Laser jest generatorem koherentnego (spójnego) promieniowania elektromagnetycznego powstającego w danym ośrodku materialnym w wyniku wzmocnienia promieniowania przez emisję promieniowania wymuszonego. Z działaniem lasera związane są następujące trzy procesy fizyczne: absorpcja, promieniowanie spontaniczne oraz promieniowanie wymuszone.
Jeśli istnieją np. dwa poziomy energetyczne E1 i E2 , z których E1 jest poziomem podstawowym, wyższy zaś E2 poziomem wzbudzenia atomu, wówczas dowolne przejście pomiędzy tymi dwoma poziomami powoduje, zgodnie z prawem Plancka, emisję lub absorpcję fotonu o energii
hv12 = E2 − E1 ,
gdzie h – stała Plancka, v12 – częstotliwość.
W normalnych temperaturach większość atomów znajduje się w stanie podstawowym. Stan podstawowy zostaje naruszony wówczas, gdy atom zaabsorbuje foton o energii równej hv12 . Przechodzi on wtedy do stanu wzbudzenia o energii E2 . Stan wzbudzenia jest stanem nietrwałym i po chwili wzbudzony atom bez jakiegokolwiek zewnętrznego działania stymulującego przechodzi do stanu podstawowego E1 wypromieniowując foton o energii hv12 . Proces ten nazywamy emisją spontaniczną.
Jeżeli foton o energii hv12 oddziałuje na atom znajdujący się w stanie wzbudzenia, wówczas pod wpływem tego stymulującego fotonu atom przechodzi do stanu podstawowego wypromieniowując foton o energii hv12 . Jest to zjawisko emisji wymuszonej. To wymuszone promieniowanie jest zgodne w fazie z promieniowaniem wymuszającym, co ma istotne znaczenie dla akcji laserowej. Istnieje na ogół bardzo wielka różnica pomiędzy prawdopodobieństwem przejść spontanicznych PA i wymuszonych PB . Na podstawie kwantowej teorii promieniowania (A. Einstein, 1916-1917) wzajemny stosunek tych prawdopodobieństw, czyli stosunek liczby obu rodzajów aktów emisji opisuje relacja:
PA/PB = exp( hv / kT ) – 1
Z powyższej relacji wynika, że dla krótkofalowego promieniowania, gdy hv >> kT , to PA/PB dąży do nieskończoności, czyli PA >> PB . Natomiast dla promieniowania długofalowego PA << PB . W tym przypadku promieniowanie wymuszone odgrywa decydującą rolę.
Gdy w danym ośrodku więcej atomów znajduje się w stanie wzbudzonym (tzw. rozkład antyboltzmanowski), mówimy o inwersji obsadzeń (osiąga się ją poprzez wzbudzanie atomów zwane pompowaniem optycznym). Jeśli w ośrodku, w którym istnieje inwersja obsadzeń pojawi się wymuszający foton o energii hv 12 , wówczas występuje emisja wymuszona. W tej sytuacji dany ośrodek wypromieniowuje znacznie większa ilość fotonów
niż ich absorbuje. Zjawisko to nazywa się wzmocnieniem kwantowym i stanowi podstawę działania lasera.
