1960 đến Hiện tại
Germany, U.S. and U.S.S.R.
Laser là một thiết bị phát ra ánh sáng thông qua quá trình khuếch đại quang học dựa trên sự phát xạ kích thích của bức xạ điện từ. Thuật ngữ "laser" bắt nguồn từ từ viết tắt của "light amplification by stimulated emission of radiation" (khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích bức xạ). Chiếc laser đầu tiên được chế tạo vào năm 1960 bởi Theodore H. Maiman tại Hughes Research Laboratories, dựa trên các công trình lý thuyết của Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow.
Năm 1917, Albert Einstein đã thiết lập nền tảng lý thuyết cho laser và maser trong bài báo Zur Quantentheorie der Strahlung (Về lý thuyết lượng tử của bức xạ) thông qua việc suy luận lại định luật bức xạ của Max Planck, dựa trên khái niệm về các hệ số xác suất (hệ số Einstein) cho sự hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích của bức xạ điện từ.
Năm 1928, Rudolf W. Ladenburg đã xác nhận sự tồn tại của các hiện tượng phát xạ kích thích và hấp thụ âm.
Năm 1939, Valentin A. Fabrikant đã dự đoán việc sử dụng phát xạ kích thích để khuếch đại các sóng "ngắn".
Năm 1947, Willis E. Lamb và R.C. Retherford đã tìm thấy sự phát xạ kích thích rõ ràng trong quang phổ hydro và thực hiện minh chứng đầu tiên về phát xạ kích thích.
Năm 1950, Alfred Kastler (Giải Nobel Vật lý năm 1966) đã đề xuất phương pháp bơm quang học, được xác nhận bằng thực nghiệm hai năm sau đó bởi Brossel, Kastler và Winter.
Năm 1951, Joseph Weber đã đệ trình một bài báo về việc sử dụng phát xạ kích thích để tạo ra bộ khuếch đại vi sóng lên Hội nghị Nghiên cứu Ống chân không của Viện Kỹ sư Vô tuyến vào tháng 6 năm 1952 tại Ottawa, Ontario, Canada. Sau bài thuyết trình này, RCA đã yêu cầu Weber tổ chức một buổi hội thảo về ý tưởng này, và Charles Hard Townes đã yêu cầu ông cung cấp một bản sao của bài báo.
Năm 1953, Charles Hard Townes cùng các nghiên cứu sinh James P. Gordon và Herbert J. Zeiger đã tạo ra bộ khuếch đại vi sóng đầu tiên, một thiết bị hoạt động dựa trên các nguyên lý tương tự như laser, nhưng khuếch đại bức xạ vi sóng thay vì bức xạ hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy. Maser của Townes không có khả năng phát liên tục.
Trong khi đó, tại Liên Xô, Nikolay Basov và Aleksandr Prokhorov đang độc lập nghiên cứu về bộ dao động lượng tử và đã giải quyết vấn đề của các hệ thống phát liên tục bằng cách sử dụng nhiều hơn hai mức năng lượng. Các môi trường khuếch đại này có thể giải phóng các phát xạ kích thích giữa một trạng thái kích thích và một trạng thái kích thích thấp hơn, không phải trạng thái cơ bản, giúp tạo điều kiện thuận lợi cho việc duy trì sự đảo ngược mật độ. Năm 1955, Prokhorov và Basov đã đề xuất bơm quang học hệ thống đa mức như một phương pháp để đạt được sự đảo ngược mật độ, sau này trở thành phương pháp chính của việc bơm laser.
Năm 1957, Charles Hard Townes và Arthur Leonard Schawlow, khi đó đang làm việc tại Bell Labs, đã bắt đầu nghiên cứu nghiêm túc về laser hồng ngoại. Khi các ý tưởng phát triển, họ đã từ bỏ bức xạ hồng ngoại để tập trung vào ánh sáng nhìn thấy. Khái niệm này ban đầu được gọi là "maser quang học".
Đồng thời, tại Đại học Columbia, nghiên cứu sinh Gordon Gould đang thực hiện luận án tiến sĩ về các mức năng lượng của thallium kích thích. Khi Gould và Townes gặp nhau, họ đã nói về sự phát xạ bức xạ như một chủ đề chung; sau đó, vào tháng 11 năm 1957, Gould đã ghi chú các ý tưởng của mình về một chiếc "laser", bao gồm việc sử dụng một bộ cộng hưởng mở (sau này là một thành phần thiết yếu của thiết bị laser).
Năm 1958, Bell Labs đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho maser quang học mà họ đề xuất; và Schawlow cùng Townes đã gửi bản thảo các tính toán lý thuyết của họ cho tạp chí Physical Review, được xuất bản cùng năm đó trong Tập 112, Số 6.
Năm 1958, Prokhorov độc lập đề xuất sử dụng bộ cộng hưởng mở, lần xuất hiện đầu tiên được công bố (tại Liên Xô) của ý tưởng này. Ở nơi khác, tại Hoa Kỳ, Schawlow và Townes đã đồng ý với thiết kế laser bộ cộng hưởng mở – dường như không biết về các ấn phẩm của Prokhorov và công trình laser chưa được công bố của Gould.
