เลเซอร์ — อุปกรณ์และหลักการทำงาน

พฤติกรรมปกติของแสงเมื่อผ่านตัวกลาง

โดยปกติเมื่อแสงผ่านตัวกลาง ความเข้มของแสงจะลดลง ค่าตัวเลขของการลดทอนนี้สามารถพบได้จากกฎของ Bouguer:

ในสมการนี้ นอกจากความเข้มของแสงที่ฉันเข้าและออกจากตัวกลางแล้ว ยังมีปัจจัยที่เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงเชิงเส้นของตัวกลางอีกด้วย ในทัศนศาสตร์แบบดั้งเดิม ค่าสัมประสิทธิ์นี้เป็นบวกเสมอ

การดูดกลืนแสงเชิงลบ

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าด้วยเหตุผลบางอย่างค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับเป็นลบ? แล้วไง? จะมีการขยายตัวของแสงเมื่อผ่านตัวกลาง ความจริงแล้วตัวกลางจะแสดงการดูดกลืนเป็นลบ

เงื่อนไขในการสังเกตภาพดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นได้ แนวคิดทางทฤษฎีเกี่ยวกับวิธีการดำเนินการตามปรากฏการณ์ที่เสนอนั้นถูกกำหนดขึ้นในปี 1939 โดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Valentin Alexandrovich Fabrikant

ในการวิเคราะห์ตัวกลางขยายแสงสมมุติฐานที่ผ่านตัวกลาง Fabrikant ได้เสนอหลักการของการขยายแสง และในปี 1955นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Nikolai Genadievich Basov และ Alexander Mikhailovich Prokhorov ใช้แนวคิด Fabrikant นี้กับย่านความถี่วิทยุของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

พิจารณาด้านร่างกายของความเป็นไปได้ของการดูดซึมเชิงลบ ในรูปแบบอุดมคติ ระดับพลังงานของอะตอมสามารถแสดงเป็นเส้น — ราวกับว่าอะตอมในแต่ละสถานะมีพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวด E1 และ E2 เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าเมื่อเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง อะตอมจะปล่อยหรือดูดซับแสงสีเดียวโดยเฉพาะของความยาวคลื่นที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ

แต่ความเป็นจริงยังห่างไกลจากอุดมคติ และอันที่จริงแล้ว ระดับพลังงานของอะตอมมีความกว้างจำกัด นั่นคือ พวกมันไม่ใช่เส้นของค่าที่แน่นอน ดังนั้น ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับต่างๆ จะมีช่วงความถี่ที่เปล่งออกมาหรือถูกดูดกลืน dv ซึ่งขึ้นอยู่กับความกว้างของระดับพลังงานระหว่างที่เกิดการเปลี่ยนแปลง ค่าของ E1 และ E2 สามารถใช้เพื่อแสดงถึงระดับพลังงานระดับกลางของอะตอมเท่านั้น

ดังนั้น เนื่องจากเราสันนิษฐานว่า E1 และ E2 เป็นจุดกึ่งกลางของระดับพลังงาน เราจึงสามารถพิจารณาอะตอมในสองสถานะนี้ได้ ให้ E2>E1 อะตอมสามารถดูดซับหรือปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อผ่านระหว่างระดับเหล่านี้ สมมติว่าอยู่ในสถานะพื้นดิน E1 อะตอมจะดูดซับรังสีภายนอกด้วยพลังงาน E2-E1 และผ่านเข้าสู่สถานะตื่นเต้น E2 (ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นสัดส่วนกับสัมประสิทธิ์ Einstein B12)

เมื่ออยู่ในสถานะตื่นเต้น E2 อะตอมภายใต้การกระทำของการแผ่รังสีภายนอกด้วยพลังงาน E2-E1 จะปล่อยควอนตัมด้วยพลังงาน E2-E1 และถูกบังคับให้เปลี่ยนสถานะเป็นพื้นด้วยพลังงาน E1 (ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นสัดส่วนกับ ค่าสัมประสิทธิ์ไอน์สไตน์ B21)

หากลำแสงคู่ขนานของการแผ่รังสีเอกรงค์ที่มีความหนาแน่นสเปกตรัมปริมาตร w (v) ผ่านสารที่มีชั้นที่มีหน่วยพื้นที่หน้าตัดและความหนา dx ความเข้มของมันจะเปลี่ยนไปตามค่า:

