1. Emisie stimulata
În viziunea clasică, energia unui electron care orbitează un nucleu atomic este mai mare pentru orbite mai departe de nucleul unui atom. Cu toate acestea, efectele mecanice cuantice forțează electronii să ia poziții discrete în orbitali. Astfel, electronii se găsesc în niveluri specifice de energie ale unui atom, dintre care două sunt prezentate mai jos:
Un electron dintr-un atom poate absorbi energia din lumină (fotoni) sau căldură (fononi) numai dacă există o tranziție între nivelurile de energie care se potrivește cu energia transportată de foton sau fonon. Pentru lumină, aceasta înseamnă că orice tranziție dată va absorbi doar o anumită lungime de undă a luminii. Fotonii cu lungimea de undă corectă pot face ca un electron să sară de la nivelul inferior la cel superior. Fotonul este consumat în acest proces.
Când un electron este excitat de la o stare la cea la un nivel de energie mai mare cu diferență de energie ΔE, nu va rămâne așa pentru totdeauna. În cele din urmă, un foton va fi creat spontan din vid având energie ΔE. Conservând energia, electronul trece la un nivel inferior de energie care nu este ocupat, cu tranziții la niveluri diferite având constante de timp diferite. Acest proces se numește „emisie spontană”. Emisia spontană este un efect mecanic cuantic și o manifestare fizică directă a principiului incertitudinii Heisenberg. Fotonul emis are direcție aleatorie, dar lungimea sa de undă se potrivește cu lungimea de undă de absorbție a tranziției. Acesta este mecanismul de fluorescență și emisie termică.
Un foton cu lungimea de undă corectă care urmează să fie absorbit de o tranziție poate provoca, de asemenea, căderea unui electron de la nivelul superior la cel inferior, emițând un nou foton. Fotonul emis se potrivește exact cu fotonul original în lungime de undă, fază și direcție. Acest proces se numește emisie stimulată.
2. Mediul de câștig și cavitate
Mediul de câștig este pus într-o stare excitată de o sursă externă de energie. În cele mai multe lasere, acest mediu constă dintr-o populație de atomi care au fost excitați într-o astfel de stare prin intermediul unei surse de lumină exterioare sau a unui câmp electric care furnizează energie pentru ca atomii să fie absorbiți și transformați în stările lor excitate.
Mediul de câștig al unui laser este în mod normal un material cu puritate, dimensiune, concentrație și formă controlate, care amplifică fasciculul prin procesul de emisie stimulată descris mai sus. Acest material poate fi de orice stare: gaz, lichid, solid sau plasmă. Mediul de câștig absoarbe energia pompei, care ridică niște electroni în stări cuantice cu energie superioară („excitată”). Particulele pot interacționa cu lumina absorbind sau emițând fotoni. Emisia poate fi spontană sau stimulată. În acest din urmă caz, fotonul este emis în aceeași direcție cu lumina care trece. Când numărul de particule într-o stare excitată depășește numărul de particule într-o stare cu energie mai mică, se realizează inversarea populației. În această stare, rata de emisie stimulată este mai mare decât rata de absorbție a luminii în mediu și, prin urmare, lumina este amplificată. Un sistem cu această proprietate se numește amplificator optic. Când un amplificator optic este plasat în interiorul unei cavități optice rezonante, se obține un laser.
Rezonatorul optic este uneori denumit „cavitate optică”, dar acesta este un nume greșit: laserele folosesc rezonatoare deschise spre deosebire de cavitatea literală care ar fi folosită la frecvențele microundelor într-un maser. Rezonatorul constă în mod obișnuit din două oglinzi între care un fascicul de lumină coerent se deplasează în ambele direcții, reflectându-se înapoi pe sine, astfel încât un foton mediu va trece în mod repetat prin mediul de câștig înainte de a fi emis din deschiderea de ieșire sau pierdut prin difracție sau absorbție. Dacă câștigul (amplificarea) din mediu este mai mare decât pierderile rezonatorului, atunci puterea luminii recirculante poate crește exponențial. Dar fiecare eveniment de emisie stimulat readuce un atom din starea sa excitată în starea fundamentală, reducând câștigul mediului. Odată cu creșterea puterii fasciculului, câștigul net (câștigul minus pierderea) se reduce la unitate și se spune că mediul de câștig este saturat. Într-un laser cu undă continuă (CW), echilibrul puterii pompei împotriva saturației de câștig și a pierderilor de cavitate produce o valoare de echilibru a puterii laserului în interiorul cavității; acest echilibru determină punctul de operare al laserului. Dacă puterea aplicată a pompei este prea mică, câștigul nu va fi niciodată suficient pentru a depăși pierderile de cavitate, iar lumina laser nu va fi produsă. Puterea minimă a pompei necesară pentru a începe acțiunea laser se numește prag de lasare. Mediul de câștig va amplifica orice fotoni care trec prin el, indiferent de direcție; dar numai fotonii într-un mod spațial susținut de rezonator vor trece de mai multe ori prin mediu și vor primi o amplificare substanțială.
3. Lumina emisă
În cele mai multe lasere, lasarea începe cu emisie spontană în modul de lasare. Această lumină inițială este apoi amplificată prin emisie stimulată în mediul de câștig. Emisia stimulată produce lumină care se potrivește semnalului de intrare în direcție, lungime de undă și polarizare, în timp ce faza luminii emise este de 90 de grade în lumina stimulatoare. Acest lucru, combinat cu efectul de filtrare al rezonatorului optic conferă luminii laser coerența caracteristică și îi poate conferi polarizare uniformă și monocromaticitate, în funcție de designul rezonatorului. Lățimea de linie laser fundamentală a luminii emise de rezonatorul cu laser poate fi ordine de mărime mai îngustă decât lățimea de linie a luminii emise de rezonatorul pasiv. Unele lasere folosesc o semănătoare de injecție separată pentru a începe procesul cu un fascicul care este deja foarte coerent. Acest lucru poate produce fascicule cu un spectru mai îngust decât altfel ar fi posibil.
În apropierea „taliei” (sau regiunii focale) a unui fascicul laser, acesta este foarte colimat: fronturile de undă sunt plane, normale pe direcția de propagare, fără divergențe de fascicul în acel punct. Cu toate acestea, datorită difracției, aceasta poate rămâne adevărată numai în intervalul Rayleigh. Fasciculul unui singur laser cu mod transversal (fascicul gaussian) diferă în cele din urmă la un unghi care variază invers cu diametrul fasciculului, așa cum este cerut de teoria difracției. Astfel, „fasciculul de creion” generat direct de un laser heliu-neon comun s-ar răspândi la o dimensiune de poate 500 de kilometri atunci când va străluci pe Lună (de la distanța pământului). Pe de altă parte, lumina unui laser semiconductor iese de obicei din micul cristal cu o divergență mare: până la 50 °. Cu toate acestea, chiar și un astfel de fascicul divergent poate fi transformat într-un fascicul similar colimat prin intermediul unui sistem de lentile, așa cum este întotdeauna inclus, de exemplu, într-un indicator laser a cărui lumină provine dintr-o diodă laser. Acest lucru este posibil datorită faptului că lumina este un singur mod spațial. Această proprietate unică a luminii laser, coerența spațială, nu poate fi reprodusă folosind surse de lumină standard (cu excepția aruncării celei mai mari părți a luminii), așa cum se poate aprecia comparând fasciculul de la o lanternă (torță) sau un spot cu cel al aproape oricărui laser.