Nazwa laser to skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation co oznacza wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania.

Laser jest takim kwantowym generatorem światła. Aby w pełni zrozumieć zasadę działania lasera należy najpierw przyjrzeć się kilku zjawiskom.

Mianowicie do emisji promieniowani elektromagnetycznego może dojść tylko wtedy jeśli cząstka przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. Towarzyszy temu przejściu emisja fotonu, o energii równej różnicy między poziomami energetycznymi. Jest to tak zwana emisja spontaniczna.

Może także zajść zjawisko odwrotne czyli absorpcja promieniowania. Elektrony na orbitach mają ściśle określoną energię. I teraz jeżeli na układ padnie promieniowanie o energii fotonów równej różnicy energetycznej między stanem podstawowym, na którym znajduje się elektron , a stanem wzbudzonym to na skutek zaabsorbowania takiego fotonu elektron przechodzi do stanu wzbudzonego.

Trzecim procesem jaki może istnieć jest tzw. emisja wymuszona. Jeżeli dany atom znajduje się w stanie wzbudzonym to może dochodzić do przejścia do stanu podstawowego wraz z emisją kwantu promieniowania. Okazuje się, że jeśli na taki atom padnie foton o energii równej dokładnie różnicy energetycznej między poziomem podstawowym i wzbudzonym to wzrasta prawdopodobieństwo powrotu tego atomu do stanu podstawowego , a więc i emisji kwantu promieniowania. Takie zjawisko nazywa się właśnie emisją wymuszoną.

Różni się ona od emisji spontanicznej tym, że fotony w niej emitowane mają taką samą fazę i kierunek jak fotony wymuszające. Natomiast w przypadku emisji spontanicznej fazy i kierunki są dziełem przypadku.

Dzięki zjawisku emisji wymuszonej można uzyskać wiązki promieniowania spójnego.

Aby jednak taka emisja wymuszona była wydajna to należy wiedzieć jaka ilość atomów znajduje się w stanie podstawowym , a jaka ilość to atomy wzbudzone.

Okazuje się, że większe prawdopodobieństwo obsadzenia istnieje dla stanów o niższej energii ( stanów podstawowych) niż dla stanów o energii wyższej. Mówi o tym rozkład Boltzmanna.

Zgodnie z tym założeniem, jeśli układ atomów zostanie oświetlony promieniowaniem o odpowiednio dobranej energii to większe prawdopodobieństwo istnieje dla absorpcji promieniowania niż dla emisji wymuszonej. Aby taką sytuacje polepszyć czyli zwiększyć częstość zachodzenia emisji wymuszonej należy sprawić, aby w układzie dominowały atomy w stanie wzbudzonym. Do takiej sytuacji można doprowadzić za pomocą procesu zwanego pompowaniem.

Właśnie na procesie pompowania opiera się działanie lasera. W budowie każdego lasera można wyróżnić trzy zasadnicze elementy: ośrodek czynny, rezonator optyczny i układ pompujący.

Ośrodek czynny może być utworzony przez:

* gazy - lasery takie dzieli się je na : jonowe, atomowe i molekularne, mogą to być np. lasery helowo neonowe lub argonowe

* ciecze -w grupie tej wyróżnia się lasery: chelatowe, organiczne, nieorganiczne

* ciała stałe -przykład stanowi laser rubinowy lub neodymowy.

Proces pompowania doprowadza do tzw. inwersji obsadzeń czyli zwiększenia liczby stanów wzbudzonych w stosunku do podstawowych. Powoduje to zwiększenie częstości emisji wymuszonej. Inwersji obsadzeń można dokonać na różne sposoby wykorzystując:

  • światło innego lasera
  • błysk flesza
  • wyładowanie elektryczne (dotyczy ośrodków gazowych)
  • wiązki elektronów
  • energię reakcji chemicznych.

Oprócz emisji wymuszonej kolejnym warunkiem koniecznym do generacji światła spójnego przez laser jest zastosowanie układu zwierciadeł, dzięki którym możliwe jest odbijanie części fotonów z powrotem do ośrodka czynnego lasera gdzie zachodzi wzmocnienie. Barwa światła laserowego zależy od rodzaju ośrodka czynnego lasera.

Poniżej przedstawiono sposób generowania światła spójnego przez laser helowo - neonowy.

W laserze tym ośrodkiem czynnym jest mieszanina helu i neonu, tak przygotowana, aby były zachowane odpowiednie proporcje. Mianowicie na 10 jednostek helu przypada jedna jednostka neonu. Ciśnienie całkowite gazów zbliżone jest do 1.3 hPa. Obudowę tego ośrodka czynnego stanowi szczelna rura kwarcowa o średnicy kilku milimetrów, z elektrodami. Do tych elektrod przyłożone jest wysokie napięcie, dzięki któremu w mieszaninie gazowej zostaje wywołane wyładowanie.

Dochodzi do wzbudzeń atomów helu i neonu, na skutek zderzeń z przyspieszonymi elektronami. Ponieważ atomów helu jest dużo więcej, więc częstość zderzeń elektronów z tymi atomami będzie większa.

Wzbudzone atomy helu są w tzw. stanach metastabilnych 2i 2. Zderzają się one z atomami neonu, które jeszcze są w stanie podstawowym i przekazują im energię wzbudzenia. Dla neonu czasy życia poziomów odpowiadających wyższej energii są dłuższe od czasów życia poziomów o energii niższej, dlatego po pewnym czasie dochodzi do tzw. inwersji obsadzeń w stosunku do niżej położonych poziomów energetycznych.

Dzięki zastosowaniu luster dielektrycznych o wysokiej selektywności można wybierać odpowiednie linie promieniowania, które chce się uzyskać .

Najczęściej lasery pracują na długościach fali:  i .

Foton, który zostaje wypromieniowany spontanicznie w kierunku osi lasera zderza się ze wzbudzonymi atomami neonu. Ponieważ wcześniej zaszła inwersja obsadzeń, więc emisja wymuszona przeważa nad absorpcją. Dochodzi do zwiększania się liczby fotonów. W ten sposób uzyskuje się wiązkę spójnych fotonów. Ich energia zależy od fotonu wymuszającego emisję.

Światło laserowe posiada charakterystyczne cechy. Są nimi:

  • monochromatyczność
  • duża gęstość mocy
  • równoległość
  • spójność (koherencja)
  • polaryzacja liniowa

Należy jeszcze dodać, ze pierwszy laser został skonstruowany w roku 1960. Od tamtego czasu urządzenia te stale są ulepszane. W chwili obecnej mogą one emitować zarówno światło ciągłe jak i impulsowe. Natomiast zakres długości fal emitowanego promieniowania odpowiada przedziałowi od podczerwieni, poprzez światło widzialne do ultrafioletu.