โดยที่ n1 คือความเข้มข้นของอะตอมในสถานะ E1, n2 คือความเข้มข้นของอะตอมในสถานะ E2

การแทนที่เงื่อนไขทางด้านขวาของสมการ โดยสมมติว่า B21 = B12 จากนั้นแทนนิพจน์ด้วย B21 เราจะได้สมการสำหรับการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงที่ระดับพลังงานแคบ:

ในทางปฏิบัติ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ระดับพลังงานไม่ได้แคบลงอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ดังนั้นจึงต้องคำนึงถึงความกว้างของมันด้วย เพื่อไม่ให้บทความยุ่งเหยิงด้วยคำอธิบายของการแปลงและสูตรมากมาย เราเพียงสังเกตว่าการป้อนช่วงความถี่แล้วอินทิเกรตกับ x เราจะได้สูตรสำหรับหาค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนที่แท้จริงของค่าเฉลี่ย:

เนื่องจากเห็นได้ชัดว่าภายใต้สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ความเข้มข้น n1 ของอะตอมในสถานะพลังงานต่ำกว่า E1 จะมากกว่าความเข้มข้น n2 ของอะตอมในสถานะสูงกว่า E2 เสมอ การดูดซับเชิงลบเป็นไปไม่ได้ภายใต้สภาวะปกติ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะขยาย แสงเพียงแค่ผ่านสภาพแวดล้อมจริงโดยไม่ต้องใช้มาตรการพิเศษใดๆ...

เพื่อให้การดูดซับเชิงลบเป็นไปได้จำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขเมื่อความเข้มข้นของอะตอมในสถานะตื่นเต้น E2 ในตัวกลางจะมากกว่าความเข้มข้นของอะตอมในสถานะพื้นดิน E1 นั่นคือจำเป็นต้องจัดระเบียบ การกระจายแบบย้อนกลับของอะตอมในตัวกลางตามสถานะพลังงาน

ความจำเป็นในการสูบฉีดพลังงานของสิ่งแวดล้อม

ในการจัดระเบียบประชากรกลับด้านของระดับพลังงาน (เพื่อให้ได้ตัวกลางที่ใช้งานอยู่) จะใช้การสูบน้ำ (เช่น แสงหรือไฟฟ้า) การสูบฉีดด้วยแสงเกี่ยวข้องกับการดูดกลืนรังสีที่ส่งตรงไปยังพวกมันโดยอะตอม เนื่องจากอะตอมเหล่านี้เข้าสู่สภาวะตื่นเต้น

การปั๊มด้วยไฟฟ้าในตัวกลางที่เป็นแก๊สเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นอะตอมโดยการชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอนในแก๊สที่ปล่อยออกมา ตามข้อมูลของ Fabrikant สถานะของอะตอมที่มีพลังงานต่ำบางส่วนจะต้องถูกกำจัดออกด้วยวิธีการของสิ่งเจือปนในระดับโมเลกุล

เป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้ตัวกลางที่แอคทีฟโดยใช้การปั๊มด้วยแสงในตัวกลางแบบสองระดับ เนื่องจากในเชิงปริมาณ การเปลี่ยนสถานะของอะตอมต่อหน่วยเวลาจากสถานะ E1 เป็นสถานะ E2 และในทางกลับกัน (!) ในกรณีนี้จะเทียบเท่ากัน ซึ่งหมายความว่า มีความจำเป็นต้องใช้ระบบสามชั้นเป็นอย่างน้อย

พิจารณาระบบสูบน้ำสามขั้นตอน ปล่อยให้รังสีภายนอกที่มีพลังงานโฟตอน E3-E1 กระทำต่อตัวกลางในขณะที่อะตอมในตัวกลางผ่านจากสถานะที่มีพลังงาน E1 ไปยังสถานะที่มีพลังงาน E3 จากสถานะพลังงาน E3 สามารถเปลี่ยนสถานะเป็น E2 และ E1 ได้เอง ในการรับประชากรกลับหัว (เมื่อมีอะตอมที่มีระดับ E2 ในตัวกลางที่กำหนด) จำเป็นต้องทำให้ระดับ E2 มีอายุยืนยาวกว่า E3 สำหรับสิ่งนี้สิ่งสำคัญคือต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

