforrás, amelyben a "fényerősítés indukált sugáremisszió útján" játszódik le. A laserek három alapvető részből állnak :

1. Laseranyag
2. Optikai rezonátor
3. Energiaforrás

A laseranyag halmazállapota lehet gáz, folyadék, vagy szilárd, mindig tartalmaz nagyszámú olyan atomot, iont vagy molekulát amelynek energia-nivórendszerében létrehozható a populáció inverzió.

Az optikai rezonátor olyan optikai rendszer melynek két végén tükör , közöttük pedig a laseraktív anyag helyezkedik el. A tükrök merőlegesen állnak az optikai rendszer tengelyére, távolságuk a laserfény hullámhossza felének egész számú többszöröse. Az egyik tükör teljesen visszaverő, a másik részben áteresztő. Ez utóbbin át lép ki a laserfény. A tükörpár ebben a felállításban optikai rezonátort alkot. A laseranyagot energiaközléssel lehet gerjeszteni, a jelenséget energiapumpálásnak, vagy röviden pumpálásnak is nevezik. Az energiaközlésnek több módja használatos. A gázlaserekben általában elektromos kisülés, a rubinlaserben xenon villanócső a forrás.

A rubinlaser működését vehetjük példának: A rubin alapanyaga a korund Al 2 0 3 , amely Cr ionokat tartalmaz. A gerjesztés xenon villanólámpa fényének elnyelése révén történik /optikai energiapumpálás/, melynek során olyan sok elektron kerül egy hosszú élettartamú /metastabil/ gerjesztett állapotba, hogy populáció inverzió áll elő. A metastabil nívóról spontán átmenetben keletkező fotonok indítják el a laserműködést. Ha egy ilyen foton a laser tengelyével párhuzamosan - a tükörre merőlegesen - indul, a tükrök között ide-oda verődik és útja során ismételten indukált emissziót vált ki. Ezúton egyre több foton halad a rezonátor tengelyével párhuzamos nyalábban. Ezek a tökéletesen visszaverő tükrön visszaverődnek, a részben áteresztőn egy részük mint lasernyaláb lép ki az optikai rezonátorból.

A laserfényt alapvetően nagyfokú rendezettsége, szabályossága különbözteti meg a hagyományos fényforrások fényétől.

Monokromatikus, vagyis egyszínű, melynek oka egyrészt az , hogy az indukált emisszió azonos energiájú fotonokat eredményez, másrészt pedig , hogy az optikai rezonátor szigorúan olyan hullámhossznak kedvez melyre nézve teljesül a rezonancia feltétele. Az ettől eltérő hullámhosszú hullámok kioltják egymást.

Hullámhossza típusonként változó, vagyis a különböző típusú laserek egymástól elsősorban hullámhosszukban különböznek . Egy típuson belül a hullámhosszat - esetleg hullámhosszakat - az szabja meg, hogy a laseraktív anyag elektronjainak milyen energianívói között valósítható meg a populáció inverzió.

Erősen kötegelt, a laserfénynyaláb nagyfokban párhuzamos. Ez részben az indukált emisszió következménye, de az optikai rezonátor is a tengellyel párhuzamos nyaláb kialakulásának kedvez.

Kismértékben divergál, vagyis a nagyfokú párhuzamosság miatt nagy távolság megtétele után is alig növekszik a fénynyaláb átmérője. Ez a divergenciaszöggel jellemezhető, amely milliradián nagyságrendű / 1 millirad = 3,5 szögperc/.

Enormis intenzitás érhető el. Szemben a hagyományos fényforrások minden irányba terjedő, így intenzitásukban eloszló fénysugaraival, a kis divergenciáju laserfény az optikai rezonátorból kijövő igen szűk keresztmetszetének megfelelően jóval nagyobb intenzitással bír, mint amit hagyományos fényforrással el lehetne érni. Ezen intenzív sugár belsejében erős elektromágneses térerőt hoz létre.

Nagyfokú koherencia vagyis időbeni és térbeni rendezettség jellemzi: mivel az indukált emisszió egy rendezett emisszió, így a lasernyaláb egyes fotonjai azonos rezgési fázisban csatlakoznak egymáshoz. Így a laserfény akár több méter hosszú folyamatos szinuszos hullámvonulatnak is tekinthető, míg a közönséges fénnyaláb fotonjai legfeljebb néhány milliméter hosszú, fázisban egymáshoz nem csatlakozó hullámvonulatnak képzelhetők. A laserfény ezen nagymértékű koherenciáját használja fel a holográfia.

Említésre méltó, hogy a laserben kialakuló fényhullámtérnek több lehetséges rezgési formája létezik, ezek az un. "laser-módusok". Az egyes módusok különbözhetnek keresztmetszeti intenzitáseloszlásukban /"transzverzális módusok"/ illetve kismértékben működési hullámhosszukban is /"longitudinális módusok"/. Egy-egy módus rendelkezik az ideális laser-tulajdonságokkal: ha azonban egy laserben egyidejűleg több módus gerjed, ezek kölcsönhatása leronthatja a lasersugárzás sajátságait / nő a nyaláb divergenciája, csökken a koherencia/. Ezért bizonyos esetekben kívánatos az egymódusú működés biztosítása.

A fény anyaggal való találkozásakor azzal kölcsönhatásba lép, melynek eredménye visszaverődés, elnyelődés, szóródás vagy áthaladás, illetve ezek kombinációja. A fényenergia viselkedését az anyag határfelületén mind a fénysugár tulajdonságai /elsősorban a hullámhossz, a beesés szöge/ és az anyag tulajdonságai / abszorpciós jellemzői, felületi tulajdonságai stb./ határozzák meg. A fény közegen való áthaladásakor a sugárzási intenzitás gyengülését az exponenciális abszorpciótörvény írja le. Jellemző adat még az abszorpciós együttható helyett használható un. felezési rétegvastagság is. A fényintenzitás változását jól lehet tanulmányozni híg oldatokban, ahol az abszorpció mértéke egyenesen arányos az oldatban levő anyag mennyiségével. Ismert abszorpciós tulajdonságú anyagok koncentrációját így fénnyel -különösen laserrel -nagy pontossággal mérni lehet.

