Principio de generación de láser:
Si las partículas microscópicas como átomos o moléculas tienen un nivel de energía alto E2 y un nivel de energía bajo E1, las densidades de población en los niveles de energía E2 y E1 son N2 y N1, existen tres procesos entre los dos niveles de energía: transición de emisión espontánea, transición de emisión estimulada y transición de absorción estimulada. La luz de emisión estimulada generada por la transición de emisión estimulada tiene la misma frecuencia, fase, dirección de propagación y dirección de polarización que la luz incidente. Por tanto, la luz de emisión estimulada producida por un gran número de partículas excitadas por el mismo campo de radiación coherente es coherente. La probabilidad de transición de emisión estimulada y la probabilidad de transición de absorción estimulada son proporcionales a la densidad de energía monocromática del campo de radiación incidente. Cuando los pesos estadísticos de dos niveles de energía son iguales, la probabilidad de ambos procesos es igual. En el caso del equilibrio térmico, N2 < N1, por lo que la transición de absorción estimulada es dominante. Cuando la luz atraviesa una sustancia, suele atenuarse debido a la absorción estimulada. La excitación de energía externa puede destruir el equilibrio térmico y hacer que N2>N1. Este estado se denomina estado de inversión del número de partículas. En este caso domina la transición estimulada de las emisiones. Después de que la luz pasa a través de una longitud l del material de trabajo del láser (material activado) en el estado de inversión del número de partículas, la intensidad de la luz aumenta eGl veces. G es un coeficiente proporcional a (N2-N1), llamado coeficiente de ganancia, y su tamaño también está relacionado con las propiedades del material de trabajo del láser y la frecuencia de la onda de luz. Un trozo de material activo es un amplificador láser.
Si se coloca una sección de material activo en una cavidad óptica resonante formada por dos espejos paralelos (al menos uno de los cuales es parcialmente transmisor) (Figura 1), las partículas a altos niveles de energía producirán una emisión espontánea en varias direcciones. Entre ellos, la onda de luz que se propaga no axialmente escapa rápidamente de la cavidad resonante; la onda de luz que se propaga axialmente puede propagarse hacia adelante y hacia atrás en la cavidad cuando se propaga en el material láser, la intensidad de la luz continúa creciendo. Si la ganancia de señal pequeña unidireccional G0l en la cavidad resonante es mayor que la pérdida unidireccional δ (G0l es el coeficiente de ganancia de señal pequeña), puede ocurrir autooscilación. El estado de movimiento de los átomos se puede dividir en diferentes niveles de energía. Cuando los átomos pasan de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo, liberarán fotones de la energía correspondiente (la llamada emisión espontánea). De manera similar, cuando un fotón incide en un sistema de niveles de energía y es absorbido por él, hará que los átomos pasen de un nivel de energía bajo a un nivel de energía alto (lo que se denomina absorción estimulada, entonces, algunos de los átomos que pasaron a ese nivel); el nivel de energía alto vuelve a pasar al nivel de energía bajo y libera fotones (la llamada emisión estimulada de radiación). Estos movimientos no son aislados sino que a menudo ocurren simultáneamente. Cuando creamos una condición, como usar un medio apropiado, una cavidad resonante y un campo eléctrico externo suficiente, la emisión estimulada se amplifica de modo que es mayor que la absorción estimulada, entonces, en general, se emitirán fotones, lo que dará como resultado en láser.