Laserid ja stimuleeritud kiirgus

Ergastatud aatom võib oma lisaenergiast vabaneda kahel väga erineval viisil. Omapäi jäetuna läbib see lõpuks spontaanse kiirguse, vabastades footoni juhuslikul ajahetkel juhuslikus suunas juhusliku faasiga — nii tekitab valgust tavaline hõõglamp või luminofoortoru ning tekkiv valgus on mittekoherentne, omavahel mitteseotud footonite segapundar. Aga Einstein näitas, et võimalik on ka teine protsess: kui täpselt õige energiaga footon möödub juba ergastatud aatomist, võib see käivitada stimuleeritud kiirguse, mis paneb aatomi koheselt langema madalamale olekule ja kiirama teise footoni, mis on esimesega identne energialt, faasilt, suunalt ja polarisatsioonilt. Sõna "laser" on ise akronüüm täpselt sellele protsessile: valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse abil (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Üksik stimuleeritud kiirguse sündmus kahekordistab ühe footoni kaheks identseks footoniks ja kumbki neist kahest võib omakorda käivitada edasisi kiirgusi teistest ergastatud aatomitest, nii et kaskaad võib põhimõtteliselt valgust tohutult võimendada, samal ajal kui iga tekkinud footon jääb faasilt ja suunalt lukustatuks nendega, mis selle käivitasid — see ongi laserikiire koherentsuse, kitsa spektraalse puhtuse ja tiheda suunatavuse füüsikaline päritolu, kõik omadused, mis puuduvad tavalistel mittekoherentsetel valgusallikatel.

Netovõimenduse saavutamine nõuab konkureeriva protsessi ületamist: tavalised põhiolekus olevad aatomid neelavad meelsasti õige energiaga footoneid, selle asemel et neid kiirata, ja tavalises termilises populatsioonis on põhiolekus olevaid aatomeid tunduvalt rohkem kui ergastatud aatomeid, seega domineerib neeldumine ja läbi liikuv valgus lihtsalt neeldub, selle asemel et võimenduda. Laserisöödet tuleb seetõttu pumbata — varustada energiaga, sageli optiliselt või elektriliselt —, et tekitada populatsiooniinversioon, kunstlik mittetasakaaluline olek, milles rohkem aatomeid asub ergastatud olekus kui madalamas olekus. Alles siis, kui see inversioon on saavutatud, ületab stimuleeritud kiirgus neeldumise, lubades identsete footonite kaskaadil kasvada kiiremini, kui see neeldub, tekitades püsiva laseriväljundi.