Tại một hội nghị năm 1959, Gordon Gould đã công bố thuật ngữ LASER trong bài báo LASER, Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích bức xạ.
Các ghi chú của Gould bao gồm các ứng dụng khả thi cho laser, chẳng hạn như đo phổ, giao thoa kế, radar và phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Ông tiếp tục phát triển ý tưởng và nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào tháng 4 năm 1959.
Văn phòng Bằng sáng chế Hoa Kỳ đã từ chối đơn của Gould và cấp bằng sáng chế cho Bell Labs vào năm 1960.
Vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, Theodore H. Maiman đã vận hành chiếc laser hoạt động đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hughes, Malibu, California, vượt trước một số nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhóm của Townes tại Đại học Columbia, Arthur Schawlow tại Bell Labs, và Gould tại công ty TRG (Technical Research Group). Chiếc laser hoạt động của Maiman sử dụng tinh thể ruby tổng hợp được bơm bằng đèn flash để tạo ra ánh sáng laser đỏ ở bước sóng 694 nanomet. Thiết bị này chỉ có khả năng hoạt động theo xung, do sơ đồ thiết kế bơm ba mức của nó.
Cuối năm đó, nhà vật lý người Iran Ali Javan, cùng với William R. Bennett và Donald Herriott, đã chế tạo ra chiếc laser khí đầu tiên, sử dụng heli và neon, có khả năng hoạt động liên tục trong vùng hồng ngoại (Bằng sáng chế Hoa Kỳ 3.149.290). Sau đó, Javan đã nhận Giải thưởng Albert Einstein vào năm 1993. Basov và Javan đã đề xuất khái niệm diode laser bán dẫn.
Năm 1962, Robert N. Hall đã trình diễn thiết bị diode laser đầu tiên, được làm từ gali arsenide và phát xạ trong dải cận hồng ngoại của quang phổ ở bước sóng 850 nm. Cuối năm đó, Nick Holonyak, Jr. đã trình diễn chiếc laser bán dẫn đầu tiên có phát xạ khả kiến. Chiếc laser bán dẫn đầu tiên này chỉ có thể được sử dụng trong chế độ hoạt động xung và khi được làm lạnh đến nhiệt độ nitơ lỏng (77 K).
Townes báo cáo rằng một số nhà vật lý lỗi lạc—trong đó có Niels Bohr, John von Neumann và Llewellyn Thomas—đã lập luận rằng maser vi phạm nguyên lý bất định của Heisenberg và do đó không thể hoạt động. Những người khác như Isidor Rabi và Polykarp Kusch cho rằng nó sẽ không thực tế và không đáng để nỗ lực. Năm 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov và Aleksandr Prokhorov đã cùng nhận Giải Nobel Vật lý, "cho công trình cơ bản trong lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc chế tạo các bộ dao động và bộ khuếch đại dựa trên nguyên lý maser–laser".
Năm 1970, Zhores Alferov tại Liên Xô, cùng với Izuo Hayashi và Morton Panish tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell cũng đã độc lập phát triển các diode laser hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng, sử dụng cấu trúc dị thể.
Kể từ thời kỳ đầu của lịch sử laser, nghiên cứu về laser đã tạo ra nhiều loại laser cải tiến và chuyên dụng, được tối ưu hóa cho các mục tiêu hiệu suất khác nhau, bao gồm: - các dải bước sóng mới - công suất đầu ra trung bình tối đa - năng lượng xung đỉnh tối đa - công suất xung đỉnh tối đa - thời lượng xung đầu ra tối thiểu - độ rộng vạch phổ tối thiểu - hiệu suất năng lượng tối đa - chi phí tối thiểu Và những nghiên cứu này vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.
Năm 2015, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chiếc laser trắng, có ánh sáng được điều biến bởi một tấm nano tổng hợp làm từ kẽm, cadmi, lưu huỳnh và selen, có thể phát ra ánh sáng đỏ, xanh lục và xanh dương với các tỷ lệ khác nhau, với mỗi bước sóng trải dài 191 nm.
Năm 2017, các nhà nghiên cứu tại TU Delft đã trình diễn một chiếc laser vi sóng tiếp giáp Josephson AC. Vì laser hoạt động trong chế độ siêu dẫn, nó ổn định hơn so với các loại laser dựa trên bán dẫn khác. Thiết bị này có tiềm năng ứng dụng trong điện toán lượng tử.
Năm 2017, các nhà nghiên cứu tại TU Munich đã trình diễn chiếc laser khóa mode nhỏ nhất có khả năng phát ra các cặp xung laser picosecond khóa pha với tần số lặp lại lên đến 200 GHz.
Năm 2017, các nhà nghiên cứu từ Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), cùng với các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ từ JILA, một viện chung của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Đại học Colorado Boulder, đã thiết lập một kỷ lục thế giới mới bằng cách phát triển một chiếc laser sợi quang pha tạp erbium với độ rộng vạch phổ chỉ 10 millihertz.
