Аргонов лазер
Лазерът е монохроматичен кохерентен източник на светлина с висока насоченост на светлинния лъч. Самата дума „лазер“ се състои от първите букви на английската фраза „Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на лъчение“, което означава „усилване на светлината в резултат на стимулирано лъчение“. Всъщност основният физически процес, който определя действието на лазера, е стимулираното излъчване на радиация. Това се случва, когато фотонът взаимодейства с възбуден атом, когато енергията на фотона точно съвпада с енергията на възбуждане на атома (или молекулата). В резултат на това взаимодействие възбуденият атом преминава в невъзбудено състояние и излишната енергия се излъчва под формата на нов фотон с абсолютно същата енергия, посока на разпространение и поляризация като основния фотон. По този начин последицата от този процес е наличието на два абсолютно еднакви фотона с възбудени атоми, подобни на първия атом, може да възникне „верижна реакция“, умножаването на еднакви фотони, „летящи“ абсолютно в една посока, което ще доведе до поява на тясно насочен светлинен лъч. За да се появи лавина от идентични фотони, е необходима среда, в която би имало повече възбудени атоми, отколкото невъзбудени, тъй като взаимодействието на фотоните с невъзбудени атоми би довело до абсорбиране на фотони. Такава среда се нарича среда с обърната популация от енергийни нива.
Така че, освен стимулираното излъчване на фотони от възбудени атоми, има и процес на спонтанно, спонтанно излъчване на фотони по време на прехода на възбудените атоми в невъзбудено състояние и процес на поглъщане на фотони по време на прехода на атомите от невъзбудено състояние до възбудено състояние. Тези три процеса, придружаващи преходите на атомите в възбудено състояние и обратно, са постулирани от А. Айнщайн през 1916 г. Ако броят на възбудените атоми е голям и има обратна популация от нива (има повече атоми в горното възбудено състояние на атоми, отколкото в долното, невъзбудено състояние), тогава първият фотон, роден в резултат на спонтанно излъчване, ще предизвика непрекъснато нарастваща лавина от поява на фотони, идентични с него. Ще има увеличение на спонтанните емисии.
Възможността за леко налягане в среда с обърната популация поради стимулирана емисия е посочена за първи път през 1939 г. от съветския физик В. А. Фабрикант, който предлага да се създаде обърната популация при електрически разряд в газ. С едновременното създаване (по принцип това е възможно) на голям брой спонтанно излъчени фотони ще възникнат голям брой лавини, всяка от които ще се разпространява в собствена посока, зададена от първоначалния фотон на съответната лавина. В резултат на това ще получим потоци от светлинни кванти, но няма да можем да получим нито насочен лъч, нито висока монохроматичност, тъй като всяка лавина е инициирана от свой собствен първоначален фотон. За да може да се използва среда с обратна популация за генериране на лазерен лъч, т.е. насочен лъч с висока монохроматичност, е необходимо да се премахне обратната популация, като се използват първични фотони, които вече имат еднаква насоченост на излъчване и една и съща енергия, която съвпада с енергията на този преход в атома. В този случай ще имаме лазерен усилвател на светлината. Съществува обаче друга възможност за получаване на лазерен лъч, свързана с използването на обратна връзка. Спонтанно генерирани фотони, чиято посока на разпространение не е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създаде лавини от фотони, които излизат извън средата. В същото време фотоните, чиято посока на разпространение е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създадат лавини, които се усилват многократно в средата поради множество отражения от огледалата. Ако едно от огледалата има ниско предаване, тогава през него ще излезе насочен поток от фотони, перпендикулярен на равнината на огледалата. Ако предаването на огледалата е правилно избрано, прецизното им регулиране едно спрямо друго и спрямо надлъжната ос на средата с обърната популация, обратната връзка може да бъде толкова ефективна, че страничното излъчване може да бъде напълно пренебрегнато в сравнение с излъчването излъчвани през огледалата. На практика това наистина се прави. Тази схема на обратна връзка се нарича оптичен резонатор и именно този тип резонатор се използва в повечето съществуващи лазери.