Лазер є квантове пристрій, тому перш треба звернутися до питань квантової оптики і розглянути процеси поглинання і іcпycкaнія атомами квантів електромагнітного випромінювання.
Атом може перебувати в різних енергетичних станах з дискретними значеннями енергії E1. E2 і т. Д. В теорії Бора ці стани називають стаціонарними. Насправді, стаціонарним станом, в якому атом може перебувати нескінченно довго за відсутності зовнішніх збурень, є тільки стан з найменшою енергією. Цей стан називають основним. Всі інші стани нестабільні. Як правило, збуджений атом здатний перебувати в цих станах лише дуже короткий час, близько 10 -8 с. після цього він мимоволі переходить в одне з нижчих станів, випускаючи квант світлового електромагнітного випромінювання (фотон). Його частота w12 визначається умовою частот Бора: (з другого постулату Бора, тут постійна Планка).
Випромінювання, що випускається при мимовільному переході атома з одного стану з енергією Е2 в інше сенергіей E1 (Е1 На деяких енергетичних рівнях атом може перебувати довше - близько 10 -3 с. Такі рівні називають метастабільними. Перехід атома в більш високий енергетичний стан (з енергією Е2) може відбуватися при резонансному поглинанні фотона, енергія якого дорівнює різниці енергій атома в кінцевому і початковому станах. Переходи між енергетичними рівнями атома не обов'язково пов'язані з поглинанням або випусканням фотонів. Атом здатний придбати або віддати частину своєї енергії і перейти в інше квантовий стан в результаті взаємодії з іншими атомами або зіткнень з електронами. Такі переходи називаються безизлучательним. Для пояснення спостерігався в експерименті термодинамічної рівноваги між речовиною і що випускаються (поглинається) їм світловим випромінюванням А. Ейнштейн в 1916 році сформулював постулат про те, що крім поглинання і спонтанного випромінювання повинен існувати третій, якісно інший тип взаємодії. Було припущено, що перехід електрона в атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній може відбуватися під впливом зовнішнього електромагнітного поля, частота якого дорівнює власній частоті переходу. Що виникає при цьому випромінювання отримало назву вимушеного або індукованого. Вимушене випромінювання відрізняється від спонтанного тим, що в результаті взаємодії порушеної атома з фотоном атом випускає ще один фотон тієї ж самої частоти, що поширюється в тому ж напрямку. На рісyнкe 1 схематично представлені можливі механізми переходів між двумяенергетіческімі станами атома з поглинанням або випусканням кванта.
Малюнок 1 - Умовне зображення процесів поглинання (a), спонтанного випускання (б), і індукованого випускання кванта (в)
Мовою хвильової теорії це означає, що атомом випромінюється електромагнітна хвиля з частотою, фазою, поляризацією і напрямом поширення, точно такими ж, як і у первісної хвилі. В результаті вимушеного випускання фотонів амплітуда хвилі, що розповсюджується в середовищі, зростає. З точки зору квантової теорії, в результаті взаємодії порушеної атома з фотоном, частота якого дорівнює частоті переходу, з'являються два абсолютно однакових фотона - близнюка. Саме вимушене випромінювання є фізичною основою роботи лазерів. Назва самих приладів складається з перших букв англійського виразу: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (laser), що в перекладі означає «посилення світла при вимушеному випущенні випромінювання».
Розглянемо шар оптичного середовища, атоми якої можуть перебувати в станах 1 і 2 з різницею енергій # 916; E = E2 - E1> 0 Нехай в цьому шарі поширюється випромінювання резонансної частоти переходу w = # 916; E / ћ. Згідно з розподілом Больцмана, при термодинамічній рівновазі бóльше кількість атомів речовини буде знаходитися в нижньому енергетичному стані 1. Деяка частина атомів буде знаходитися і в верхньому енергетичному стані 2, отримуючи необхідну енергію при зіткненнях з іншими атомами. Позначимо населеності нижнього і верхнього рівнів відповідно через n1 і n2 Щоб проходить через шар речовини електромагнітна хвиля посилювалася, потрібно штучно створити умови, при яких n2> n1. т. е. створити инверсную заселеність рівнів. Таке середовище є термодинамічно нерівноважної. Ідея використання нерівноважних середовищ для отримання оптичного посилення вперше була висловлена радянським фізиком В.А. Фабрикантом в 1940 р У 1954 р радянські фізики Н.Г. Басов, А.М. Прохоров і незалежно від них учений зі США Ч. Таунс, використовували явище індукованого випускання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль з довжиною хвилі # 955; = 1,27 см. У 1964 році за розробку нового принципу посилення і генерації радіохвиль всі троє дослідників були удостоєні Нобелівської премії.Схожі статті