レーザーとは、入射光子の励起により原子内の準安定電子が高エネルギーレベルから低エネルギーレベルに遷移することで生成される、全く同じ特性を持つ多数の光子を指します。レーザー生成のプロセスは、誘導放射光増幅のプロセスです。つまり、レーザー作業材料が外部エネルギーを吸収し、作業材料の高エネルギーレベルの粒子が低エネルギーレベルに遷移するとともに、光子が放出され、光子が共鳴を通過します。キャビティ内の連続振動と増幅によりレーザーが形成されます。したがって、レーザーを生成するには、レーザー作業材料、外部励起源、および光共振キャビティの3つの条件を満たす必要があります。
熱平衡状態では、一般媒質中の原子などの粒子はすべてボルツマン分布、つまり低エネルギーレベルの粒子数密度が高エネルギーレベルの粒子数密度よりも大きいという分布を満たしています。レーザー光を発生させるには、まず高エネルギーレベルの粒子数密度が低エネルギーレベルの粒子数密度よりも大きくなるように粒子の分布を変更する必要があります。この分布状態を「粒子数反転」と呼びます。粒子数反転は特殊な媒質でのみ実現可能であり、現在自然界には数百のそのような媒質しかありません。これらの特殊な媒質だけがレーザーの作動物質、つまり活性化媒質として機能できます。これらはレーザー発生に必要な条件です。
さらに、励起状態の粒子の寿命も十分に長くなければなりません。レーザーの作業材料では、特定の励起状態の粒子の平均寿命が特に長く、最大 10^-3 秒、さらには 1 秒に達します。これは「準安定状態」と呼ばれます。準安定状態でのみ粒子数の反転が達成され、レーザー光の生成に必要な条件が整います。
作業物質の上下のエネルギーレベル間で粒子数の反転を実現するには、外部からエネルギーを供給して、低エネルギーレベルの粒子を高エネルギーレベルに励起する必要があります。このプロセスは「ポンピング」または「ポンピング」と呼ばれます。この機能を実行するためにエネルギーを提供する物質は、刺激源です。励起源から放出されるスペクトル線は、作業物質の吸収スペクトル線と可能な限り一致して、エネルギーの最大変換を達成する必要があります。一般的な励起方法には、一般に、光励起、電気励起、化学励起、核励起、熱励起などがあります。
励起源は作業材料に粒子数の反転をもたらすことができますが、高純度のレーザーを生成するには、特定のスペクトル内の光子の数密度が十分に高いことを保証するために、刺激された放射が材料の自然放出（レーザーのバックグラウンドノイズ）よりもはるかに大きくなければなりません。これには光共振器が必要です。
光共振空洞は、レーザー光子の振動に必要な光フィードバックを提供できるだけでなく、レーザーの周波数と方向を制限し、レーザーの単色性と指向性を向上させることができます。 共振空洞の両端には同軸ミラーが設置されています。励起源は、ポンピングプロセスを通じて作業材料内の原子または分子を励起して、誘導放射を生成します。共振空洞の軸に沿って放射された光子は、ミラーによって軸に沿って反射され、さらに励起光子の生成により、アバランシェ効果型の振動増幅プロセスが形成されます。 2 つのミラーのうち 1 つは部分ミラーです。軸方向に沿って振動および増幅された光ビームは、部分ミラーを介して放出され、レーザービームを生成することができます。一方、他の全反射ミラーに遭遇した光子は反射され、振動を続けます。 そして再びズームインします。