การปฏิบัติตามเงื่อนไขเหล่านี้จะหมายความว่าอะตอมในสถานะ E2 จะคงอยู่ได้นานขึ้น นั่นคือ ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองจาก E3 เป็น E1 และจาก E3 เป็น E2 นั้นสูงกว่าความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองจาก E2 เป็น E1 จากนั้นระดับ E2 จะคงอยู่ได้นานขึ้นและสถานะดังกล่าวที่ระดับ E2 สามารถเรียกได้ว่า metastable ดังนั้น เมื่อแสงที่มีความถี่ v = (E3 — E1) / h ส่องผ่านตัวกลางที่ใช้งานอยู่ แสงนี้จะถูกขยาย ในทำนองเดียวกัน สามารถใช้ระบบสี่ระดับ จากนั้นระดับ E3 จะเป็น metastable

อุปกรณ์เลเซอร์

ดังนั้น เลเซอร์จึงมีองค์ประกอบหลักสามส่วน: ตัวกลางที่ใช้งานอยู่ (ซึ่งสร้างการผกผันของระดับพลังงานของอะตอม) ระบบสูบน้ำ (อุปกรณ์สำหรับการรับการผกผันของประชากร) และตัวสะท้อนแสง (ซึ่งขยายการแผ่รังสี หลายครั้งและสร้างลำแสงที่ส่งออกโดยตรง) ตัวกลางที่แอคทีฟอาจเป็นของแข็ง ของเหลว ก๊าซหรือพลาสมา

การสูบน้ำทำได้อย่างต่อเนื่องหรือเป็นจังหวะ ด้วยการสูบน้ำอย่างต่อเนื่อง การจ่ายสารตัวกลางจะถูกจำกัดโดยความร้อนสูงเกินไปของตัวกลางและผลที่ตามมาของความร้อนสูงเกินไปนี้ ในการปั๊มแบบพัลซิ่ง พลังงานที่มีประโยชน์ที่ป้อนทีละน้อยเข้าไปในตัวกลางจะได้รับมากขึ้นเนื่องจากกำลังที่มากของพัลส์แต่ละตัว

เลเซอร์ที่แตกต่างกัน — การปั๊มที่แตกต่างกัน

เลเซอร์โซลิดสเตตถูกปั๊มโดยการฉายรังสีสื่อที่ใช้ทำงานด้วยแสงแฟลชปล่อยก๊าซที่ทรงพลัง แสงแดดที่โฟกัส หรือเลเซอร์อื่น ๆ นี่เป็นการปั๊มแบบพัลส์เสมอเพราะพลังงานสูงมากจนแท่งงานจะยุบลงภายใต้การทำงานที่ต่อเนื่อง

เลเซอร์ของเหลวและก๊าซถูกปั๊มด้วยการปล่อยไฟฟ้าเลเซอร์เคมีสันนิษฐานว่าเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นในตัวกลางที่แอคทีฟ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่จำนวนอะตอมกลับด้านได้มาจากผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาหรือจากสิ่งเจือปนพิเศษที่มีโครงสร้างระดับที่เหมาะสม

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกสูบโดยกระแสไปข้างหน้าผ่านทางแยก pn หรือโดยลำแสงอิเล็กตรอน นอกจากนี้ยังมีวิธีการสูบเช่นโฟโตดิสโซซิเอชันหรือวิธีไดนามิกของก๊าซ (การทำให้เย็นลงอย่างกะทันหันของก๊าซร้อน)

เครื่องสะท้อนด้วยแสง — หัวใจของเลเซอร์

ตัวสะท้อนแสงเป็นระบบของกระจกคู่หนึ่ง ในกรณีที่ง่ายที่สุด กระจกสองบาน (เว้าหรือขนาน) ยึดตรงข้ามกัน และระหว่างพวกมันตามแกนลำแสงทั่วไปจะมีตัวกลางที่ทำงานอยู่ในรูปของคริสตัลหรือ a คิวเวตต์พร้อมแก๊ส โฟตอนที่ผ่านเป็นมุมผ่านตัวกลางปล่อยให้มันอยู่ด้านข้าง และโฟตอนที่เคลื่อนที่ไปตามแกนซึ่งถูกสะท้อนหลายครั้งจะถูกขยายและออกผ่านกระจกโปร่งแสง

