Le laser désigne un grand nombre de photons ayant exactement les mêmes caractéristiques générés par la transition des électrons métastables des atomes d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie faible sous l'excitation de photons incidents. Le processus de génération laser est le processus d'amplification de la lumière de rayonnement stimulée, c'est-à-dire que le matériau de travail laser absorbe l'énergie externe, ce qui provoque la transition de plus en plus de particules du niveau d'énergie élevé du matériau de travail vers le niveau d'énergie faible, et en même temps, des photons sont libérés et les photons passent par la résonance. L'oscillation et l'amplification continues dans la cavité forment un laser. Par conséquent, pour générer un laser, trois conditions doivent être remplies : le matériau de travail laser, la source d'excitation externe et la cavité résonante optique.
Dans l'état d'équilibre thermique, les particules telles que les atomes dans les milieux généraux satisfont toutes à la distribution de Boltzmann, c'est-à-dire que la densité numérique des particules à faible niveau d'énergie est supérieure à celle des particules à haut niveau d'énergie. Pour générer une lumière laser, la distribution des particules doit d'abord être modifiée de sorte que la densité numérique des particules à haut niveau d'énergie soit supérieure à celle des particules à bas niveau d'énergie. Cet état de distribution est appelé « inversion du nombre de particules ». L'inversion du nombre de particules ne peut être obtenue que dans des milieux spéciaux, et seules quelques centaines de ces milieux sont actuellement présents dans la nature. Seuls ces milieux spéciaux peuvent servir de substance de travail du laser, également appelé milieu d'activation. Ils constituent les conditions nécessaires à la génération du laser.
De plus, les particules dans l'état excité doivent également avoir une durée de vie suffisamment longue. Dans le matériau de travail du laser, la durée de vie moyenne d'une particule dans un état excité est particulièrement longue, jusqu'à 10^-3 secondes ou même 1 seconde, ce qui est appelé « état métastable ». Ce n'est que dans l'état métastable que l'inversion du nombre de particules peut être obtenue, ce qui permet d'obtenir les conditions nécessaires à la génération de lumière laser.
Pour obtenir l'inversion du nombre de particules entre les niveaux d'énergie supérieurs et inférieurs du matériau de travail, de l'énergie doit être fournie de l'extérieur pour exciter les particules du niveau d'énergie faible au niveau d'énergie élevé. Ce processus est appelé « pompage » ou « pompage ». Les substances qui fournissent de l'énergie pour effectuer cette fonction sont des sources de stimulation. Les lignes spectrales émises par la source d'excitation doivent correspondre autant que possible aux lignes spectrales d'absorption du matériau de travail, afin d'obtenir la conversion maximale d'énergie. Les méthodes d'excitation courantes comprennent généralement l'excitation optique, l'excitation électrique, l'excitation chimique, l'excitation nucléaire, l'excitation thermique, etc.
La source d'excitation peut amener le matériau de travail à réaliser une inversion du nombre de particules, mais pour produire un laser de haute pureté, le rayonnement stimulé doit être bien supérieur à l'émission spontanée du matériau (le bruit de fond du laser) pour garantir que la densité numérique des photons dans un spectre spécifique est suffisamment élevée. Un résonateur optique est nécessaire.
La cavité résonante optique peut non seulement fournir la rétroaction optique nécessaire à l'oscillation des photons laser, mais également limiter la fréquence et la direction du laser, améliorant ainsi la monochromaticité et la directivité du laser. Des miroirs coaxiaux sont installés aux deux extrémités de la cavité résonante. La source d'excitation excite les atomes ou les molécules du matériau de travail par le biais du processus de pompage pour générer un rayonnement stimulé. Les photons rayonnés le long de l'axe de la cavité résonante sont réfléchis le long de l'axe par les miroirs, et la génération de photons d'excitation forme un processus d'amplification d'oscillation de type effet avalanche. L'un des deux miroirs est un miroir partiel. Le faisceau lumineux oscillé et amplifié le long de la direction de l'axe peut être libéré à travers le miroir partiel pour générer un faisceau laser ; tandis que les photons qui rencontrent l'autre miroir à réflexion totale sont réfléchis et continuent à osciller. et zoomer à nouveau.
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