A közegben elnyelődött fényenergia a közeg anyagában hoz létre változásokat. Az anyagban a laserfény legfontosabb kölcsönhatásai a következők :

• hőhatás
• fotodisszociáció
• ionizáció, lökéshullámkeltés plazmával
• fluoreszcencia
• fotokémiai reakciók keltése

Leegyszerűsített formában azt mondhatjuk , hogy elsősorban a hőhatás elvén működnek például a sebészi laserberendezések. Például a CO₂ laser esetén a vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10.6 žm hullámhosszúságú lasersugár energiája a szövetekben elnyelődik / áthaladás szinte nincs/, hővé alakul , így az extra- és intracellularis folyadék felforr, majd robbanásszerűen elpárolog, a helyén pedig szövethiány keletkezik. Ez a vágás vagy vaporizatio jelensége.

Míg a CO₂ laser sugara minden víztartalmú szövetben erősen elnyelődik, addig például a kék vagy zöld színű argonlaseré csak a pigmentált területeken. Ezzel magyarázható, hogy a nem színes szövetekben "hatástalan",/ pld a szem struktúráin minden károsító hatás nélkül keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina elnyeli, így hatását ott fejti ki/ . Ez történik a levált retina argonlaseres coagulatióval való visszahegesztése során.

A különböző hullámhosszúságú fénysugarak képesek egyes kémiai struktúrákban változásokat idéznek elő. A fotokémiai reakciók legismertebbike a fotoszintézis. Az élő természetben évmilliók óta a nap fényenergiájának felhasználásával szervetlen anyagokból szerves anyagok képződnek, miközben a fényenergia kémiai energiává alakul át.

A fotoszenzibilizátor anyagok a fotokémiai reakciók közvetítő anyagai. Ezek olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, melyek révén az adott hullámhosszú fényt elnyelik, attól gerjesztett állapotba kerülnek. A felvett fényenergiát - átalakítva kémiai energiává - átadják a közvetlen fényelnyelésre nem képes molekulának mely ennek következtében átalakul. A fotoszintézisben ez a szenzibilizátor a klorofill.

Ezen az elven alapul a laserek orvosi alkalmazásának egyik érdekes és izgalmas területe a fotodinamikus terápia .

Egyes festékek fényérzékenyítő hatását már a század elején ismerték, az orvostudomány pedig az 1940-es években fordult e felé a téma felé. A hematoporfirin származékok fotoszenzibilizáló tulajdonságát vizsgálták, amelyek különösen nagymértékben halmozódnak fel a rosszindulatú tumorsejtekben. A gyógyszer injektálását követően a normál sejtek hamarosan kiürítik a szert, a tumorsejtek azonban hosszabb ideig megkötik és a 20-72 órával később megfelelő hullámhosszúságú laserrel végzett megvilágítás elindítja azt a reakciót melynek eredményeként nascens oxigén szabadul fel és a daganatsejtek elhalnak.

A fotodinamikus terápia legnagyobb, a kezdetektől megoldatlan problémája volt, hogy a fotoszenzibilizáló anyagok molekulái meglehetősen nagyfokban bomlanak, a vegyületek azonos minőségben nehezen reprodukálhatók.

Az alkalmazás fontos problémája még , hogy a hematoporfirinnak több abszorpciós hullámhossza is van , valamint hogy a különböző hullámhosszúságú laserek a szövetekbe való behatolási mélysége változó. Míg a szer abszorpciós maximuma 395 nm-en található , addig a legjobb behatolási mélységet a szövetekben a 800 nm-es laserfénnyel lehet elérni. A kétféle feltétel egyidejű teljesítése miatt terjedt el a 600 nm-es laserfény. A megoldás ígéretes, de nem tökéletes, így különösen nagy lendülettel indult a kutatás a szintetizált fotoszenzibilizáló anyagok irányába.

A fotoszenzibilizátor elnyeli a megfelelő hullámhosszúságú fotont és így gerjesztett állapotba kerül. Energiatöbbletétől három úton szabadulhat meg : sugárzás révén leadja, a környezetében levő másik molekulának átadja, ütközés révén az oxigénmolekulának továbbítja. A terápia szempontjából csak az utóbbi két megoldás jön szóba.

Ha az oxigénmolekula ütközés révén ha az oxigénmolekula átveszi az elektront, aktív oxigén keletkezik, mely oxidálja a környezetében levő molekulákat, mely révén a fotoszenzibilizátort kumuláló sejt necrosisa jön létre.

A laserkutatások a különlegesebb tulajdonságokkal rendelkező lasersugárforrások előállítására irányulnak. Így az extrém nagy intenzitások, az extrém rövid impulzusok és az extrém rövid hullámhosszak felé. Mindhárom területen történő előrelépés alapjaiban új jelenségek felfedezéséhez, új eszközök megépítéséhez, új módszerek bevezetéséhez vezet. Ez a nagy jelentőséggel bíró kutatási terület már ma is olyan eredményeket tud felmutatni, hogy joggal nevezhetjük a lasertechnikát úgy , hogy :"a jövőt jelenti a mában".

A dinamikusan fejlődő területek között reménykeltő a nemlineáris optika , az ultranagy felbontóképességű laserspektroszkópia, az integrált optika, a femtoszekundumos elektronika, az optikai számítástechnika várható fejlődése.