สิ่งนี้สร้างรังสีเลเซอร์ - ลำแสงโฟตอนที่ต่อเนื่องกัน - ลำแสงที่กำกับอย่างเคร่งครัด ในช่วงที่แสงส่องผ่านระหว่างกระจกเงา ขนาดของแสงที่ได้รับจะต้องเกินเกณฑ์ที่กำหนด นั่นคือปริมาณการสูญเสียการแผ่รังสีผ่านกระจกบานที่สอง (ยิ่งกระจกส่องผ่านได้ดีเท่าใด

เพื่อให้การขยายแสงดำเนินไปอย่างมีประสิทธิภาพ ไม่เพียงแต่ต้องเพิ่มเส้นทางของแสงภายในตัวกลางที่ใช้งานเท่านั้น แต่ยังต้องแน่ใจว่าคลื่นที่ออกจากตัวสะท้อนอยู่ในเฟสซึ่งกันและกัน จากนั้นคลื่นรบกวนจะให้ แอมพลิจูดสูงสุดที่เป็นไปได้

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จำเป็นที่แต่ละคลื่นในเรโซเนเตอร์จะกลับไปยังจุดบนกระจกต้นทางและโดยทั่วไป ณ จุดใดๆ ในตัวกลางที่ทำงานอยู่ จะต้องอยู่ในเฟสกับคลื่นปฐมภูมิหลังจากการสะท้อนที่สมบูรณ์แบบตามจำนวนที่กำหนด . เป็นไปได้เมื่อเส้นทางแสงเดินทางโดยคลื่นระหว่างสองคืนตรงตามเงื่อนไข:

โดยที่ m เป็นจำนวนเต็ม ในกรณีนี้ความแตกต่างของเฟสจะเป็นผลคูณของ 2P:

ตอนนี้ เนื่องจากคลื่นแต่ละคลื่นมีเฟสแตกต่างจากคลื่นก่อนหน้า 2pi ซึ่งหมายความว่าคลื่นทั้งหมดที่ออกจากตัวสะท้อนเสียงจะอยู่ในเฟสซึ่งกันและกัน ทำให้มีการรบกวนแอมพลิจูดสูงสุด ตัวสะท้อนจะมีรังสีคู่ขนานเกือบขาวดำที่เอาต์พุต

การทำงานของกระจกภายในเครื่องสะท้อนเสียงจะให้การขยายโหมดที่สอดคล้องกับคลื่นนิ่งภายในเครื่องสะท้อนเสียง โหมดอื่นๆ (ที่เกิดขึ้นเนื่องจากลักษณะเฉพาะของสภาพจริง) จะลดลง

รูบีเลเซอร์ — สถานะของแข็งตัวแรก

อุปกรณ์โซลิดสเตตเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1960 โดย Theodore Maiman นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน มันเป็นเลเซอร์ทับทิม (ทับทิม - Al2O3 ซึ่งบางส่วนของไซต์ขัดแตะ - ภายใน 0.5% - ถูกแทนที่ด้วยโครเมียมที่แตกตัวเป็นไอออนสามเท่า; ยิ่งมีโครเมียมมากเท่าไหร่สีของคริสตัลทับทิมก็จะเข้มขึ้นเท่านั้น)

เลเซอร์ทำงานที่ประสบความสำเร็จเครื่องแรกที่ออกแบบโดย Dr. Ted Mayman ในปี 1960

กระบอกทับทิมที่ทำจากคริสตัลที่เป็นเนื้อเดียวกันมากที่สุดซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 ถึง 20 มม. และความยาว 30 ถึง 200 มม. วางอยู่ระหว่างกระจกสองบานที่ทำในรูปแบบของชั้นเงินที่ใช้กับปลายที่ขัดเงาอย่างระมัดระวังของสิ่งนี้ ทรงกระบอก หลอดปล่อยก๊าซรูปเกลียวล้อมรอบกระบอกสูบตลอดความยาวและจ่ายไฟฟ้าแรงสูงผ่านตัวเก็บประจุ

