Усилительная среда переводится в возбужденное состояние внешним источником энергии. В большинстве лазеров эта среда состоит из совокупности атомов, которые были возбуждены в такое состояние с помощью внешнего источника света или электрического поля, которое обеспечивает энергию для поглощения и превращения атомов в их возбужденные состояния.
Усиливающая среда лазера обычно представляет собой материал с контролируемой чистотой, размером, концентрацией и формой, который усиливает луч в результате процесса вынужденного излучения, описанного выше. Этот материал может быть в любом состоянии: газ, жидкость, твердое вещество или плазма. Усиливающая среда поглощает энергию накачки, которая поднимает некоторые электроны в квантовые состояния с более высокой энергией («возбужденные»). Частицы могут взаимодействовать со светом, поглощая или испуская фотоны. Эмиссия может быть спонтанной или стимулированной. В последнем случае фотон излучается в том же направлении, что и свет, который проходит мимо. Когда число частиц в одном возбужденном состоянии превышает количество частиц в некотором состоянии с более низкой энергией, достигается инверсия населенности, и количество стимулированного излучения, которое проходит через свет, больше, чем количество поглощения. Следовательно, свет усиливается. Само по себе это делает оптический усилитель. Когда оптический усилитель находится внутри резонансного оптического резонатора, получается лазерный генератор.
В некоторых ситуациях возможно получить генерацию с помощью только одного прохода электромагнитного излучения через усиливающую среду, и это создает лазерный луч без какой-либо необходимости в резонансной или отражающей полости (см., Например, азотный лазер). Таким образом, отражение в резонансной полости обычно требуется для лазера, но не является абсолютно необходимым.
Оптический резонатор иногда называют «оптическим резонатором», но это ошибочно: лазеры используют открытые резонаторы, в отличие от буквального резонатора, который будет использоваться на сверхвысоких частотах в мазере. Резонатор обычно состоит из двух зеркал, между которыми когерентный луч света движется в обоих направлениях, отражаясь обратно на себя, так что средний фотон будет неоднократно проходить через усиливающую среду до того, как он испустится из выходной апертуры или будет потерян для дифракции или поглощения. Если усиление (усиление) в среде больше, чем потери резонатора, то мощность рециркулирующего света может возрастать экспоненциально. Но каждое событие вынужденного излучения возвращает атом из его возбужденного состояния в основное состояние, уменьшая усиление среды. С увеличением мощности луча чистый коэффициент усиления (усиление за вычетом потерь) уменьшается до единицы, а коэффициент усиления считается насыщенным. В лазере с непрерывной волной (CW) баланс мощности накачки от насыщения усиления и потерь в резонаторе приводит к равновесному значению мощности лазера внутри резонатора; это равновесие определяет рабочую точку лазера. Если приложенная мощность накачки слишком мала, усиления никогда не будет достаточно для преодоления потерь в резонаторе, и лазерное излучение не будет производиться. Минимальная мощность накачки, необходимая для начала лазерного воздействия, называется порогом генерации. Усиливающая среда будет усиливать любые фотоны, проходящие через нее, независимо от направления; но только фотоны в пространственной моде, поддерживаемой резонатором, будут проходить через среду более одного раза и получать существенное усиление.
