Очень важно, что все атомы имеют одну и ту же структуру энергетических уровней. В простейших случаях атомы двухуровневые. В реальности с такой средой лазер создать трудно, то есть мы все очень идеализируем. Предполагается, что разница энергий между уровнями, E=Е1-Е0, одна и та же. Здесь Е1 энергия возбужденного состояния, Е0 энергия состояния релаксации. Атом в состоянии релаксации может поглотить квант энергии (фотон) только величины E=Е1-Е0 и при этом перейти в возбужденное состояние. Он, будучи в возбужденном состоянии, может излучить квант энергии той же величины.
В работах Эйнштейна было изучено два процесса излучения (эмиссии): самопроизвольное (спонтанное) и вынужденное (стимулированное). Кванты энергии, излучаемые самопроизвольно, не когерентны: они, в частности, летят в разные стороны. Кванты энергии имеют и другие свойства, например, свет имеет поляризацию. Самоизлучаемые фотоны разнятся и в этих свойствах. Вынужденное излучение возникает при облучении атомов пульсом когерентных фотонов. Возбужденный атом обладает таким свойством: Если мимо него летит фотон, энергия которого равна энергии возбуждения атома, то атом испускает фотон такой же энергии и переходит в невозбуженное состояние.
Важнейшей характеристикой этого процесса является то, что испущенный фотон во своим свойствам идентичен фотону, который стимулировал излучение. Например, он летит в том же направлении. Это свойство когерентности стимулированного излучения. Можно добавочно рассматривать когерентность и по другим свойствам, например, поляризации.
Эти исходные стимулирующие фотоны, «впрыснутые» в активную среду, генерируют каскадный процесс излучения: возбужденные атомы среды тоже испускают фотоны. Последние копируют один к одному все свойства фотонов, вынуждающих излучение. И каждый из испущенных фотонов вынуждает возбужденные атомы тоже излучать. Сила энергоизлучения нарастает каскадно. Один стимулирующий фотон, взаимодействуя с возбужденным атомом, подталкивает последний к испусканию фотона. Получается два когерентных фотона. Каждый из них еще взаимодействует с возбужденными атомами, подталкивая их к излучению. Итак, уже 4 фотона, затем 8, далее 16, после, скажем, 20 шагов, 2 в 20-й степени фотонов. Это очень большое число, около миллиона. И, главное, что эти фотоны когерентны; летят в одном направлении («на Болотную площадь»). Генерируется мощнейший узконаправленный поток фотонов и все фотоны имеют один и тот же цвет, соответсвующий частоте излучения. О его (цвета) роли мы расскажем позже.
Дополнительно заметим, что если мощность накачки энергии в активную среду превосходит некоторое пороговое значение, то вся энергия накачки переходит в энергию излучения. Потери, скажем в виде спонтанного излучения в различных направлениях, сводятся к минимуму; возникает узконаправленный световой луч,
мощность его совпадает с мощностью накачки. Заметим, что уж слишком сильной накачку сделать нельзя сгорит активная среда.
Для усиления пучка используется лазерный резонатор, состоящий из двух зеркал, они гонят пучок фотонов через активную среду, туда-обратно, туда-обратно, пока не будет достигнута очень высокая мощность излучения. Потом пучок выпускается наружу.
Функционирование лазера базируется на важнейшем свойстве квантовых систем, их неразличности. Атомы, как и фотоны, неразличимы, с точностью до нескольких показателей, скажем, энергии. Фотоны могут отличаться направлением распространения, поляризацией. Но, любые два фотона с одинаковыми наблюдаемыми характеристиками неразличимы, у них нет своего «я».
А сейчас обратим внимание на одно фундаментальное свойство процессов поглощения и излучения фотонов атомами. Важнейшей связью между характеристиками фотонов и атомов является согласование их энергий. Атом может поглотить только фотон, энергия которого равна разнице энергий между уровнями в атоме, но и излучит он лишь фотон с такой же энергией. Поэтому стимулировать излучение нужно квантами той же энергии, что кванты накачки, а они в свою очередь должны соответствовать структуре энергетических уровней атомов в активной среде.
Однако, другие характеристики квантов накачки и стимуляции не должны совпадать; например, направление распространения излучения или поляризации фотонов. «Атом, сьев фотон с какими-то характеристиками, переваривает его и превращает в чистую энергию.» А излучаемый фотон, сгусток энергии, приобретает все характеристики фотона, стимулируюшего эмиссию. Для функционирования физического лазера это свойство процесса накачки излучения не так уж и важно, какая разница, чем накачивать? А вот для социального лазера очень важно иметь возможность отделить содержание накачки от содержания излучаемого импульса или потока социальных действий.