เมื่อเปิดหลอดไฟ ทับทิมจะถูกฉายรังสีอย่างเข้มข้น ในขณะที่อะตอมของโครเมียมจะเคลื่อนจากระดับ 1 เป็นระดับ 3 (พวกมันจะอยู่ในสถานะตื่นเต้นน้อยกว่า 10-7 วินาที) ซึ่งเป็นจุดที่มีโอกาสเปลี่ยนไปสู่ ระดับที่ 2 เกิดขึ้นจริง — จนถึงระดับ metastable พลังงานส่วนเกินจะถูกถ่ายโอนเข้าสู่ตาข่ายคริสตัลทับทิม การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองจากระดับ 3 เป็นระดับ 1 นั้นไม่มีนัยสำคัญ

กฎการเลือกห้ามไม่ให้เปลี่ยนจากระดับ 2 เป็นระดับ 1 ดังนั้นระยะเวลาของระดับนี้จึงอยู่ที่ประมาณ 10-3 วินาที ซึ่งนานกว่าระดับ 3 ถึง 10,000 เท่า เป็นผลให้อะตอมสะสมในทับทิมที่มีระดับ 2 — นี่คือประชากรย้อนกลับของระดับ 2

โฟตอนสามารถทำให้เกิดการบังคับเปลี่ยนจากระดับ 2 เป็นระดับ 1 และทำให้เกิดโฟตอนทุติยภูมิได้ แต่การเปลี่ยนที่เกิดขึ้นเองเหล่านี้เป็นแบบสุ่มและโฟตอนของพวกมันจะแพร่กระจายอย่างวุ่นวาย โดยส่วนใหญ่จะปล่อยเรโซเนเตอร์ผ่านแก้มยางของมัน

แต่โฟตอนเหล่านั้นที่ชนกับแกนจะได้รับการสะท้อนหลายครั้งจากกระจก ทำให้เกิดการบังคับปล่อยโฟตอนทุติยภูมิพร้อมกัน ซึ่งกระตุ้นการปล่อยที่ถูกกระตุ้นอีกครั้ง และอื่นๆ โฟตอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่คล้ายกับโฟตอนหลัก และฟลักซ์ตามแกนของคริสตัลจะเพิ่มขึ้นเหมือนหิมะถล่ม

การไหลของโฟตอนที่ทวีคูณจะออกทางกระจกโปร่งแสงด้านข้างของตัวสะท้อนในรูปแบบของลำแสงทิศทางอย่างเคร่งครัดที่มีความเข้มมหาศาล เลเซอร์ทับทิมทำงานที่ความยาวคลื่น 694.3 นาโนเมตร ในขณะที่กำลังพัลส์สูงถึง 109 W

เลเซอร์นีออนกับฮีเลียม

เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน (ฮีเลียม / นีออน = 10/1) เป็นหนึ่งในเลเซอร์แก๊สที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ความดันในแก๊สผสมประมาณ 100 Paนีออนทำหน้าที่เป็นก๊าซที่ออกฤทธิ์ โดยผลิตโฟตอนที่มีความยาวคลื่น 632.8 นาโนเมตรในโหมดต่อเนื่อง หน้าที่ของฮีเลียมคือการสร้างประชากรย้อนกลับจากหนึ่งในระดับพลังงานบนของนีออน ความกว้างสเปกตรัมของเลเซอร์ดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 5 * 10-3 Hz ความยาวการเชื่อมโยงกัน 6 * 1011 ม. เวลาการเชื่อมโยงกัน 2 * 103 ° C

เมื่อปั๊มเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน การปลดปล่อยไฟฟ้าแรงสูงจะเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอะตอมของฮีเลียมไปสู่สถานะกระตุ้นที่แพร่กระจายได้ที่ระดับ E2 อะตอมของฮีเลียมเหล่านี้ชนกับอะตอมของธาตุนีออนอย่างไม่ยืดหยุ่นในสถานะพื้น E1 ทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานของพวกมัน พลังงานของนีออนระดับ E4 นั้นสูงกว่าระดับฮีเลียม E2 0.05 eV พลังงานที่ขาดหายไปได้รับการชดเชยด้วยพลังงานจลน์ของการชนกันของอะตอม เป็นผลให้ที่ระดับ E4 ของนีออนจะได้ประชากรกลับด้านที่เกี่ยวข้องกับระดับ E3

ประเภทของเลเซอร์สมัยใหม่

ตามสถานะของตัวกลางที่ใช้งานอยู่ เลเซอร์จะแบ่งออกเป็น: ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ เซมิคอนดักเตอร์ และคริสตัล ตามวิธีการสูบน้ำพวกเขาสามารถ: แสง, เคมี, การปล่อยก๊าซ โดยธรรมชาติของการสร้างเลเซอร์จะแบ่งออกเป็น: แบบต่อเนื่องและแบบพัลส์ เลเซอร์ประเภทนี้จะปล่อยรังสีในช่วงที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

เลเซอร์ออปติคัลปรากฏขึ้นช้ากว่าตัวอื่น พวกมันสามารถสร้างรังสีในช่วงอินฟราเรดใกล้ รังสีดังกล่าว (ที่ความยาวคลื่นสูงถึง 8 ไมครอน) เหมาะมากสำหรับการสื่อสารด้วยแสง เลเซอร์ออปติคอลประกอบด้วยเส้นใยในแกนกลางซึ่งได้แนะนำไอออนของธาตุหายากที่เหมาะสมหลายตัว

ตัวนำแสงเช่นเดียวกับเลเซอร์ประเภทอื่น ๆ ติดตั้งอยู่ระหว่างกระจกคู่หนึ่งสำหรับการสูบฉีด รังสีเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการจะถูกป้อนเข้าไปในเส้นใย เพื่อให้ไอออนของธาตุหายากผ่านเข้าสู่สภาวะตื่นเต้นภายใต้การกระทำของมัน เมื่อกลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า ไอออนเหล่านี้จะปล่อยโฟตอนด้วยความยาวคลื่นที่ยาวกว่าเลเซอร์ที่เริ่มทำงาน

ด้วยวิธีนี้ ไฟเบอร์จะทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ ความถี่ขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุหายากที่เพิ่มเข้ามา ตัวไฟเบอร์เองทำมาจากฟลูออไรด์ของโลหะหนัก ซึ่งส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพที่ความถี่ของช่วงอินฟราเรด

เลเซอร์เอ็กซ์เรย์ครอบครองด้านตรงข้ามของสเปกตรัมระหว่างรังสีอัลตราไวโอเลตและแกมมา ซึ่งเป็นคำสั่งของขนาดที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-7 ถึง 10-12 เมตร เลเซอร์ประเภทนี้มีความสว่างพัลส์สูงสุดของเลเซอร์ทุกประเภท

เลเซอร์เอ็กซเรย์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1985 ในสหรัฐอเมริกาที่ห้องปฏิบัติการลิเวอร์มอร์ ลอว์เรนซ์ เลเซอร์ที่สร้างขึ้นบนซีลีเนียมไอออน ช่วงความยาวคลื่นอยู่ที่ 18.2 ถึง 26.3 นาโนเมตร และความสว่างสูงสุดอยู่ที่เส้นความยาวคลื่น 20.63 นาโนเมตร ปัจจุบัน รังสีเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 4.6 นาโนเมตรได้รับความสำเร็จด้วยไอออนอะลูมิเนียม

เลเซอร์เอ็กซเรย์ถูกสร้างขึ้นโดยพัลส์ที่มีระยะเวลา 100 ps ถึง 10 ns ซึ่งขึ้นอยู่กับอายุการใช้งานของการก่อตัวของพลาสมา

ความจริงก็คือตัวกลางที่แอคทีฟของเลเซอร์เอ็กซ์เรย์คือพลาสมาที่มีไอออนสูง ซึ่งได้รับมา เช่น เมื่อฟิล์มบางของอิตเทรียมและซีลีเนียมถูกฉายรังสีด้วยเลเซอร์กำลังสูงในสเปกตรัมที่มองเห็นหรืออินฟราเรด

พลังงานของเลเซอร์ X-ray ในพัลส์สูงถึง 10 mJ ในขณะที่ความแตกต่างเชิงมุมในลำแสงอยู่ที่ประมาณ 10 มิลลิเรเดียน อัตราส่วนของกำลังปั๊มต่อการแผ่รังสีโดยตรงคือประมาณ 0.00001